용액의 총괄성 (colligative properties) - 삼투압 (Osmotic pressure)

 용질 입자가 녹아있는 용액의 물리적 성질은 순수한 용매와 다르다.
  하지만 용액의 중요한 네 가지 성질들의 차이를 나타내는 것은 용질 입자의 화학적 성질이 아닌.
입자의 수이다.
 총괄성(colligative properties)이라 부르는 성질은 증기압 내림, 끓는점 오름, 어는점 내림, 삼투압이다.

Link - 증기압 내림
LInk - 끓는점 오름
LInk - 어는점 내림

용액의 총괄성 중 하나인 삼투압은 1901년 첫 노벨상을 받은 야코뷔스 반트 호프Jacobus Hendricus van't Hoff가 발견 했다. 다음을 클릭하면 1901년 노벨상 연설문을 볼 수 있다.

1901년 노벨상 연설문">

화학동역학 법칙 및 삼투압 발견 - 1901년 노벨 화학상, 야코뷔스 반트 호프Jacobus Hendricus van't Hoff

 전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
 왕립 과학원은 베를린 대학교 야코뷔스 반트 호프 교수에게 화학동역학과 용액의 삼투압에 관한 그의 선구적 연구 업적에 대해 노벨 화학상을 수여했습니다.

 그의 연구 결과는 돌턴 이후 원자론과 분자론 분야의 이론화학에서 가장 중요한 발견입니다.
 원자론 분야에서 반트 호프 교수는 파스퇴르에 의해 진전된 아이디어를 따라 구성 원자가 공간에서 기하학적으로 배열된 접점을 갖는다는 가설을 세웠습니다. 이 가설에서 탄소화합물과 관계된 탄소 원자의 비대칭 이론과 입체 화학이 창시되었습니다.

 분자론 분야에서 반트 호프 교수의 발견은 훨씬 더 혁신적입니다. 그는, 이탈리아 사람인 아보가드로의 이름을 딴 아보가드로의 법칙이 삼투압이라고 알려진 물질들의 압력을 기체 압력과 같은 방식으로 고려한다면, 기체 상태의 물질뿐만 아니라 용액 속의 물질에도 적용된다는 것을 밝혔습니다. 반트 호프 교수는 기체의 압력과 삼투압이 동일한 것이며 따라서 기체 상태에 있는 분자와 용액 상태에 있는 분자 그 자체도 동일하다는 것을 증명했습니다. 그 결과 화학에서 분자의 개념이 명확해지고 현재까지 상상할 수 없을 만큼 유용해졌습니다. 그는 또한 반응에서 화학평형 상태를 표현하는 방법과 반응을 진행하는 기전력을 표현하는 방법을 개발했습니다. 반트 호프 교수는 원소의 여러 가지 변화 사이에서, 그리고 수분 함량이 다른 수화물들 사이에서 어떻게 전이가 일어나는지, 또 어떻게 복염이 만들어지는지 등을 설명했습니다.

 역학과 열역학에서 기원한 단순한 원리들을 빌려 적용함으로써 반트 호프 교수는 화학동역학의 창시자 가운데 한 사람이 되었습니다. 그의 연구는 물리화학의 진보에 매우 중요한 요소가 되었습니다. 반트 호프 교수의 물리화학 연구는 전기화학과 화학반응론에서 스웨덴을 비롯한 여러 나라의 연구자들이 이룩해 온 위대한 업적에 필적합니다. 그만큼 과학 연구에 큰 가능성을 열었을 뿐만 아니라, 용액에서 물질의 상태에관한 연구에 가장 위대한 실질적 결과를 가져왔으며 앞으로도 지속될 것입니다. 화학 반응이 대부분 용액 속에서 일어나고 살아있는 유기체의 생명 작용이 용액 속에서 일어나는 물질대사 과정에 의해 유지된다는 것을 생각해보면 이 연구 결과가 인류에 공헌하는 바는 막대할 것입니다.

전 국립기록보관소 소장, 스웨덴 왕립과학원 원장 C. T. 오드너
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 화학상|, 노벨 재단 엮음, 우경자·이연희 옮김>

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 삽투압(Osmotic pressure)
 용액의 총괄성중 마지막 네 번째 총괄성은 삼투압이다. 삼투압이란 농도가 다른 두 용액이 용매 분자만을 통과시키고 용질 분자는 통과시키지 않는 반투막(semipermeable membrane)으로 분리되어 있을 때, 농도가 낮은 쪽의 용매 분자들이 농도가 높은 쪽으로 이동해가는 것을 말한다.
 U자 관 가운데에 반투막이 있어 순수한 용매와 설탕 용액을 분리하고 있는 것을 상상해보자.

[사진을 선명하게 보려면 클릭]

 용매인 물 분자는 반투막의 어느 방향으로든 자유롭게 움직이지만, 크기가 큰 설탕 분자들은 반투막을 통과하지 못한다. 용액 쪽의 반투막에는 용질 분자들이 용매가 막에 접촉하는 횟수를 줄게하여, 용액쪽에서는 나가는 물 분자보다 들어오는 물 분자의 양이 많게 된다. 이렇게 용액 쪽으로 물의 알짜 흐름으로 용액의 부피가 증가하고, 농도가 감소하게 된다.
 용액의 높이 높아질수록, 용매의 높이가 낮아질수록 두 높이 차에 의해 나타나는 압력의 차이는 용매 분자들을 용액쪽에서 용매쪽으로 밀어낸다. 나가는 양과 들어오는 양이 같아지는 평형에 도달하게 된다. 이 평형에서의 압력 차이를 삼투압(Osmotic pressure, )이라 하며, 용매에서 용액으로의 물의 알짜 흐름을 막는 데 필요한 압력으로 정의한다.

 삼투압은 몰농도에 비례한다.

  

 비례상수는 기체상수 R에 절대온도 T를 곱한 것으로, 따라서