삼투압 현상

싱싱한 배추 잎은 수분을 가득 머금고 있어서 단단하고 아삭해요. 배추 세포 안은 여러 물질이 묽게 녹아 있는 세포액으로 채워져 있거든요. 그런데 김장할 때 배추 겉면에 굵은 소금을 듬뿍 뿌리면, 배추 바깥쪽은 매우 짠 고농도 환경으로 순식간에 바뀌게 돼요.

배추 세포를 감싼 세포막은 물은 쉽게 통과시키지만 소금 이온은 훨씬 느리게 통과시키는 반투과성 막 역할을 해요. 그래서 소금이 들어오는 것보다 물이 빠져나가는 속도가 훨씬 빨라요. 물 분자는 막을 양쪽으로 오가는데, 안에서 밖으로 나가는 양이 더 많아서 결과적으로 세포 속 물이 빠져나가요.

결국 세포 속에서 수분이 빠져나가면서 내부를 팽팽하게 지탱하던 압력이 사라지고 세포가 힘을 잃어요. 우리가 요리할 때 '배추의 숨이 죽었다'고 말하는 상태가 바로 삼투 현상 때문에 일어나는 대표적인 변화예요.

이 현상을 가장 쉽게 이해하는 방법은 소금이 아니라 물 분자의 입장에서 바라보는 거예요. 농도가 옅다는 것은 소금보다 물 분자가 빽빽하게 뭉쳐 있어 물의 농도가 높은 상태를 의미해요. 반대로 짠 소금물은 소금 입자가 자리를 차지하고 있어서 상대적으로 물 분자의 밀도가 낮아요.

물 분자는 지나가지만 소금 입자는 잘 지나가지 못하는 미세한 구멍이 뚫린 막을 사이에 두면 물 분자들은 양쪽으로 쉼 없이 부딪히며 자유롭게 이동해요. 하지만 물이 많은 쪽에서 적은 쪽으로 건너가는 분자의 숫자가 반대 방향보다 조금 더 많기 때문에, 시간이 지나면 결과적으로 물이 농도가 진한 쪽으로 빨려 들어가는 것처럼 보여요.

이렇게 물이 건너가면서 수면의 높이가 달라지면 액체의 무게 때문에 압력이 생겨나요. 이처럼 농도 차이로 인한 물의 이동을 막기 위해 진한 쪽에 가해야 하는 압력을 물리 법칙에서는 삼투압이라고 정의해요.

식물이 비가 오지 않아도 땅속의 수분을 빨아들이는 첫 단계가 바로 삼투 현상이에요. 식물은 뿌리 세포 속 농도를 보통 주변 흙 속 수분보다 진하게 유지해요. 덕분에 흙 속의 물(토양수)이 뿌리 안쪽으로 저절로 스며드는 원리를 이용하죠. 다만 그 물을 높은 나뭇잎까지 끌어올리는 주된 힘은 삼투압이 아니라, 잎에서 물이 증발하며 물기둥을 위로 끌어당기는 증산작용이에요.

반대로 농도가 너무 짙은 비료를 한꺼번에 많이 주면 흙의 농도가 뿌리보다 더 진해져요. 그러면 뿌리 속에 있던 소중한 수분이 오히려 흙으로 빠져나가 식물이 말라 죽는 현상이 생기기도 해요.

현대 기술에서는 이 원리를 거꾸로 이용하기도 해요. 바닷물에 인위적으로 강한 압력을 가하면 소금기는 대부분 반투과성 막에 걸러지고 물이 막을 통과해 나와요. 여기에 추가 처리를 거쳐 식수로 써요. 이를 역삼투 방식이라고 부르며 해수 담수화 시설과 가정용 정수기, 반도체 공장의 초순수 생산 등에 널리 쓰이고 있어요.