004 – 삼투

모든 살아있는 세포는 일부 물질은 통과시키고 다른 물질은 차단하는 막으로 둘러싸여 있습니다. 이러한 선택성 덕분에 세포는 물, 염류, 영양분을 주변 환경과 교환하면서도 단백질과 당분을 유지할 수 있습니다. 동일한 원리가 수처리 산업에서, 그리고 가장 친숙하게는 신장 투석에서 사용되며, 여기서는 기계가 기능을 상실한 신장을 대신하여 여과 기능을 수행합니다.

이러한 종류의 막은 다음과 같이 설명된다 선택적 투과성특정 크기의 구멍들이 뚫려 있어서, 용해된 물질이 통과할 수 있는지는 주로 그 분자들의 크기에 달려 있습니다. 작은 분자와 이온들은 쉽게 통과하여 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 골고루 퍼질 때까지 확산에 의해 퍼져나갑니다. 큰 분자들은 통과하기에는 너무 커서 그 자리에 머물게 됩니다. 물 자체는 양방향으로 자유롭게 통과하며, 농도가 더 높은 쪽을 향한 물의 순 이동을 적절히 삼투 현상이라고 부릅니다.

이 실험실에서는 매우 다른 분자 크기를 가진 세 가지 물질(전분, 염화나트륨, 포도당)의 혼합물로 투석 튜뷰를 채우고 증류수가 담긴 비커에 매달아 둘 것입니다. 시스템이 물질을 교환하도록 둔 후, 튜뷰 주변의 물과 튜뷰 내부의 내용물 모두에 대해 각각에 맞는 특정한 화학적 검정을 사용하여 세 가지 물질 모두를 검출하는 테스트를 수행할 것입니다. 어떤 물질이 튜뷰 외부로 나타나고 어떤 물질이 나타나지 않는지 비교함으로써, 기공을 직접 측정하지 않고도 막의 크기 한계를 알아낼 수 있을 것입니다.

교육 목표

실험실 환경 익숙해지기

• Proteus 삼투 실험실의 배치와 장비를 파악하되, 여기에는 투석 백, 범용 스탠드 및 클램프, 수조가 달린 핫플레이트, 그리고 색상 검사에 사용되는 웰 플레이트가 포함됩니다.

보호 장비 사용

• 작업하는 동안 항상 장갑과 보안경을 착용하십시오. 특히 질산은은 피부와 의류를 오염시키며 물중탕은 70 °C 이상의 온도에서 작동한다는 점에 유의하십시오.

투석막의 조립 및 취급

• 내용물을 주변 물에 쏟지 않고—이후의 모든 테스트를 무효화할 오염임—투석 팩을 닫고, 채우고, 장착하십시오.
• 가방의 입구가 수면 아래로 잠기지 않도록 주의하면서 가방을 물에 담가야 하는 이유는, 가방 내부로 물이 들어가는 것을 방지하는 동시에 외부 수압을 이용해 가방 안의 공기를 완전히 밀어내기 위해서입니다.

소량의 정밀 이송

• 피펫과 10 mL 메스실린더를 사용하여 3 mL씩 3번 나누어 혼합하되, 물질 간의 교차 오염이 발생하지 않도록 남은 양은 버립니다.

세 가지 특정 화학 시험 수행

• 전분을 확인하기 위한 루골 시험, 염화이온을 확인하기 위한 질산은 시험, 환원당을 확인하기 위한 펠링 시험을 실시하고, 각 시험을 수행하기 전에 양성 및 음성 반응이 어떻게 나타나는지 설명하십시오.
• 펠링 반응은 70 °C 이상으로 가열해야 하며, 그 결과는 단순히 색 변화만 보고 판단하는 것이 아니라 침전물의 출현 여부를 통해 판독해야 한다는 점을 유의해야 한다.

확산과 삼투의 구별

• 이 실험 결과를 바탕으로 어떤 물질이 막을 통과했는지, 그리고 그 이유는 무엇인지 설명하고, 용해된 용질의 이동과 물의 이동을 구분하여 설명하십시오.

간접 측정치를 바탕으로 한 추론

• 막을 통과한 분자와 통과하지 못한 분자의 종류를 바탕으로, 막의 한 가지 특성인 대략적인 기공 크기를 추론해 보라.

프로토콜

대조군 (양성)

염화나트륨과 녹말

1. 스포이트를 이용하여 A라고 표시된 칸에 전분 용액을 5~10방울 떨어뜨리세요.
2. 스포이드에서 회수 용기로 초과분을 비우세요.
3. 드롭퍼를 사용하여 염화나트륨 용액 5~10방울을 D라고 표시된 우물에 넣으세요.
4. 드롭퍼의 과잉 용액을 회수 용기에 비우십시오.
5. 스포이드를 사용하여 A라고 표시된 웰에 루골 용액 5-10 방울을 떨어뜨리십시오.
6. 드롭퍼의 과잉 용액을 회수 용기에 비우십시오.
7. 스포이드를 사용하여 D라고 표시된 웰에 질산은을 5~10방울 떨어뜨립니다.
8. 드로퍼의 남은 액체를 회수 용기에 비웁니다.
9. 유리로 된 막대를 사용하여 컵 A와 D를 잘 흔드세요.

결과 표에서 대조 반응에 대한 관찰 결과를 찾을 수 있습니다.

포도당

1. 500mL 비커에 수돗물 400mL를 채우세요.
2. 자석봉을 비커에 삽입하세요.
3. 비커를 핫플레이트 위에 올려 75°C로 설정하십시오. 온도가 도달할 때까지 기다립니다.
4. 자기 모터 켜기 (왼쪽 버튼).
5. 피펫을 사용하여 G라고 표시된 시험관에 포도당 용액 10mL를 넣으십시오.
6. 피펫을 사용하여 G라고 표시된 시험관에 펠링 A 10mL를 첨가하십시오.
7. 페놀프탈레인 용액 10mL를 G라고 표시된 시험관에 피펫을 사용하여 떨어뜨립니다.
8. 시험관을 몇 초간 흔들어 내용물을 섞으세요.
9. 1단계에서 준비된 500mL 비커 위에 왼쪽 지지대에 유니버설 클램프를 고정하십시오.
10. G라고 표시된 시험관을 비커 중앙 위쪽의 유니버설 클램프에 부착하십시오.
11. 온도계를 시험관에 넣고 시험관 내부 온도가 70°C 이상이 될 때까지 기다리십시오.
12. 시험관 G를 시험관대에 원래 위치에 다시 놓으세요.
13. 시험관의 내용물을 유리 막대로 몇 초간 저어 섞습니다.
14. 시험관 내 반응이 완료되면 (침전), 가열판의 온도를 15°C로 낮추십시오.
15. 자기장을 끄세요.

대조 반응의 관찰 결과는 결과 표에 나와 있습니다.

삼투압 주머니 준비 및 초기 용액 시험

1. 600mL 비커에 따뜻한 수돗물 300mL를 넣으십시오.
2. 투석 봉지를 따뜻한 물에 담가 유연하게 만드세요.
3. 투석 백 아래쪽에 검은색 캡을 씌워 막아주세요.
4. 10mL 눈금 실린더에 파이펫을 사용하여 녹말 용액 3mL, 염화나트륨 3mL, 포도당 용액 3mL를 차례로 붓습니다. 각 물질을 넣은 후에는 남은 용액을 회수 용기에 비웁니다.
5. 투석 주머니를 넓은 면의 열린 부분이 위를 향하도록 하여 수평으로 놓으십시오. 눈금 실린더의 내용물을 이 구멍에 붓습니다.
6. 빈 250mL 비커를 오른쪽에 있는 유니버설 스탠드 옆에 놓으세요.
7. 비커 중앙 위, 오른쪽 유니버설 스탠드에 유니버설 클램프를 장착하십시오.
8. 투석 주머니를 유니버설 클램프를 사용하여 오른쪽 유니버설 지지대에 부착하고, 전체 장치를 250mL 비커 안에 수직으로 세우십시오. 투석 주머니의 내용물이 비커 안으로 쏟아지지 않도록 주의하십시오.
9. 250mL 비커에 약 200mL의 증류수를 부어 봉투 안의 내용물이 물에 잠기도록 합니다. 물이 봉투의 입구가 있는 끝부분에 닿지 않도록 해야 합니다.
10. 스포이드를 사용하여 투석 봉지가 담겨 있는 비커의 액체를 취하십시오. 용액 5~10방울을 B 칸에 넣고, 용액 5~10방울을 E 칸에 넣으십시오.
11. 스포이드에서 회수 용기로 초과분을 비우세요.
12. 스포이트를 사용하여 B라고 표시된 구멍에 루골 용액을 5~10방울 떨어뜨립니다.
13. 스포이드에서 회수 용기로 초과분을 비우세요.
14. 스포이드로 E라고 표시된 칸에 질산은을 5~10방울 떨어뜨리시오.
15. 드롭퍼의 과잉 용액을 회수 용기에 비우십시오.
16. 유리 막대를 사용하여 컵 B와 E를 잘 흔들어 줍니다.
17. 항상 물이 담긴 비커가 놓여 있는 핫플레이트를 75°C로 설정하세요. 온도가 도달할 때까지 기다리세요.
18. 자석 교반기 (왼쪽 버튼)를 켜세요.
19. 피펫을 사용하여 가방이 담겨 있는 비커에서 용액 10mL를 H라고 표시된 시험관에 넣으시오.
20. 피펫을 사용하여 H라는 테스트 튜브에 펠링 A 용액 10mL를 넣습니다.
21. 피펫을 사용하여 H라고 표시된 시험관에 펠링 B 용액 10mL를 넣으십시오.
22. 시험관을 몇 초간 흔들어 내용물을 섞으세요.
23. 시험관 (H)을 비커 중앙 위의 유니버설 클램프에 고정하세요.
24. 온도계를 시험관에 넣고 시험관의 온도가 70°C 이상이 될 때까지 기다리세요.
25. 시험관 (H)을 집어 시험관대에 원래 위치에 다시 놓으세요.
26. 유리 막대로 시험관을 몇 초간 흔들어 내용물을 섞으세요.
27. 난방판의 온도를 15°C로 낮추세요.
28. 자석 교반기 전원을 끄세요.
29. 24시간 기다리세요 (시계 버튼으로 시간을 변경하세요)

최종 솔루션 테스트

1. 스포이트를 사용하여 투석백이 담긴 비커에서 액체를 취해 용액 5~10방울을 C 칸에 넣고, 용액 5~10방울을 F 칸에 넣습니다.
2. 스포이드에서 회수 용기로 초과분을 비우세요.
3. 드롭퍼를 사용하여 C라고 표시된 칸에 루골 용액을 5~10방울 떨어뜨리세요.
4. 드롭퍼의 과잉 용액을 회수 용기에 비우십시오.
5. 스포이드를 사용하여 F라고 표시된 칸에 질산은 용액을 5~10방울 떨어뜨리십시오.
6. 드롭퍼의 과잉 용액을 회수 용기에 비우십시오.
7. 유리 막대로 컵 C와 F를 잘 흔들어 섞습니다.
8. 항상 물이 담긴 비커가 놓여 있는 핫플레이트를 75°C로 설정하세요. 온도가 도달할 때까지 기다리세요.
9. 자석 교반기 (왼쪽 버튼)를 켜세요.
10. 피펫을 사용하여 가방이 담겨 있는 비커에서 시험관 I에 물 10mL를 넣으시오.
11. 파이펫을 사용하여 시험관 I에 펠링 A 용액 10mL를 넣으세요.
12. 피펫을 사용하여 시험관 I에 펠링 B 용액 10mL를 넣으십시오.
13. 시험관을 몇 초간 흔들어 내용물을 섞으세요.
14. 비커 중심 위쪽의 유니버설 클램프에 (I)라고 표시된 시험관을 고정하십시오.
15. 시험관에 온도계를 삽입하고 시험관 내부 온도가 70°C 이상이 될 때까지 기다리십시오.
16. 시험관 (I)를 집어 시험관 꽂이의 원래 위치에 다시 놓으십시오.
17. 시험관의 내용물을 유리 막대로 몇 초간 저어 섞습니다.
18. 난방판의 온도를 15°C로 낮추세요.
19. 자석 교반기 전원을 끄세요.

결과 표에서 관찰 결과를 찾을 수 있습니다.

• 루골 검사(Lugol’s test)에서 복합 탄수화물이 존재한다는 양성 결과는 웰(well) 내에 청흑색(아이오딘-녹말 복합체) 착색을 나타낼 것입니다.
• NaCl 존재 여부에 대한 검사 결과 양성이면, 웰 내에서 흰색 침전물(AgCl)이 생성됩니다(질산은 반응).
• 단순 탄수화물 존재에 대한 양성 결과는 시험관에서 벽돌색 침전물(Cu2O)을 형성합니다(펠링 반응).

예상 결과

세 가지 물질과 그 크기. 실험 결과는 거의 전적으로 분자 크기에 따라 결정되므로, 결과를 살펴보기 전에 세 가지를 나란히 비교해 보는 것이 좋습니다.

물질	대략적인 몰 질량	기공에 대한 크기	막을 통과합니까?
전분 (아밀로스와 아밀로펙틴)	105 – 106 g/mol	훨씬 더 큰	아니요
포도당, C6H12O6	180 g/mol	더 작은	네
나트륨 및 염화물 이온	23 및 35.5 g/mol	훨씬 더 작다	네

예상 결과. 백을 둘러싼 물과 백 내부의 내용물 모두 세 가지 물질에 대해 테스트됩니다.

테스트	탐지하는 것	양성 결과는 다음과 같습니다.	봉지 주변의 물	가방 안
루골	전분	보라색에서 청흑색까지	음성 (웰 C)	양성 (웰 A)
질산은	염화 이온	흰색 침전물	양성 (웰 F)	양성 (웰 D)
펠링, 격앙된	당 섭취 줄이기	벽적색 침전물	양성 (시험관 I)	양성 (시험관 G)

녹말 검사. 루골 용액은 아이오딘과 아이오딘화 칼륨을 함유하고 있으며, 이들이 결합하여 삼아이오딘화물(I)을 생성합니다.₂ + 나⁻ → 나₃⁻. 색상을 만들어내는 것은 요오드나 요오드화물 단독이 아니라 바로 삼요오드화물 이온입니다. 이것이 아밀로스 사슬의 나선형 코일 안으로 끼어들어가고, 그 결과 생성된 호스트-게스트 복합체가 가시광선 영역에서 강하게 빛을 흡수하여 특유의 청흑색을 나타냅니다. 요오드화물 자체만으로는 녹말과 색을 내지 않으며, 이것이 시약에 둘 다 포함되어야 하는 이유입니다.

염화물 검사. 은 이온과 염화물 이온이 결합하여 물에 거의 녹지 않는 침전물을 생성합니다.

은⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_SP = 1.8 × 10^-10

왜냐하면 K_SP 너무 작아서, 눈으로는 감지할 수 없는 훨씬 낮은 염화물 농도에서도 탁함이 나타나며, 이는 막을 소량만 통과한 물질에 대해서도 이것이 민감한 검사가 되도록 만듭니다.

포도당 검사. 펠링 용액은 사용 직전에 혼합되는 두 가지 용액으로 제공됩니다. 펠링 A는 황산구리(II)이고, 펠링 B는 약 2.5 M 수산화나트륨에 녹인 타르타르산나트륨칼륨입니다. 이들을 섞으면 타르타르산염이 구리(II)를 수용성 착물의 형태로 용액 속에 붙잡아 두는 진한 파란색 용액이 만들어집니다. 강한 알칼리성을 띤 타르타르산염이 없다면 구리는 단순히 수산화구리(II)로 침전되어 버릴 것이고 시약으로서 쓸모가 없게 될 것입니다.

포도당은 환원당입니다. 포도당은 가열할 때 산화되는 알데하이드기를 가지고 있으며, 그 대가로 구리(II)는 구리(I)로 환원되어 용액을 떠나 붉은 벽돌색의 산화 구리(I) 침전물을 남깁니다.

RCHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → RCOO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

이 반응은 열과 강알칼리성 매질이 모두 필요하므로, 시험관을 수조에서 70 °C 이상으로 가열합니다. 따라서 시험관 G의 예상되는 외형은 가열하기 전의 진한 파란색 그리고 가열 후 벽돌색 침전물. 흔한 오해는 푸른색이 더 짙어질 것이라고 기대하는 것인데, 그렇지 않습니다. 푸른색은 구리(II) 착화합물이 소모되는 과정이며, 붉은색 침전물 아래로 푸른색이 사라지는 것이 양성 결과입니다.

확산, 그리고 확산이 멈추는 이유. 포도당과 이온들은 막의 양쪽에서 농도가 다르기 때문에 이동합니다. 순이동은 농도가 같아질 때까지 그 기울기를 따라 계속되며, 그 시점에 이르면 양방향으로의 교차가 균형을 이루어 시스템은 평온 상태가 됩니다. 용질을 펌프질하는 것은 없으며, 이 과정에는 에너지 투입이 필요하지 않고 자신의 농도 기울기에 역행하여 물질을 이동시킬 수 없습니다.

별도의 현상인 삼투현상. 물 역시 막을 통과하며, 총 용존 용질 농도가 더 높은쪽으로 우선적으로 이동합니다. 시작할 때 그곳은 주머니의 내부이므로, 물이 유입되어 주머니가 눈에 띄게 단단해집니다. 이 흐름을 멈추기 위해 가해야 하는 압력이 삼투압이며, 묽은 용액의 경우 반호프 관계식으로 주어집니다:

Π = i M R T 어디 i 각 화학식량 단위가 방출하는 입자의 수는, M 몰농도, R = 8.314 J·mol^-1·K^-1 그리고 T 절대 온도.

염화나트륨은 포도당이 하나의 분자로 남아 있는 것과 달리 두 개의 이온으로 해리되기 때문에, 동일한 몰농도의 포도당보다 이 압력에 두 배 더 크게 기여합니다. 녹말은 그 질량에도 불구하고 삼투압이 그램이 아닌 입자 수를 세기 때문에 거의 기여하지 않습니다. 수천 개의 포도당 단위를 가진 단 하나의 녹말 분자는 하나의 입자로서의 삼투 효과만을 발휘하기 때문입니다. 이것은 삼투압이 총괄성(colligative property)임을 실험실에서 가장 명확하게 보여주는 예입니다.

이 연구실의 명칭에 관한 참고 사항. 엄격히 말해, 막을 통한 용질의 이동은 확산이며, 막이 양쪽을 분리하고 있을 때는 투석이라고 합니다. 반면 삼투는 특히 용매의 이동을 가리킵니다. 여기서는 두 현상이 동시에 일어나고 있으며, 고등학교 상급 학년 학생들에게 어떤 관찰 결과가 어느 현상을 보여주는지 구별하라고 요구하는 것은 타당합니다.

학년별 과제 요약

9~10학년

• 집중 관찰 가능한 속성으로서의 선택적 투과성과 화학적 테스트의 올바른 판독.
• 활동 투석 튜브를 조립하고 장착합니다; 두 샘플 모두에 대해 세 가지 실험을 수행하고 각각을 표에 양성 또는 음성으로 기록합니다; 튜브를 빠져나오지 못한 물질을 명시합니다; 큰 분자가 작은 구멍을 통과할 수 없는 이유를 알기 쉬운 말로 설명합니다; 끝날 때의 튜브가 시작할 때보다 더 단단하게 느껴진다는 점을 기록합니다.

11학년

• 집중 농도 기울기에 따른 확산 및 각 시험의 화학.
• 활동 각 물질의 합격·불합격 결과를 몰 질량과 연관시키고, 질산은 테스트에 대한 이온 방정식을 작성하며, 작은 K 값이 의미하는 바를 설명하시오._SP 민감하게 만듭니다. 펠링 테스트에 왜 열과 알칼리가 필요한지, 그리고 왜 푸른색이 진해지지 않고 사라지는지 설명하세요. 대신 주머니에 증류수를 채워 혼합 용액에 담갔을 때 관찰될 결과를 예측하세요.

12학년 / 대학교 수준

• 집중 총괄성으로서의 삼투현상과 투석과 삼투의 차이점.
• 활동 Π = iMRT를 사용하여 동일한 몰농도를 가진 염화나트륨, 포도당, 전분의 삼투 기여도를 비교하고, 전분이 그 질량에도 불구하고 삼투압에 거의 기여하지 않는 이유를 설명하며; 실험에서 어떤 관찰이 용질의 확산을 나타내고 어떤 관찰이 용매의 이동을 나타내는지 식별하고; 막을 통과한 가장 큰 분자의 정체를 바탕으로 막의 기소(구멍) 크기에 대한 상한선을 추정하고; 세 가지 테스트 각각의 민감도를 제한하는 요인을 논의하고, 소량이 통과했을 때 이를 감지하는 데 세 가지 중 어느 것이 가장 신뢰할 수 없을지 토론하시오.

실험실 필수품

악기

• 비커 (250 mL, 500 mL & 600 mL)
• 투석 튜브
• 검은색 뚜껑(가방을 닫는 용도)
• 범용 거치대
• 다목적 클램프
• 웰 플레이트
• 시험관과 시험관대
• 스포이트
• 피펫
• 눈금실린더 (10 mL)
• 유리봉
• 워터배스가 있는 핫플레이트
• 마그네틱 바
• 온도계
• 장갑과 보안경

제품

• 녹말 용액
• 염화나트륨 용액
• 포도당 용액
• 루골 2 % 용액
• 질산 은 용액
• 펠링 A 용액(황산구리(II))
• 펠링 B 용액 (약 2.5 M 수산화나트륨 내의 주석산나트륨칼륨)
• 증류수