[생물 임용 노트] 물 - 1) 물: 물의 구조와 성질, 확산과 삼투, 수분 퍼텐셜

물분자의 구조

물분자의 수소결합과 공유결합

1. sp³ 정사면체 구조이다.

2. H-O-H의 104.5 º의 결합각
3. 산소의 높은 전기 음성도로 인한 2개의 전기 쌍극자가 존재하여 수소결합 형성 가능
4. 각 물분자는 실온과 평균 대기압에서 수소결합의 파괴와 결합이 반복된다.
 → 평균 3.4개의 분자와 수소결합을 하고 있다(최대 4개의 수소결합)
 

물분자의 성질

1. 얼음의 융해와 물의 증발은 흡열 반응이지만 자발적인 반응이다.
→△G=△H-T△S 식에서 △H>0, △S >>> △H 이기 때문이다.
 
2. 물분자의 크기가 작고 극성결합을 하여 비교적 넓은 범위의 물질을 다량 녹일 수 있다.
→ 물분자-이온, 물분자-용질 사이의 수소결합이 하전 물질들 사이의 정전기적 상호작용을 최소화하여 용해도가 증가
 
3. 물 사이의 방대한 수소결합으로 높은 비열과 기화열을 갖는다.
  **비열(specificheat): 어느 물질의 온도를 일정량 올리는데 필요한 에너지의 양
  **기화열(latent heat of vaporization): 액체상 분자를 분리시켜 기체상으로 옮기는데 필요한 에너지
→ 물의 수소결합은 가해진 열에너지를 흡수하여 운동 증가에 쓰일 에너지를 적게 남겨둔다. 또한 기화열이 매우 높아 온도 변동을 완충시키는데 도움을 준다.
 
4. 공기-물 계면의 물분자는 수소결합으로 인해 이웃 분자들에게 끌림을 당한다. 물에서는 이 상호작용이 매우 강하다.
→ 이로 인해 표면장력, 응집력, 부착력이 발생한다.
 ** 표면장력: 기체-액체 계면의 표면적 증가에 요구되는 에너지
 ** 응집력: 물의 수소결합에 의한 물분자 사이의 상호인력
 ** 부착력: 수소 결합으로 물분자가 세포벽이나 유리 같은 고체상에 끌리는 것
 
5. 높은 인장강도를 갖고 있다.
→ 연속적인 물기둥이 끊어지지 않고 견딜 수 있는 단위 면적당 최대 힘
→ 압축된 물은 양의 정수압을 갖고, 장력을 받는 물은 음의 정수압을 갖는다.
→ 물의 인장강도는 -20 MPa 이하이다.
 

확산(diffusion)

막 투과가 가능한 물질들이 높은 농도 지역에서 낮은 농도 지역으로 자발적으로 이동하는 것을 확산이라고 한다.
→ 확산은 각 분자들이 무작위로 움직이고 있어도 높은 농도에서 낮은 농도로 분자들의 순 이동을 발생시킨다.

순확산속도(Q) = △C · P · A / Mw · △x = 농도차 · 막 투과성 · 온도 / 분자량 · 거리차

입자가 거리 L만큼 확산 시 걸리는 평균 시간은 L²에 비례한다.

따라서 확산은 세포 차원에서는 효율적이나 장거리 수송에는 효과적이지 못하다.
 

삼투(osmois)

막 사이의 농도 차이에 의해 물이 안으로 들어오는 힘이다. 선택적 투과막을 통한 물의 확산을 의미한다.
→ 막을 통과하는 용질의 이동이 제한되어, 물이 용질의 희석을 위해 높은 용질로 이동. 물의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 정수압 = 삼투압이 될 때까지 이동한다.

π = C·R·T (C: 오스몰 농도 R: 기체 상수 T: 온도)

** osm(오스몰 농도) : 용액 1L에 녹아 있는 용질의 입자수(mol/L)
용액의 총괄성을 가짐 → 삼투압(용질 농도의 효과)은 일정 부피에 녹아 있는 입자수에만 의존
 

수분 퍼텐셜(water potential)

물의 자유에너지를 의미한다. 물은 자발적으로 에너지(수분 퍼텐셜) 투입 없이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.

water potential → 단위 부피당 물의 자유에너지(Pa)
수분 퍼텐셜의 요소 → 농도, 압력, 중력
 

Ψw(수분 퍼텐셜) = Ψ_s(용질) + Ψ_p(압력) + Ψg(중력)

1. 용질 - 용질 퍼텐셜, 삼투 퍼텐셜
 녹아 있는 용질이 수분 퍼텐셜에 미치는 영향을 나타냄
 물을 희석시켜 물의 자유에너지를 감소시킴(용질의 특성과는 무관)
 Ψs(용질) = - C · R · T (C: 오스몰 농도 R: 기체 상수 T: 온도)
 
2. 압력: 용액의 정수압
 양의 압력 - 퍼텐셜을 높인다
 음의 압력 - 퍼텐셜을 낮춘다 → 장력

 ; 식물세포에서 팽압의 형태로 나타남, 팽압(Ψ_p)=0 일 때를 한계 원형질 분리라고 함

 대기압과의 편차로 측정한다(표준상태 0 MPa)
 
3. 중력

 기준 상태에서 물의 높이(h), 밀도(ρ_w), 중력(g)에 기인한 가속도에 의존

 Ψ_g(중력) = ρ_w · g · h

→ 10m당 0.1 MPa씩 변화한다. 세포 수준에서의 수송은 Ψ_g를 무시 가능하다.