삼투압(渗透壓, osmotic pressure)은 순수한 용매가 반투과성 막을 통해 용액으로 유입되는 것을 방지하기 위해 용액에 가해야 하는 최소한의 압력을 의미한다. 이는 물리화학 및 생물학의 핵심 개념 중 하나로, 학문적으로 확립되어 널리 알려져 있다.
삼투압은 서로 다른 농도를 가진 두 용액이 반투과성 막(용매는 통과시키지만 용질은 통과시키지 않는 막)에 의해 분리되어 있을 때 발생한다. 이때 용매 분자는 농도가 낮은 쪽(용질이 적은 쪽)에서 농도가 높은 쪽(용질이 많은 쪽)으로 이동하며, 이러한 현상을 삼투(osmosis)라고 한다. 용매의 이동은 삼투 평형에 도달할 때까지 계속되며, 이때 막 양쪽에 발생하는 압력 차이가 삼투압이다.
네덜란드의 화학자 야코뷔스 판트호프(Jacobus Henricus van 't Hoff)는 삼투압과 용질 농도 사이의 정량적 관계를 열역학적으로 유도하였다. 묽은 용액(이상 용액)에 대해 판트호프 방정식은 다음과 같이 표현된다.
Π = i c R T
여기서 Π는 삼투압, i는 반트호프 지수(용질의 이온화 정도), c는 용질의 몰 농도, R은 이상 기체 상수, T는 절대 온도(켈빈 단위)이다. 이 식은 이상 기체 법칙(P = nRT/V)과 형태가 유사하며, 삼투압이 용질의 농도에 비례하는 총괄성(colligative property)임을 나타낸다. 더 농축된 용액의 경우 판트호프 방정식에 보정 항이 추가된다.
삼투압은 생물학에서 중요한 역할을 한다. 생물체는 세포 내외의 삼투압 균형을 맞추기 위한 항상성 기제인 삼투 조절(osmoregulation)을 가지고 있다.
- 고장성(hypertonic): 주변 용액의 농도가 세포 내부보다 높아 세포가 수축하는 상태
- 저장성(hypotonic): 주변 용액의 농도가 세포 내부보다 낮아 세포가 팽창하는 상태
- 등장성(isotonic): 세포 내외부의 농도가 같아 세포 부피에 변화가 없는 상태
식물 세포의 경우 세포벽이 팽창을 제한하여 내부 압력인 팽압(turgor pressure)이 발생하며, 이는 초본식물이 곧게 서는 것을 가능하게 한다. 동물 세포는 세포벽이 없어 과도한 저장성 환경에서 세포 용해(lysis)가 발생할 수 있다.
삼투압은 실생활 및 산업에서도 널리 응용된다. 역삼투(reverse osmosis) 방식은 자연적인 삼투압보다 더 큰 압력을 가하여 용매(물)를 용질로부터 분리하는 기술로, 해수 담수화 및 정수 과정에 활용된다. 바닷물의 삼투압은 약 27 atm(기압) 정도이다.
또한 삼투압 측정은 미지 물질의 분자량을 결정하는 데에도 사용될 수 있다.
