농업직, 농촌지도사, 작물생리학, 방통대 - 재배식물생리학 핵심 요약정리 3. 물의 특성과 수분퍼텐셜

제3장 물의 특성과 수분퍼텐셜

불가분의 관계에 있는 수분과 식물의 관계를 알기 위해 수분의 물리화학적 특성을 파악하
고, 수분의 흡수, 이동, 배출과 연관지어 이해한다. 토양으로부터 물과 함께 흡수되는 무기
양분을 식물의 필수원소를 중심으로 각각의 생리적 기능을 파악하고, 그들은 어떻게 흡수되
는지, 무기양분의 요소별 기능은 무엇이며, 나아가 그들은 어떤 과정을 거쳐 식물의 물질대
사와 생장에 이용되는지 살펴본다. 이는 작물재배에서 관수와 시비의 의미와 중요성을 이해
하는 기초가 된다.

주요 용어해설 •전기음성도: 대전원자들 사이에서 한 원자가 다른 원자의 전자를 끌어당기는 힘의 상대적 크기. 원자는 전기적으로 중성이지만 최외각전자의 일부가 방출되거나 흡수되면 양전하(+) 또는 음전하(-)를 띠는 소위 대전원자가 된다. •공유결합: 동일한 원자 간, 혹은 전자를 받거나 주거나 하는 성향이 비슷한 원자 간에 이 루어지는 화학결합. 전자를 공유할 때에 에너지준위가 낮아지는 원자 혹은 분자들 간에 형 성된다. 유기물의 기본골격이 되는 화학결합은 탄소와 탄소, 탄소와 수소 간의 공유결합이 기 때문에 대단히 안정하다. •비등점: 액체 표면으로부터 증발이 일어날 뿐만 아니라, 액체 내부로부터 기화가 일어나 기포가 발생하기 시작하는 끓는점. 액체에서 기체로 물질의 상태가 변화되는 온도이다. 액 체의 증기압이 외부의 압력과 같아지는 온도이므로 외부의 압력에 따라 변화하게 되는데, 외부의 압력이 커질수록 끓는점은 높아지고 외부압력이 낮아지면 끓는점도 낮아진다. •비열: 단위질량의 물질을 1℃ 올리는 데 필요한 에너지의 양 •잠열: 물질이 용해하거나 증발할 때 온도 상승의 효과는 나타나지 않고 단지 물질의 상태 변화에만 쓰이는 열 •기화열: 어떤 물질이 기화할 때 외부로부터 흡수하는 열량. 즉, 액체가 기화하여 기체로 될 때 흡수하는 열을 말하며, 증발열이 큰 물질일수록 주변의 열을 많이 흡수한다. 물은 기화 열이 크기 때문에 사람이나 식물에서 체온조절에 유리하다. •융해열: 온도변화는 없이 고체를 액체로 상태변화를 시키는 데 필요한 열량. 액체가 굳어 같은 온도의 고체로 될 때의 방출열과 같다. 보통 1g, 1kg, 또는 1몰(mol)에 대한 열량으로 표시한다. •표면장력: 액체의 표면이 스스로 수축하여 가능한 한 작은 면적을 취하려는 힘. 액체의 응 집력에 의해 생기는데 표면을 이루는 분자층에 의하여 생긴다. •모세관현상: 가는 관을 액체 속에 넣어 세웠을 때, 관 안의 액면이 관 밖의 액면보다 높아 지거나 낮아지는 현상. 높아지거나 낮아지는 정도는 관의 반경이나 액체의 밀도에 반비례한 다. 식물의 뿌리에서 물이 올라와 가지나 잎의 구석구석에까지 퍼져 들어가는 것 등이 이 현상 때문에 일어난다. •확산(diffusion): 분자들의 운동에너지에 의해 임의의 방향으로 이동하는 현상 •반투성막: 용매는 통과시키지만 용질은 통과시키지 않는 막. 식물에서는 줄기와 뿌리 등의 세포막이 반투성막이다. •뉴턴(Newton): 힘의 국제 단위. 1뉴턴은 1kg의 물체에 작용하여 매초 1미터의 가속도를 얻게 하는 힘이다. 기호는 N •소르비톨: 포도당과 같은 헥소스(hexose)를 환원하여 얻는 육탄가의 알코올. 흰색의 고체 로, 단맛이 있고 물이나 뜨거운 알코올에 잘 녹는다. 사과, 복숭아 따위의 과즙에 함유되어 있다. 식품첨가제, 비타민 C의 합성원료, 당뇨병 환자의 감미료, 이뇨제 등에 쓰인다. 화학 식은 CH2OHㆍ(CHOH)4CH2OH이다. •만니톨: 육탄가 알코올 중의 하나. 단맛이 있는 무색고체로, 버섯, 석류 뿌리 따위의 식물 에 널리 존재한다. 물에는 잘 녹으나 알코올에는 잘 녹지 않는다. 이뇨제로 쓴다. 화학식은 C6H8(OH)6이다. •PEG: 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol)의 약식 표기. 산화에틸렌과 물과의 중합체로 400, 1,500, 4,000, 6,000, 20,000 이 약전에 소개되어 있는데 400은 액체, 1,500은 바셀 린 모양의 고체, 4,000, 6,000은 파라핀 모양의 덩어리 또는 박편, 분말로 각종 제제의 원 료로 이용된다. 모두 물, 에탄올, 유기용매에 녹기 쉽다. 식물종자에서는 최아처리를 할 때 수분흡수를 제어하기 위해 이용한다.

3.1. 물의 물리화학

핵심요약
물은 전기음성도의 차이에 따라 전자가 산소원자 쪽으로 치우쳐 분포하여 산소 말단은 음전
하를 띠고 수소 말단은 양전하를 띤다. 이러한 극성공유결합의 특성으로 물분자 간에 수소
결합을 하게 된다. 물의 물리화학적 특성에는 중력, 판데르발스힘도 관여하지만 이 수소결
합이 가장 큰 힘을 발휘한다.

이해점검
물분자는 전기음성도가 비슷한 두 종의 비금속원소, 즉 수소와 산소가 공유결합하고 있다.
두 개의 수소원자가 각각 한 개의 전자를 투자하고, 한 개의 산소원자는 두 개의 전자를 투
자하여 두 개의 전자쌍(電子雙)을 만들어 전자를 서로 공유함으로써 안정된 상태의 최외각
전자수요를 만족시킨다. 한편 산소원자의 전기음성도(3.5)가 수소(2.2)보다 크기 때문에 전
자가 산소 쪽으로 치우쳐 분포하여 극성을 띤다. 이러한 공유결합을 ① 이라 하고 물과 같
은 분자를 쌍극자 또는 쌍극성 분자라고 한다.
물분자는 여러 개 모이면 각 분자의 양극은 인접한 물분자의 음극을 만나게 될 것이고 이렇
게 되면 서로 잡아당기는 힘이 생긴다. 이처럼 두 개의 쌍극자가 수소를 사이에 두고 약하
게 연결된 것을 ②이라고 한다. 물분자 사이에는 중력과 판데르발스힘도 작용은 하지만 물
의 물리화학적 특성을 지배하는 주된 힘은 바로 ② 이다. 매우 약한 결합이기는 하지만 이
② 이 물의 물리화학적 특성을 지배하고, 그 특성이 식물의 생리적 기능을 발휘하는 데 결
정적인 역할을 한다.

3.2. 물의 특성과 생리적 기능

​

​

핵심요약
물은 수소결합으로 여러 가지 물리화학적 특성을 갖는다. 물은 비등점이 높아 상온에서 액
체이며, 비열이 크고 잠열이 높아 기화열을 흡수하고 융해열을 방출한다. 물은 용매로서 탁
월한 용해성을 가지며, 부착력과 응집력이 있다. 이러한 물의 특징으로 식물은 체온과 형태
를 유지하고 양수분 흡수와 이동, 그리고 대사작용 등을 수행할 수 있다.

이해점검
물은 수소결합으로 비등점이 높아 상온에서 액체로 존재하며 액체상태의 물은 부피가 변하
지 않는다. 이런 물의 특성으로 식물체는 형태를 유지하고, 체내 물질의 이동과 대사작용을
가능케 하고, 세포를 팽창시켜 생장을 이끌며, 세포의 팽압을 조절하여 식물의 운동을 가능
하게 한다. 물은 액체암모니아 외의 그 어떤 액체보다 비열이 높고 잠열도 높다. 비열과 잠
열이 높아 식물의 체온을 유지한다.
물분자는 탁월한 용해성을 가진다. 특히 쌍극성으로 인하여 이온성 화합물이나 극성을 띠는
-OH 또는 -NH2 잔기를 갖고 있는 당이나 단백질분자들을 잘 녹일 수 있다. 극성을 띠는
물분자는 전기적으로 하전된 이온이나 분자 주변에 ③ 을 형성하는데 이온 간의 결합을 막
고, 고분자물질 간의 상호작용을 감소시킨다. 물은 뛰어난 용해성으로 각종 염류와 광합성
산물을 분해, 흡수, 이동시키며 체내의 여러 가지 대사작용을 가능하게 한다.
물분자는 수소결합으로 부착력(adhesive force)과 ④ 을 갖는다. 이 힘은 표면장력과 모세
관현상을 일으키는 중요한 요인이다. 그리고 식물체의 수분이동에 큰 영향을 미쳐 키가 큰
나무의 꼭대기까지 물을 끌어올리는 힘이 되기도 한다.

3.3. 확산, 삼투 및 집단류

모세관현상

핵심요약
수분의 이동방식에는 확산, 삼투 그리고 집단류가 있다. 확산은 물의 분자운동에 의해 개별
적으로 이동하는 것이고, 삼투는 반투성막을 사이에 두고 용액의 농도기울기(결국은 물의
화학퍼텐셜의 기울기)에 따라 확산이동하는 것이다. 집단류는 물분자가 집단으로 압력기울
기에 따라 흐르는 것이다.

이해점검
물은 온도와 압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 확산되며, 당이나 염류 같은 용질이 첨가되거
나 점토처럼 물이 흡착하는 표면을 가진 기질이 있으면 그 방향으로 물이 확산된다. 삼투는
⑤ 을 통하여 어느 한쪽으로 수분이 확산되는 현상이다. 식물의 세포막은 ⑤ 으로 확산과
삼투가 일어난다. 특히 인지질이중층에서는 물의 확산이동이 일어난다. 삼투현상으로 물이
세포 안으로 들어가면 그 바깥으로 팽압이 발생한다.
물분자 집단에 압력이 가해지면 물분자는 압력이 낮은 쪽으로 집단으로 이동한다. 이를 집
단류라 하는데 강물의 흐름이나 수도관을 통한 물의 이동을 예로 들 수 있다. 식물의 세포
막에서도 ⑥이라는 내재성단백질에 의해 형성된 수분 선택적인 구멍을 통해 미약하지만 집
단류에 의한 수분이동이 일어난다. 줄기에서도 물관 내 수액의 장력, 정수압 등 압력의 기
울기가 원인이 되어 집단류가 일어난다.
식물체에서 수분의 신속한 이동과 원거리 이동은 주로 ⑦ 에 의해 일어나며 ⑦ 와 함께 각
종 용질분자가 동시에 이동한다.

3.4. 수분퍼텐셜의 이해

핵심요약
물은 토양에서 식물체를 거쳐 대기 중으로, 수분퍼텐셜이 높은 데서 낮은 쪽으로 이동한다.
수분퍼텐셜은 물의 화학퍼텐셜(물 1g 분자량의 자유에너지)이며, 단위는 바(bar) 또는 MPa
을 쓴다. 수분퍼텐셜은 삼투, 압력, 매트릭, 중력의 네 가지 성분퍼텐셜로 구성된다. 식물체
에서의 수분퍼텐셜은 주로 압력퍼텐셜과 삼투퍼텐셜에 의해 좌우되고 매트릭퍼텐셜과 중력
퍼텐셜은 거의 영향을 미치지 않는다.

수분퍼텐셜은 온도 , 압력 , 용질 등에 영향을 받는다 .

압력퍼텐셜

매트릭퍼텐셜

이해점검
⑧ 는 계와 주위 사이의 경계를 넘어서 일에 사용될 수 있는 에너지의 척도이다. 다시 말해
일정한 온도와 기압하에서 일로 전환할 수 있는 최대 에너지의 양이라고 할 수 있다. 어떤
물질 1g 분자량의 ⑧ 를 화학퍼텐셜이라고 하며 통상적으로 물의 화학퍼텐셜을 수분퍼텐셜
이라고 부른다. 수분퍼텐셜도 그 절대량을 측정할 수 없으므로 어떤 기준점을 설정하여 이
를 중심으로 값을 매긴다. 즉, 1기압 등온조건의 기준상태에서 순수한 물의 수분퍼텐셜을 0
으로 간주한다. 이렇게 되면 용액의 수분퍼텐셜은 항상 0보다 낮은 음(-)의 값을 가진다.
보통 수분퍼텐셜은 토양과 식물체의 수압이나 삼투압 등을 고려하여 압력단위인 바(bar) 또
는 ⑨ 을 이용한다. 파스칼(Pa)은 1m2에 균일하게 작용하는 1뉴턴(Newton)의 힘이며, 1바
는 105Pa에 해당한다.
수분퍼텐셜은 ⑩ , 압력퍼텐셜, 매트릭퍼텐셜, 중력퍼텐셜의 네 가지 성분퍼텐셜로 구성된다.
⑩ 은 용액의 용질분자에 의해 생기므로 용질퍼텐셜이라고도 하는데 용질의 농도가 높아지
면 그 값이 낮아진다. ψs, 또는 π(파이)로 표시하며, 순수한 물의 수분퍼텐셜이 0이기 때문
에 항상 음(-)의 값을 갖는다.
압력퍼텐셜은 압력에 의하여 생기는 실제 압력이므로 단순히 압력(P)으로 부르기도 한다.
식물세포는 세포벽이 있기 때문에 팽압과 벽압이 생긴다. 벽압은 팽압과 같은 값을 가지나
방향이 정반대이다. 일반적으로 압력이 주어지면 압력퍼텐셜이 증가하고 아울러 수분퍼텐셜
이 높아지기 때문에 수분은 압력을 받은 쪽에서 반대방향으로 이동한다. 식물세포에서 압력
퍼텐셜은 양(+)의 값을 갖는다.
매트릭퍼텐셜(matric potential)은 대기압하에서 물분자를 흡착하는 성향에 대한 척도로서
물분자와 이와 접촉하는 매트릭스(토양입자, 고형물질, 세포벽 등) 간의 장력, 매트릭스에서
물분자를 떼어 내는 데 들어가는 힘을 의미한다. 항상 음(-)의 값을 가지며, 이에 따라 매
트릭퍼텐셜은 음의 압력퍼텐셜이라고 할 수 있다. 매트릭퍼텐셜은 건조한 종자나 토양에서
는 수분퍼텐셜을 결정하는 데 매우 중요한 역할을 한다.
중력퍼텐셜(gravitational potential)은 수분이 갖는 위치에너지(퍼텐셜에너지)이다. 기준점을
중심으로 하여 위의 물은 양의 중력퍼텐셜을, 기준점 밑의 물은 음의 값을 갖는다.
식물체에서의 수분퍼텐셜은 주로 ⑪ 과 삼투퍼텐셜에 의해 좌우되고 매트릭퍼텐셜과 중력퍼
텐셜은 거의 영향을 미치지 않는다. 식물의 물관부는 장력을 받기 때문에 토양용액보다 더
낮은 수분퍼텐셜을 유지한다. 수분퍼텐셜의 기울기가 생기면 수분은 낮은 쪽으로 이동한다.
식물체 내에서 수분퍼텐셜의 수준을 보면 대체로 뿌리는 -0.5MPa이며, 잎은
-0.2~-0.8MPa 정도이다. 잎의 수분퍼텐셜이 -1.5MPa 이하가 되면 생장이 정지되는데
사막이나 해안지대에 적응한 식물의 잎은 이보다 낮은 수분퍼텐셜에서도 생존할 수 있다.
건조한 종자의 경우는 -6.0MPa에서 -10MPa까지 또는 그 이하의 낮은 수분퍼텐셜을 나타
내기도 한다. 물은 ⑫ 이 높은 데서 낮은 쪽으로 이동하므로 토양에서 식물체를 거쳐 대기
중으로 ⑫ 의 기울기에 따라 이동한다.

핵심요약
식물체의 수분퍼텐셜은 가압상법, 조직무게변화측정법, 차르다코프방법을 이용하면 간편하
게 측정할 수 있다. 가압상법은 엽병이 있는 잎과 밀폐된 상자를 이용하여 물관부의 압력퍼
텐셜을 측정하는 것이다. 조직무게변화측정법은 조직의 무게나 부피를, 차르다코프방법은
용액의 농도변화를 측정하여 대상 식물조직의 수분퍼텐셜을 측정하는 방법인데, 용액과 식
물조직 간의 삼투현상을 이용하는 것이다.

차르다코프방법

이해점검
⑬ 은 밀폐된 상자에 잎을 넣고 엽병의 절단면만 상자 밖에 노출시킨다. 그리고 이 상자에
질소가스를 주입하면서 압력을 가한다. 그러면 압력작용으로 수분이 절단면으로 빠져나오는
데, 이때의 압력을 이용한다. 이 압력은 물관부의 부압(負壓), 특히 물관부의 압력퍼텐셜의
절대치와 같다고 가정한다.
조직무게변화측정법은 식물체의 조직을 각기 다른 농도의 설탕용액에 넣은 후 충분한 시간
이 경과되면 조직 안팎의 수분퍼텐셜의 차이에 따라 물이 이동하여 조직의 무게나 부피가
증가하거나 감소하게 된다. 이때 조직의 부피와 무게가 변하지 않는 설탕용액의 농도를 찾
아 그 용액의⑭ 을 계산하면 그것이 바로 해당 조직의 수분퍼텐셜이 된다. 이용되는 용액으
로는 설탕용액 외에도 소르비톨, 만니톨, PEG 등이 있다.
차르다코프방법의 원리는 조직무게변화측정법과 같지만 용액의 ⑮ 를 측정한다. 용액에 메
틸렌블루와 같은 청색 용액을 첨가하여 ⑮ 변화를 확인할 수 있다. 결과적으로 조직을 첨가
해도 ⑮ 의 변화를 보이지 않는 용액의 삼투퍼텐셜을 계산하여 그 조직의 수분퍼텐셜을 알
수 있다.

이해점검 해답：① 극성공유결합 ② 수소결합 ③ 수화각 ④ 응집력 ⑤ 반투성막 ⑥ 아쿠아포린 ⑦ 집
단류 ⑧ 자유에너지
⑨ MPa ⑩ 삼투퍼텐셜 ⑪ 압력퍼텐셜 ⑫ 수분퍼텐셜 ⑬ 가압상법 ⑭ 삼투퍼텐셜 ⑮ 농도

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<확인문제>
1 물분자의 산소와 수소의 원자 간 결합방식은? (2010년 기출문제)
① 자유결합 ② 수소결합
③ 공유결합 ④ 이온결합
정답해설
③. 물의 물리화학적 특성은 원자 간의 공유결합과 분자 간의 수소결합에 의해서 생긴다.
2 물의 분자 간 결합에 작용하는 주요 힘은? (2012, 2009, 2008년 기출문제)
① 금속결합 ② 수소결합
③ 공유결합 ④ 이온결합
정답해설
②. 물분자 간의 결합에는 중력, 판데르발스힘, 수소결합이 관여한다. 이 가운데 가장 크고
중요한 힘은 수소결합이다. 이 수소결합이 바로 물의 물리화학적 특성을 지배한다.
3 물의 물리화학적 특성을 잘못 설명한 것은? (2012, 2011년 기출문제)
① 비등점이 높은 편이다. ② 비열과 잠열이 없다.
③ 용해성이 뛰어나다. ④ 부착력과 응집력이 있다.
정답해설
②. 물은 물분자 간의 수소결합으로 비등점이 높고, 비열과 잠열이 크다. 또한 탁월한 용해
성을 가지며 부착력과 응집력을 지닌다.
4 물의 이동방식과는 직접적인 관련이 없는 것은? (2010년 기출문제)
① 확산 ② 삼투 ③ 응집 ④ 집단류
정답해설
③. 물의 이동방식에는 확산, 삼투, 그리고 집단류가 있다. 확산과 삼투는 물분자의 개별적
인 운동에 의한 이동이고, 집단류는 물분자가 집단으로 이동하는 것이다.
5 줄기의 물관에서 물의 이동을 가장 크게 지배하는 것은?
① 집단류 ② 확산
③ 침투 ④ 삼투
정답해설
①. 위 해설 참조. 줄기의 물관에서는 물관 내 수액의 장력, 정수압 등 압력의 기울기가 원
인이 되어 집단류가 일어난다.
6 물의 이동과 수분퍼텐셜과의 관계를 바르게 설명한 것은? (2012, 2009년 기출문제)
① 물은 수분퍼텐셜이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다.
② 물은 수분퍼텐셜이 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동한다.
③ 물은 수분퍼텐셜의 값이 영이 되는 방향으로 이동한다.
④ 물의 수분퍼텐셜은 값이 음이 되는 방향으로 이동한다.
정답해설
①. 물은 수분퍼텐셜의 기울기에 따라 이동방향이 결정된다. 그 어떤 경우이든 물은 수분
퍼텐셜이 높은 데서 낮은 쪽으로 이동한다.
7 다음 중에서 수분퍼텐셜을 나타내는 가장 일반적인 단위는? (2011년 기출문제)
① MPa ② Siemens
③ pF ④ J/mol
정답해설
①. 보통 화학퍼텐셜은 에너지 단위인 J/mol로 표시되지만 수분퍼텐셜은 토양과 식물체의
수압이나 삼투압 등을 고려하여 압력단위인 바(bar) 또는 MPa을 이용한다.
8 용액의 용질분자에 의해 결정되는 수분퍼텐셜은? (2010년 기출문제)
① 삼투퍼텐셜 ② 압력퍼텐셜
③ 매트릭퍼텐셜 ④ 중력퍼텐셜
정답해설
①. 삼투퍼텐셜은 용질, 압력퍼텐셜은 압력, 매트릭퍼텐셜은 토양입자나 고형물질 등에 의
해 생긴다. 중력퍼텐셜은 수분이 갖는 위치에너지에 의해 결정되는 수분퍼텐셜이다.
9 증산작용이 활발한 식물체에서 수분퍼텐셜이 가장 낮은 곳은?
① 근모 ② 기부
③ 줄기 ④ 잎
정답해설
④. 식물체에서 증산작용이 활발하다는 것은 수분이 토양에서 식물체를 거쳐 공기 중으로
계속해서 이동하고 있다는 것을 의미한다. 그리고 수분의 이동은 수분퍼텐셜이 높은 쪽에서
낮은 쪽으로 이루어지기 때문에 수분퍼텐셜은 뿌리, 줄기, 잎의 순으로 낮아진다.
10 식물생리학에서 이용하는 가압상법으로 측정할 수 있는 것은? (2012, 2011, 2009,
2008년 기출문제)
① 토양의 염류농도 ② 세포의 팽압
③ 식물체의 수분퍼텐셜 ④ 뿌리의 수분장력
정답해설
③. 식물체의 수분퍼텐셜 측정방법으로 가압상법, 조직무게변화측정법, 차르다코프방법 외
에도 증기압법, 빙점강하법, 노점식방법 등이 있다. 가압상법은 압력을 가할 수 있는 상자를
마련하고 그 안에 식물체를 넣되, 엽병 또는 잎줄기의 절단면만 밖으로 노출시킨다. 그리고
압력을 가하면 식물체 안의 수분이 밖으로 밀려나오는데 이때의 압력을 측정하여 식물체 내
의 수분퍼텐셜을 측정하는 것이다.

▼작물생리학(재배식물생리학) 핵심 요약 정리▼
https://pals.tistory.com/m/1512

방송통신대학교 - 재배식물생리학 요점 정리 - 4 물의 특성과 수분퍼텐셜

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