La ósmosis: ¿Qué hace que el agua pase de una concentración alta a una baja a través de la membrana?
Abstracto
Aunque hay muchas teorías, todavía no hay una visión clara de por qué se produce la ósmosis? En este artículo se han revisado tres de estas explicaciones: la difusión debida a un presunto gradiente de concentración de agua, la explicación del agua ligada y la explicación de las partículas de Van’t Hoff. Ninguno de los mecanismos parece como tal contribuir a que se produzca la ósmosis.
Generalidades
La ósmosis es un movimiento selectivo del disolvente de una solución a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferentes concentraciones. El disolvente se desplaza de una región de mayor concentración a otra de menor concentración. También se puede replantear que la ósmosis implica el movimiento del agua a través de una membrana semipermeable que separa dos soluciones de diferentes concentraciones desde una región de menor concentración de soluto a una de mayor concentración de soluto.
La presión osmótica es la presión externa que se debe aplicar para detener el flujo de agua a través de la membrana.
La membrana semipermeable no permite que el soluto pase a través de la membrana.
La pregunta obvia que surge es cómo el disolvente separado por una membrana que es permeable al disolvente se mueve a través de la membrana desde una región de menor presión osmótica a una mayor presión osmótica superando la presión hidrostática. Un movimiento del disolvente de mayor concentración a menor concentración implica que el agua se mueve de una presión osmótica más baja a una presión osmótica más alta.
Por ejemplo, en el diagrama de abajo, los dos brazos del tubo en U están separados por una membrana semipermeable con el brazo del lado derecho conteniendo una solución que tiene menor concentración de soluto que en el brazo del lado izquierdo. Inicialmente, el nivel es el mismo en ambos brazos del tubo en U. Al iniciarse la ósmosis, ésta empuja el disolvente del brazo derecho al izquierdo y empuja la solución hacia arriba a pesar de que la membrana es permeable al disolvente hasta que la presión osmótica en el brazo derecho es igual a la presión hidrostática ejercida por el brazo izquierdo.
Preguntas:
¿Qué impulsa al disolvente hacia el brazo izquierdo cuando hay una membrana permeable al disolvente entre dos brazos del tubo en U?
¿Son aditivas la presión osmótica y la presión hidrostática? O es simplemente un efecto de la densidad en el brazo derecho del tubo en U. Al iniciarse la ósmosis, la concentración de soluto en el brazo derecho se concentra, su densidad aumenta y, simultáneamente, la presión en el brazo derecho aumenta, lo que empuja al disolvente hacia el brazo izquierdo.
Aunque hay muchas teorías, todavía no hay una visión clara de por qué se produce la ósmosis?
Las siguientes son algunas de las teorías.
Concentración del agua
Una explicación muy simple para la ósmosis es la explicación de la concentración del agua – el agua en el agua pura es simplemente más concentrada que el agua en las soluciones porque el soluto tiene que ocupar algo de espacio en la solución. La dilución del agua por el soluto resulta en una menor concentración de agua en el lado de mayor concentración de soluto de la membrana y por lo tanto se produce una difusión de agua a lo largo del gradiente de alta a baja concentración. . Si esto es cierto, entonces la concentración de agua debería poder predecir la dirección de la ósmosis cuando se utilizan diferentes solutos. Por ejemplo, una solución de sacarosa de 0,2 molal tiene una concentración de agua de 937 g/L y una solución de NaCl de 0,2 molal tiene una concentración de agua mucho mayor: 989 g/L. La solución de sacarosa debería ganar agua de la solución de NaCl si las dos estuvieran separadas por una membrana semipermeable. El número de moléculas de NaCl y sacarosa no debería importar -sólo debería importar la concentración de agua.
Pero el hecho es que una concentración molal típica de sacarosa con una concentración de agua menor que la misma concentración de NaCl, porque la sacarosa es una molécula mucho más grande que el NaCl desplaza más agua. Por lo tanto, el gradiente de concentración de agua no parece ser importante.
Así que esta explicación es insostenible.
Explicación del agua ligada
Esta dice que cualquier soluto hidrofílico (como la sacarosa o el NaCl) se ligará al agua hidratante y evitará que se mueva libremente. Por lo tanto, el lado de una membrana semipermeable con agua pura tiene una mayor concentración de agua «libre» que el lado con las moléculas de soluto.
Si la explicación del agua ligada fuera cierta, esperaríamos que una mayor masa de soluto hidrofílico ligara más agua. Además, al predecir la ósmosis, tendríamos que considerar cuidadosamente cuán hidrofílico es el soluto (es decir, cuántas moléculas de agua une por molécula).
La posición real es que el número de moléculas de soluto presentes tiene un efecto dominante en la ósmosis, y no la hidrofilia del soluto.
Así que esta explicación queda descartada.
Explicación del número de partículas
Esta explicación se basa en la Ley de Van’t Hoff. Según esta ley para una solución diluida a temperatura constante, el potencial osmótico es proporcional a la concentración de partículas de soluto. El tamaño o la naturaleza de las partículas de soluto no importa. Así, por ejemplo, un pequeño ion de sodio tendría el mismo efecto osmótico que una gran molécula de sacarosa, y ambas equivaldrían a una molécula de almidón muy grande. Esto también significa que las sustancias ionizantes, como el NaCl, deberían tener un mayor efecto osmótico que las no ionizantes, como la sacarosa, porque al ionizarse generan más partículas. La Ley de Van’t Hoff explica hasta cierto punto la ósmosis mejor que las dos explicaciones anteriores, pero el hecho es que la Ley de Van’t Hoff es una relación empírica, no una descripción física de por qué se produce la ósmosis.
La expresión más conocida para la presión osmótica es la siguiente Π = iMRT donde Π es la presión osmótica en atm i = factor de Van ‘t Hoff del soluto M = concentración molar en mol/L R = constante universal de los gases = 0,08206 L-atm/mol-K T = temperatura absoluta en K La presión osmótica depende del factor de Van’t Hoff concentración molar del soluto. El factor de Van’t Hoff, expresa el grado de asociación o disociación de los solutos en la solución, es el número de partículas que un soluto disocia en el agua. Ejemplo: para la sacarosa es 1 y para el NaCl es 2