Osmosi: Cosa spinge l’acqua dall’alta concentrazione alla bassa concentrazione attraverso la membrana?

Abstract

Mentre ci sono molte teorie, non c’è ancora una visione chiara del perché avviene l’osmosi? Tre di queste spiegazioni sono state esaminate in questo articolo: la diffusione dovuta a un presunto gradiente di concentrazione dell’acqua e la spiegazione delle particelle di Van’t Hoff. Nessuno dei meccanismi sembra in quanto tale contribuire a far avvenire l’osmosi.

In generale

L’osmosi è un movimento selettivo di solvente da una soluzione attraverso una membrana semipermeabile che separa due soluzioni di diversa concentrazione. Il solvente si sposta da una regione di maggiore concentrazione a una regione di minore concentrazione. Si può anche riaffermare che l’osmosi comporta il movimento dell’acqua attraverso una membrana semipermeabile che separa due soluzioni di concentrazioni diverse, da una regione di concentrazione di soluto più bassa a una di concentrazione di soluto più alta.

La pressione osmotica è la pressione esterna da applicare per fermare il flusso di acqua attraverso la membrana.

La membrana semipermeabile non permette al soluto di passare attraverso la membrana.

La domanda ovvia che sorge è come il solvente separato da una membrana che è permeabile al solvente si muove attraverso la membrana da una regione di pressione osmotica inferiore a una pressione osmotica superiore superando la pressione idrostatica. Un movimento del solvente da una concentrazione più alta a una più bassa implica che l’acqua si sposta da una pressione osmotica più bassa a una pressione osmotica più alta.

Per esempio, nel diagramma qui sotto, i due bracci del tubo a U sono separati da una membrana semipermeabile con il braccio destro contenente una soluzione con una concentrazione di soluto più bassa rispetto al braccio sinistro. Inizialmente, il livello è lo stesso in entrambi i bracci del tubo a U. Quando inizia l’osmosi, questa spinge il solvente dal braccio destro al braccio sinistro e spinge la soluzione verso l’alto anche se la membrana è permeabile al solvente fino a quando la pressione osmotica nel braccio destro è uguale alla pressione idrostatica esercitata dal braccio sinistro.

Domande:

Cosa spinge il solvente nel braccio sinistro quando c’è una membrana permeabile al solvente tra due bracci del tubo a U? Oppure, è semplicemente un effetto della densità nel braccio destro del tubo a U. Quando inizia l’osmosi, la concentrazione di soluto sul braccio destro si concentra, la sua densità aumenta e contemporaneamente la pressione nel braccio destro aumenta e spinge il solvente nel braccio sinistro.

Mentre ci sono molte teorie, non c’è ancora una visione chiara del perché avviene l’osmosi?

Seguono alcune delle teorie.

Concentrazione dell’acqua

La spiegazione molto semplice dell’osmosi è la spiegazione della concentrazione dell’acqua – l’acqua nell’acqua pura è semplicemente più concentrata dell’acqua nelle soluzioni perché il soluto deve occupare dello spazio nella soluzione. La diluizione dell’acqua da parte del soluto provoca una concentrazione più bassa di acqua sul lato a più alta concentrazione di soluto della membrana e quindi si verifica una diffusione dell’acqua lungo il gradiente di concentrazione dall’alto al basso. . Se questo è vero, allora la concentrazione dell’acqua dovrebbe essere in grado di predire la direzione dell’osmosi quando vengono usati diversi soluti. Per esempio, una soluzione di saccarosio 0,2 molale ha una concentrazione d’acqua di 937 g/L e una soluzione di NaCl 0,2 molale ha una concentrazione d’acqua molto più alta-989 g/L. La soluzione di saccarosio dovrebbe guadagnare acqua dalla soluzione di NaCl se le due fossero separate da una membrana semipermeabile. Il numero di molecole di NaCl e saccarosio non dovrebbe avere importanza – solo la concentrazione di acqua dovrebbe avere importanza.

Ma il fatto è che una tipica concentrazione molale di saccarosio con una concentrazione di acqua inferiore alle stesse concentrazioni di NaCl, perché il saccarosio è una molecola molto più grande di NaCl sposta più acqua. Pertanto, il gradiente di concentrazione dell’acqua non sembra essere importante.

Quindi questa spiegazione è insostenibile.

Spiegazione dell’acqua legata

Questa dice che qualsiasi soluto idrofilo (come saccarosio o NaCl) legherà l’acqua idratante e le impedirà di muoversi liberamente. Pertanto, il lato di una membrana semipermeabile con acqua pura ha una concentrazione di acqua “libera” più alta del lato con le molecole di soluto.

Se la spiegazione dell’acqua legata fosse vera, ci aspetteremmo che una massa maggiore di soluto idrofilo leghi più acqua. Inoltre, nel prevedere l’osmosi, dovremmo considerare attentamente quanto è idrofilo il soluto (cioè quante molecole d’acqua lega per molecola).

La posizione attuale è che il numero di molecole di soluto presenti ha un effetto dominante sull’osmosi, e non l’idrofilia del soluto.

Quindi, questa spiegazione è esclusa.

Spiegazione del numero di particelle

Questa spiegazione si basa sulla legge di Van’t Hoff. Secondo questa legge per una soluzione diluita a temperatura costante, il potenziale osmotico è proporzionale alla concentrazione delle particelle di soluto. La dimensione o la natura delle particelle di soluto non ha importanza. Così, per esempio, un piccolo ione sodio avrebbe lo stesso effetto osmotico di una grande molecola di saccarosio, ed entrambi sarebbero equivalenti a una molecola di amido molto grande. Questo significa anche che sostanze ionizzanti come il NaCl dovrebbero avere un effetto osmotico maggiore di sostanze non ionizzanti come il saccarosio, perché quando si ionizzano, generano più particelle. La legge di Van’t Hoff spiega in una certa misura l’osmosi meglio delle due spiegazioni precedenti, ma il fatto è che la legge di Van’t Hoff è una relazione empirica, non una descrizione fisica del perché avviene l’osmosi.

L’espressione più conosciuta per la pressione osmotica è la seguente Π = iMRT dove Π è la pressione osmotica in atm i = fattore di Van ‘t Hoff del soluto M = concentrazione molare in mol/L R = costante universale dei gas = 0,08206 L-atm/mol-K T = temperatura assoluta in K La pressione osmotica dipende dal fattore di Van’t Hoff concentrazione molare del soluto. Il fattore di Van’t Hoff esprime il grado di associazione o dissociazione dei soluti in soluzione ed è il numero di particelle che un soluto dissocia in acqua. Esempio: per il saccarosio è 1 e per NaCl è 2