El proceso de ósmosis sobre una membrana semipermeable, los puntos azules representan partículas que impulsan el gradiente osmótico.
La ósmosis es el movimiento neto espontáneo de las moléculas de disolvente a través de una membrana semipermeable hacia una región de mayor concentración de soluto, en la dirección que tiende a igualar las concentraciones de soluto en los dos lados. También se puede usar para describir un proceso físico en el que cualquier solvente se mueve a través de una membrana semipermeable (permeable al solvente, pero no al soluto) que separa dos soluciones de diferentes concentraciones. Se puede hacer que la ósmosis funcione.
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La presión osmótica se define como la presión externa que se requiere aplicar para que no haya movimiento neto de solvente a través de la membrana. La presión osmótica es una propiedad coligativa, lo que significa que la presión osmótica depende de la concentración molar del soluto pero no de su identidad.
La ósmosis es un proceso vital en los sistemas biológicos, ya que las membranas biológicas son semipermeables. En general, estas membranas son impermeables a moléculas grandes y polares, como iones, proteínas y polisacáridos, mientras que son permeables a moléculas no polares o hidrófobas como los lípidos, así como a moléculas pequeñas como oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y nítrico. óxido. La permeabilidad depende de la solubilidad, carga o química, así como del tamaño del soluto. Las moléculas de agua viajan a través de la membrana plasmática, la membrana de tonoplasto (vacuola) o el protoplasto al difundirse a través de la bicapa de fosfolípidos a través de aquaporinas (pequeñas proteínas transmembrana similares a las responsables de la difusión facilitada y los canales iónicos). La ósmosis proporciona el medio principal por el cual el agua se transporta dentro y fuera de las células. La presión de turgencia de una célula se mantiene en gran medida por la ósmosis a través de la membrana celular entre el interior de la célula y su entorno relativamente hipotónico.
Historia
Jean-Antoine Nollet documentó por primera vez la observación de osmosis en 1748.
La palabra “osmosis” desciende de las palabras “endosmose” y “exosmose”, que fueron acuñadas por el médico francés René Joachim Henri Dutrochet (1776-1847) de las palabras griegas ἔνδον ( éndon “dentro”), ἔξω ( éxō “exterior, externo ”) y ὠσμός ( ōsmós ” empuje, impulso “).
Mecanismo
La ósmosis es el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable hacia una mayor concentración de soluto. En los sistemas biológicos, el solvente es típicamente agua, pero la ósmosis puede ocurrir en otros líquidos, líquidos supercríticos e incluso gases.
Cuando una célula se sumerge en agua, las moléculas de agua pasan a través de la membrana celular desde un área de baja concentración de soluto a alta concentración de soluto. Por ejemplo, si la célula está sumergida en agua salada, las moléculas de agua salen de la célula. Si una célula se sumerge en agua dulce, las moléculas de agua se mueven dentro de la célula.
Agua que pasa a través de una membrana semipermeable
Cuando la membrana tiene un volumen de agua pura en ambos lados, las moléculas de agua entran y salen en cada dirección exactamente a la misma velocidad. No hay flujo neto de agua a través de la membrana.
El mecanismo responsable de conducir la ósmosis se ha representado comúnmente en los textos de biología y química como la dilución del agua por soluto (lo que resulta en una menor concentración de agua en el lado de mayor concentración de soluto de la membrana y, por lo tanto, una difusión de agua a lo largo de un gradiente de concentración) o por la atracción de un soluto al agua (resultando en menos agua libre en el lado de mayor concentración de soluto de la membrana y, por lo tanto, el movimiento neto de agua hacia el soluto). Ambas nociones han sido refutadas de manera concluyente.
El modelo de difusión de la ósmosis se vuelve insostenible por el hecho de que la ósmosis puede conducir el agua a través de una membrana hacia una mayor concentración de agua.
El modelo de “agua unida” es refutado por el hecho de que la ósmosis es independiente del tamaño de las moléculas de soluto, una propiedad coligativa
—O qué tan hidrófilos son.
Efecto de diferentes soluciones en las células sanguíneas.
Micrografías de presión osmótica en glóbulos rojos (RBC)
Célula vegetal bajo diferentes ambientes.
Es difícil describir la ósmosis sin una explicación mecánica o termodinámica, pero básicamente, existe una interacción entre el soluto y el agua que contrarresta la presión que las moléculas de soluto libres de otra forma ejercerían. Un hecho a tener en cuenta es que el calor de los alrededores puede convertirse en energía mecánica (aumento de agua).
Muchas explicaciones termodinámicas entran en el concepto de potencial químico y cómo la función del agua en el lado de la solución difiere de la del agua pura debido a la mayor presión y la presencia del soluto que contrarresta de tal manera que el potencial químico permanece sin cambios. El teorema virial demuestra que la atracción entre las moléculas (agua y soluto) reduce la presión y, por lo tanto, la presión ejercida por las moléculas de agua entre sí en solución es menor que en agua pura, permitiendo que el agua pura “fuerce” la solución hasta la presión alcanza el equilibrio
La presión osmótica es la principal causa de apoyo en muchas plantas. La entrada osmótica de agua aumenta la presión de turgencia ejercida contra la pared celular, hasta que es igual a la presión osmótica, creando un estado estable.
Cuando una célula vegetal se coloca en una solución que es hipertónica en relación con el citoplasma, el agua sale de la célula y la célula se contrae. Al hacerlo, la célula se vuelve flácida . En casos extremos, la célula se plasmoliza: la membrana celular se acopla con la pared celular debido a la falta de presión de agua sobre ella.
Cuando una célula vegetal se coloca en una solución que es hipotónica en relación con el citoplasma, el agua se mueve hacia la célula y la célula se hincha para volverse turgente .
La ósmosis es responsable de la capacidad de las raíces de las plantas para extraer agua del suelo. Las plantas concentran solutos en sus células de raíz mediante transporte activo, y el agua ingresa a las raíces por ósmosis. La ósmosis también es responsable de controlar el movimiento de las células de guardia.
La osmosis se puede demostrar cuando se agregan rodajas de papa a una solución con alto contenido de sal. El agua del interior de la papa sale a la solución, haciendo que la papa se encoja y pierda su “presión de turgencia”. Cuanto más concentrada sea la solución salina, mayor será la diferencia en tamaño y peso de la rodaja de papa.
En ambientes inusuales, la ósmosis puede ser muy dañina para los organismos. Por ejemplo, los peces de acuario de agua dulce y salada colocados en agua de una salinidad diferente a la que están adaptados morirán rápidamente, y en el caso de los peces de agua salada, dramáticamente. Otro ejemplo de un efecto osmótico dañino es el uso de sal de mesa para matar sanguijuelas y babosas.
Supongamos que una célula animal o vegetal se coloca en una solución de azúcar o sal en agua.
- Si el medio es hipotónico en relación con el citoplasma celular, la célula obtendrá agua por ósmosis.
- Si el medio es isotónico , no habrá movimiento neto de agua a través de la membrana celular.
- Si el medio es hipertónico en relación con el citoplasma celular, la célula perderá agua por ósmosis.
Esencialmente, esto significa que si una célula se coloca en una solución que tiene una concentración de soluto más alta que la suya, se encogerá, y si se coloca en una solución con una concentración de soluto más baja que la suya, la célula se hinchará y puede incluso estalló.
Los jardines químicos demuestran el efecto de la ósmosis en la química inorgánica.
Factores
Presión osmótica
Como se mencionó anteriormente, la ósmosis puede oponerse al aumentar la presión en la región de alta concentración de soluto con respecto a la de la región de baja concentración de soluto. La fuerza por unidad de área, o presión, requerida para evitar el paso del agua a través de una membrana selectivamente permeable y hacia una solución de mayor concentración es equivalente a la presión osmótica de la solución o turgencia. La presión osmótica es una propiedad coligativa, lo que significa que la propiedad depende de la concentración del soluto, pero no de su identidad. También participa en la difusión facilitada.
Gradiente osmótico
El gradiente osmótico es la diferencia de concentración entre dos soluciones a cada lado de una membrana semipermeable, y se usa para indicar la diferencia en porcentajes de la concentración de una partícula específica disuelta en una solución.
Por lo general, el gradiente osmótico se usa al comparar soluciones que tienen una membrana semipermeable entre ellas, lo que permite que el agua se difunda entre las dos soluciones, hacia la solución hipertónica (la solución con la concentración más alta). Eventualmente, la fuerza de la columna de agua en el lado hipertónico de la membrana semipermeable será igual a la fuerza de difusión en el lado hipotónico (el lado con menor concentración), creando equilibrio. Cuando se alcanza el equilibrio, el agua continúa fluyendo, pero fluye en ambos sentidos en cantidades iguales y en fuerza, por lo tanto, estabiliza la solución.
Variación
Osmosis inversa
La ósmosis inversa es un proceso de separación que utiliza presión para forzar un solvente a través de una membrana semipermeable que retiene el soluto en un lado y permite que el solvente puro pase al otro lado, forzándolo desde una región de alta concentración de soluto a través de una membrana. a una región de baja concentración de soluto aplicando una presión superior a la presión osmótica.
Ósmosis directa
La ósmosis se puede usar directamente para lograr la separación del agua de una solución que contiene solutos no deseados. Una solución de “extracción” de mayor presión osmótica que la solución de alimentación se usa para inducir un flujo neto de agua a través de una membrana semipermeable, de modo que la solución de alimentación se concentra a medida que la solución de extracción se diluye. La solución de extracción diluida se puede usar directamente (como con un soluto ingerible como glucosa), o enviarse a un proceso de separación secundario para la eliminación del soluto de extracción. Esta separación secundaria puede ser más eficiente de lo que sería un proceso de ósmosis inversa solo, dependiendo del soluto de extracción utilizado y el agua de alimentación tratada. La ósmosis directa es un área de investigación en curso, que se centra en aplicaciones en desalinización, purificación de agua, tratamiento de agua, procesamiento de alimentos, etc.