Mecánica estadística: ¿Cómo se puede explicar la ósmosis en términos mecanicistas de bajo nivel?

Esto es lo que parece ser la respuesta real, gracias a Eric Kramer:

Las interacciones clave tienen lugar en la pequeña región del espacio adyacente a una abertura de poro que permite que las moléculas de agua pasen pero repele el soluto … Cada vez que una molécula de soluto entra en esta región, se repele. Es decir, la apertura le da a la molécula de soluto una pequeña cantidad de impulso alejada de la membrana. Debido a las interacciones viscosas entre el soluto y el agua, este impulso se comparte rápidamente entre todas las moléculas cercanas, incluidos el soluto y el agua … Por lo tanto, aunque la abertura de los poros repele solo al soluto, el efecto neto es una fuerza dirigida lejos de la membrana que actúa sobre el solución en su conjunto.

– “La ósmosis no es impulsada por la dilución del agua” (Página en Pbworks)

Originalmente hice la pregunta (sin saber la respuesta yo mismo), ¡y me he encontrado con tantas personas aquí y fuera de línea que piensan que saben la respuesta! Me recuerda a Respuestas misteriosas a preguntas misteriosas.

En primer lugar, me gusta la forma en que se plantea la pregunta, esencialmente en forma de una paradoja de mezcla de Gibbs para moléculas solventes ( http://en.wikipedia.org/wiki/Gib …). Si el disolvente es esencialmente el mismo en dos lados de una partición porosa, ¿por qué debería importarle? La “solución” (pi) radica en darse cuenta de que, siempre que tenga algo que impida el intercambio del soluto mientras que el solvente puede, los solventes en los dos lados son realmente distinguibles.

Incluso para una solución ideal, donde no hay interacción entre el solvente y el soluto, la presencia del soluto aumenta el número de configuraciones disponibles en el sistema, por lo tanto, la entropía de la mezcla. Esto cambia la energía libre por molécula de solvente (potencial químico); de manera más coloquial y algo microscópica, ¡llamemos a esto la capacidad de una molécula de solvente para “hacer cosas”! Para soluciones no ideales es más fácil pensar en el coeficiente de actividad relacionado con esta capacidad.

Esta diferencia en la capacidad de “hacer cosas” distingue las moléculas de solvente en una solución de aquellas en solvente puro. Extendiendo la paradoja de Gibbs, siempre que las moléculas solventes se distingan en dos fases y se permita un medio de transporte, continuarán mezclándose entre sí para ganar entropía. A medida que el solvente sale del lado del soluto, pierde su potencial dado por el soluto, por lo que la única dirección de transporte que permite una mayor mezcla (entropía de) es que el solvente vaya al lado del soluto. Es menos probable que el solvente que vaya en la dirección del soluto regrese a la fase original sin que se realice trabajo (piense en plantas de desalinización).

Por lo tanto, la respuesta posiblemente microscópica (y posiblemente insatisfactoria) a su pregunta es que los efectos osmóticos generalmente se explican por moléculas solventes en diferentes estados (ambientes) que se les permite intercambiar y, finalmente, ir a donde son más felices. No es esencial preocuparse por los detalles del soluto, si choca o no con las membranas porosas, la continuidad de las fases, etc., para comprender este efecto. Esperemos que el ejemplo en el siguiente párrafo aclare esto. Además, aunque las interacciones entre el soluto y el disolvente no son esenciales para tener efectos osmóticos, sí aumentan la diferencia entre los potenciales químicos del disolvente en diferentes fases.

Como señala Charles H Martin, una forma de medir la capacidad de las moléculas de solvente para “hacer cosas” (o lo feliz que está en su entorno actual porque puede hacer cosas) es medir su capacidad para dejar el solvente, es decir, su vapor presión. Así que construyamos un ejemplo alrededor de esto para ver por qué los detalles microscópicos de lo que separa las moléculas de soluto no son importantes, siempre y cuando el solvente se pueda intercambiar mientras que el soluto no lo es. Si tenía dos tazas llenas de agua y una taza llena de agua azucarada en una campana sellada, esencialmente ha creado una configuración osmótica donde el modo de transferencia es a través de la fase de vapor y aunque no hay membranas físicas, tiene Interfaces aire-líquido en cada contenedor. Una vez que el aire esté saturado de vapor, habrá transporte de agua como vapor a la taza con azúcar (donde puede “hacer más cosas”) de los otros dos, y al final se desbordará y terminará con dulce- agua en la taza y más en el piso hasta que las tazas de agua pura estén vacías. La clave aquí es que es más probable que el agua (como vapor) se mezcle con el agua que el azúcar. Se producen transferencias de agua similares cuando hidratas las pasas, dejas ciertas sales en un día lluvioso y vuelves a buscar un charco, o cuando tu cuerpo pierde agua en un día de invierno solo para terminar como condensación en el cristal de una ventana fría …
Este enfoque centrado en solventes es particularmente bueno para comprender los efectos osmóticos en los fenómenos biológicos que ocurren en ambientes confinados. Por ejemplo, si se agregan osmolitos (polímeros solubles) en el medio circundante, se inhibe la expulsión de una sola molécula de ADN de la cabeza de un virus bacteriófago. En tales casos, no es realista definir la presión osmótica de una molécula de ADN en una cubierta de proteína de 30 nm, en cambio, comparar el potencial químico del agua dentro y fuera del virus proporciona una visión más clara. Más información aquí: http://scholar.google.com/schola …

Esperemos que esto agregue algo de claridad a su comprensión de los efectos osmóticos. Intenté ser lo más cualitativo posible porque su pregunta implicaba que estaba familiarizado con lo más cuantitativo.
[Por cierto: estrictamente hablando, puede haber alguna transferencia de azúcar a las tazas de agua en el ejemplo anterior debido a una presión de vapor pequeña pero finita.]