Osmosis ( / ɒ z m oʊ . S ɪ s / ) [1] es el movimiento espontáneo neto de disolvente moléculas a través de una membrana selectivamente permeable en una región de mayor soluto de concentración, en la dirección que tiende a igualar las concentraciones de soluto en el dos lados. [2] [3] [4] También se puede usar para describir un proceso físico en el que cualquier solvente se mueve a través de una membrana selectivamente permeable (permeable al solvente, pero no al soluto) separando dos soluciones de diferentes concentraciones. [5] [6]Se puede hacer que la ósmosis funcione. [7] La presión osmótica se define como la presión externa que se requiere aplicar para que no haya un movimiento neto de disolvente 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 lípidos , así como a moléculas pequeñas como oxígeno, dióxido de carbono, nitrógeno y nítrico. óxido. La permeabilidad depende de la solubilidad, la carga o la química, así como del tamaño del soluto. Las moléculas de agua viajan a través de la membrana plasmática, la membrana del tonoplasto (vacuola) o el protoplasto mediante la difusión a través de la bicapa de fosfolípidos a través de acuaporinas (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 ósmosis a través de la membrana celular entre el interior de la célula y su entorno relativamente hipotónico.
Historia
Se han observado algunos tipos de flujo osmótico desde la antigüedad, por ejemplo, en la construcción de pirámides egipcias. [8] Jean-Antoine Nollet documentó por primera vez la observación de ósmosis en 1748. [9] La palabra "ósmosis" 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 "externo, externo") y ὠσμός ( ōsmós "empujar, impulsión"). [10] En 1867, Moritz Traube inventó membranas de precipitación altamente selectivas, lo que hizo avanzar el arte y la técnica de medición del flujo osmótico. [8]
Mecanismo
La ósmosis es el movimiento de un solvente a través de una membrana semipermeable hacia una mayor concentración de soluto (menor concentración de solvente). En los sistemas biológicos, el solvente es típicamente agua, pero la ósmosis puede ocurrir en otros líquidos, líquidos supercríticos e incluso gases. [11] [12]
Cuando una célula se sumerge en agua , las moléculas de agua atraviesan la membrana celular desde un área de baja concentración de soluto hasta una alta concentración de soluto. Por ejemplo, si la célula se sumerge 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 hacia la célula.
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 impulsar la ósmosis se ha representado comúnmente en los textos de biología y química como la dilución de agua por soluto (lo que da como resultado 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 (lo que da como resultado menos agua libre en el lado de la membrana de mayor concentración de soluto 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. [13] El modelo de "agua unida" se refuta por el hecho de que la ósmosis es independiente del tamaño de las moléculas de soluto, una propiedad coligativa [14], o de lo hidrófilas que son.
Es difícil describir la ósmosis sin una explicación mecánica o termodinámica, pero esencialmente existe una interacción entre el soluto y el agua que contrarresta la presión que de otro modo ejercerían las moléculas de soluto libres. Un hecho a tener en cuenta es que el calor del entorno se puede convertir en energía mecánica (el agua sube).
Muchas explicaciones termodinámicas abordan 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 presión más alta y la presencia del soluto contrarrestando de tal manera que el potencial químico permanece sin cambios. El teorema del virial demuestra que la atracción entre las moléculas (agua y soluto) reduce la presión, por lo que la presión que ejercen las moléculas de agua entre sí en la solución es menor que en el agua pura, lo que permite que el agua pura "fuerce" la solución hasta que la presión alcanza el equilibrio. [14]
La presión osmótica es la principal causa de soporte en muchas plantas. La entrada osmótica de agua eleva la presión de turgencia ejercida contra la pared celular , hasta igualar 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 encoge. Al hacerlo, la célula se vuelve flácida . En casos extremos, la célula se plasmoliza : la membrana celular se desprende de la pared celular debido a la falta de presión del agua.
Cuando una célula vegetal se coloca en una solución que es hipotónica en relación con el citoplasma, el agua entra en 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 las células de sus raíces por transporte activo y el agua ingresa a las raíces por ósmosis. La ósmosis también es responsable de controlar el movimiento de las células de guarda .
La ósmosis 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, lo que hace que la papa se encoja y pierda su "presión de turgencia". Cuanto más concentrada sea la solución de sal, mayor será la diferencia de 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, de forma espectacular. Otro ejemplo de un efecto osmótico dañino es el uso de sal de mesa para matar sanguijuelas y babosas .
Suponga que se coloca una célula animal o vegetal en una solución de azúcar o sal en agua.
- Si el medio es hipotónico en relación con el citoplasma celular, la célula obtendrá agua a través de la 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 marchitará, y si se pone en una solución con una concentración de soluto más baja que la suya, la célula se hinchará y puede incluso estallar.
Los jardines químicos demuestran el efecto de la ósmosis en la química inorgánica.
Factores
Presión osmótica
Se puede oponerse a la ósmosis aumentando 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 (o cualquier otra solución de alta liquidez ) 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 contenido o identidad química.
Gradiente osmótico
El gradiente osmótico es la diferencia de concentración entre dos soluciones a cada lado de una membrana semipermeable y se utiliza para determinar la diferencia en porcentajes de 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 mayor concentración). Finalmente, la fuerza de la columna de agua en el lado hipertónico de la membrana semipermeable igualará 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 con fuerza, estabilizando así la solución.
Variación
Osmosis inversa
La ósmosis inversa es un proceso de separación que usa 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 solutos aplicando una presión superior a la presión osmótica .
Ósmosis directa
La ósmosis se puede utilizar directamente para lograr la separación del agua de una solución que contiene solutos no deseados. Se usa una solución de "extracción" de presión osmótica más alta que la solución de alimentación 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 puede usarse directamente (como con un soluto ingerible como la glucosa) o enviarse a un proceso de separación secundario para la eliminación del soluto de extracción. Esta separación secundaria puede ser más eficiente que lo que sería un proceso de ósmosis inversa solo, dependiendo del soluto extraído utilizado y del agua de alimentación tratada. Ósmosis directa es un área de investigación en curso, centrado en aplicaciones de desalación , depuración de aguas , tratamiento de aguas , procesamiento de alimentos , y otras áreas de estudio.
Ver también
- Brining
- Homeostasis
- Osmorregulación
- Choque osmótico
- Poder osmótico
- Plasmólisis
- Planta de ósmosis inversa
- Poder del gradiente de salinidad
- Potencial de agua
Referencias
- ^ "Significado de osmosis en el Cambridge English Dictionary" . dictionary.cambridge.org .
- ^ "Osmosis" . Diccionario de inglés de Oxford (edición en línea). Prensa de la Universidad de Oxford. (Se requiere suscripción o membresía en una institución participante ).
- ^ Osmosis , Encyclopædia Britannica en línea
- ^ Haynie, Donald T. (2001). Termodinámica biológica . Cambridge: Cambridge University Press. pp. 130 -136. ISBN 978-0-521-79549-4.
- ^ Waugh, A .; Grant, A. (2007). Anatomía y fisiología en la salud y la enfermedad . Edimburgo: Elsevier. págs. 25-26. ISBN 978-0-443-10101-4.
- ^ Osmosis Archivado el 22 de febrero de 2008 en Wayback Machine . Universidad de Hamburgo. último cambio: 31 de julio de 2003
- ^ "Statkraft para construir el primer prototipo de planta de energía osmótica del mundo" . Statkraft . 3 de octubre de 2007. Archivado desde el original el 27 de febrero de 2009.
- ^ a b Hammel, HT; Scholander, PF (1976). Perspectivas sobre el mecanismo de ósmosis e imbibición en: ósmosis y disolvente de tracción . Springer-Verlag, Berlín, Heidelberg, Nueva York. enlace .
- ^ L'Abbé Nollet (junio de 1748) "Recherches sur les cause du bouillonnement des liquides" (Investiga sobre las causas de la ebullición de líquidos) Mémoires de Mathématique et de Physique, tirés des registres de l'Académie Royale des Sciences de l ' année 1748 , págs. 57-104; especialmente págs. 101-103 . Las Mémoires (1748) se imprimieron en: Histoire de l'Académie Royale des Sciences Année 1748 , que se publicó en 1752 y que contiene una versión condensada del artículo de Nollet en las páginas 10-19.
Texto original : Avant que de finir ce Mémoire, je crois devoir rendre compte d'un fait que je dois au hasard, & qui me parut d'abord… singulier… j'en avois rempli une fiole cylindrique, longue de cinq pouces, & d'un pouce de diamètre ou environment; & l'ayant couverte d'un morceau de navigateie mouillée & ficelée au col du vaisseau, je l'avois plongée dans un grand vase plein d'eau, afin d'être sûr qu'il ne rentrât aucun air dans l'esprit de vin. Au bout de cinq ou six heures, je fus tout surprise de voir que la fiole étoit plus pleine qu'au moment de son immersion, quoiqu'elle le fût alors autant que ses bords pouvoient le permettre; la vesie qui lui servoit de bouchon, étoit devenue convexe & si tendue, qu'en la piquant avec une épingle, il en sortit un jet de licor qui s'éleva à plus d'un pied de hauteur.
Traducción : Antes de terminar estas memorias, creo que debería informar de un hecho que se debe al azar y que al principio me pareció ... extraño ... Llené [con alcohol] un frasco cilíndrico, de cinco pulgadas de largo y alrededor de una pulgada de diámetro; y [después] de haberlo tapado con un trozo de vejiga húmeda [que estaba] atado al cuello del frasco, lo sumergí en un cuenco grande lleno de agua, para asegurarme de que no entrara aire en el alcohol. Al cabo de 5 o 6 horas, me sorprendió mucho ver que el vial estaba más lleno que en el momento de su inmersión, aunque [había sido llenado] hasta donde sus lados lo permitían; la vejiga que le servía de tapón se abultaba y se había estirado tanto que al pincharla con una aguja salió un chorro de alcohol que subía más de un pie de altura.
- ^ Etimología de "ósmosis":
- Henri Dutrochet, L'Agent Immédiat du Movement Vital Dévoilé dans sa Nature et dans son Mode d'Action chez les Végétaux et chez les Animaux [El agente inmediato del movimiento vivo, su naturaleza y modo de acción revelados en plantas y animales] (París , Francia: Dentu, 1826), págs.115 y 126.
- La palabra intermedia "ósmosis" y la palabra "osmótico" fueron acuñadas por el químico escocés Thomas Graham . Véase: Thomas Graham (1854) "VII. La conferencia Bakerian - Sobre la fuerza osmótica", Philosophical Transactions of the Royal Society (Londres) , vol. 144, págs. 177–288; véanse especialmente las págs. 177, 178 y 227. Véase también: Thomas Graham y Henry Watts , Elements of Chemistry: Incluyendo las aplicaciones de las ciencias en las artes , 2ª ed. (Londres, Inglaterra: Hippolyte Bailliere, 1858), vol. 2, pág. 616 .
- La palabra "ósmosis" apareció por primera vez en: Jabez Hogg, El microscopio: su historia, construcción y aplicación ... , 6ª ed. (Londres, Inglaterra: George Routledge and Sons, 1867), pág. 226 .
- La etimología de la palabra "ósmosis" se analiza en: Homer W. Smith (1960). "I. Teoría de las Soluciones: Conocimiento de las leyes de las soluciones" . Circulación . 21 (5): 808–817 (810). doi : 10.1161 / 01.CIR.21.5.808 . PMID 13831991 .
- ^ Kramer, Eric; David Myers (2013). "La ósmosis no es impulsada por la dilución de agua". Tendencias en ciencia de las plantas . 18 (4): 195-197. doi : 10.1016 / j.tplants.2012.12.001 . PMID 23298880 .
- ^ Kramer, Eric; David Myers (2012). "Cinco conceptos erróneos populares de la ósmosis". Revista estadounidense de física . 80 (694): 694–699. Código bibliográfico : 2012AmJPh..80..694K . doi : 10.1119 / 1.4722325 .
- ^ Kosinski, RJ; CK Morlok (2008). "Desafiando conceptos erróneos sobre la ósmosis". Asociación para la Educación en Laboratorio de Biología . 30 : 63–87.
- ^ a b Borg, Frank (2003). "¿Qué es la ósmosis? Explicación y comprensión de un fenómeno físico". arXiv : física / 0305011 .
enlaces externos
- Simulación de ósmosis en Java
- Simulación de ósmosis NetLogo para uso educativo
- Un experimento de ósmosis