Ósmosis

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 Ciertos materiales, incluyendo muchas membranas en sistemas biológicos y sustancias sintéticas como el celofán, son semipermeables. Cuando entran en contacto con una solución, estos materiales permiten que solo los iones o moléculas pequeñas (moléculas de agua, por ejemplo) pasen a través de su red de poros pequeños. Considere una situación en la que solo las moléculas de disolvente pueden pasar a través de una membrana semipermeable colocada entre dos soluciones de diferentes concentraciones. La velocidad a la que las moléculas de disolvente pasan de la solución menos concentrada (menor concentración de soluto, pero mayor concentración de disolvente) a la solución más concentrada (mayor concentración de soluto, pero menor concentración de disolvente) es mayor que la velocidad en la dirección opuesta. Por lo tanto, hay un movimiento neto de moléculas de solvente de la solución con una concentración de soluto más baja en la de una concentración de soluto más alta. En este proceso, llamado ósmosis, el movimiento neto del solvente siempre es hacia la solución con la concentración más baja de solvente (soluto más alto), como si las soluciones fueran impulsadas para alcanzar concentraciones iguales.

Figura 25.  La presión osmótica. Un tubo U separa dos soluciones por medio de una membrana permeable al solvente, pero no al soluto.

Dado que las sustancias siempre tienden al equilibrio, el estado desequilibrado de las concentraciones genera una presión osmótica que favorece la absorción de agua por parte de la solución concentrada, y aunque los volúmenes se desigualen, la presión osmótica intentará igualar las concentraciones, hasta el límite impuesto por la presión atmosférica, así cuando la presión osmótica se iguala a la atmosférica, se alcanza el equilibrio del sistema.

 El modelado matemático de la osmosis se realiza por medio de la fórmula de los gases ideales, en la que se despeja la presión y obtendremos masa en gramos sobre volumen, que se reemplaza por la concentración. La presión despejada solo se iguala a la presión osmótica si multiplicamos a ambos lados por el factor de Van't Hoff

Demostración

Iniciamos con la ley de los gases ideales.

Despejamos la concentración molar

Multiplicamos a ambos lados por el factor de van’t Hoff

El producto de la presión por el factor de van’t Hoff es la presión osmótica.

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Miremos un ejemplo numérico.

La presión osmótica media de la sangre es de 7,7 atm a 25 ° C. ¿Qué molaridad de la glucosa C₆H₁₂O₆ será isotónica con la sangre?

Solución analítica: Despejamos la concentración de la ecuación anterior.

Solución numérica:

Si dos soluciones de presión osmótica idénticas están separadas por una membrana semipermeable, no se producirá una ósmosis. Las dos soluciones son isotónicas una con respecto a la otra. Si una solución es de presión osmótica más baja, es hipotónica con respecto a la solución más concentrada. La solución más concentrada es hipertónica con respecto a la solución diluida. En términos más sencillos, la solución más concentrada absorbe agua de la menos concentrada en un intento de igualar la concentración por aumento de solvente.

Figura 26.  Tono de una célula dependiendo de la concentración externa de solutos. Una célula isotónica mantiene su volumen, una célula hipotónica pierde agua y se arruga, y una célula hipertónica absorbe agua y explota.

La ósmosis juega un papel importante en los sistemas vivos. Las membranas de los glóbulos rojos, por ejemplo, son semipermeables. Colocar un glóbulo rojo en una solución que sea hipertónica en relación con la solución intracelular (la solución dentro de las células). Hace que el agua salga de la célula Figura 26. Esto hace que la célula se arrugue, un proceso llamado crenación. Colocar la célula en una solución hipotónica en relación con el líquido intracelular hace que el agua se mueva hacia la célula, lo que puede hacer que la célula se rompa, un proceso llamado lisis. Las personas que necesitan reemplazo de líquidos o nutrientes corporales, pero que no pueden ser alimentadas por vía oral, reciben soluciones mediante infusión intravenosa, que alimenta los nutrientes directamente en las venas. Para prevenir la formación de crenaciones o hemólisis de los glóbulos rojos, las soluciones intravenosas deben ser isotónicas con los líquidos intracelulares de las células sanguíneas.