EL FENOMENO MAGICO DE LA OSMOSIS. LUIS FELIPE DEL CASTILLO

1. Historia del descubrimiento de la osmosis

El descubrimiento del fenómeno osmótico y los primeros estudios al respecto están unidos a la historia de la creación de las ciencias del siglo XIX: la biología, la química y la fisicoquímica.

El descubrimiento de la difusión fue realizado pro Thomas Graham entre 1828 y 1833.

Estuvo a punto de emitir la ley conocida como Ley de Fick, pero no acertó. Los estudios de la difusión los realiza Adolf Eugen Fick y descubrió la Ley de la difusión cuando surgió la comparación de la difusión de un material disuelto con la Ley de Ohm.

Hasta ese momento Fick solo sugería una Ley, haciendo notar que la presencia de un flujo de difusión es debido a una diferencia de concentraciones, de manera que las cantidades en cursivas son directamente proporcionales.

El descubrimiento de la osmosis fue hecho por Henri Dutrochet; este descubrió la osmosis cuando observo que la difusión del solvente a través de una membrana semipermeable ocurría de la solución de menor concentración de un soluto, hacia la solución de mayor concentración de un solvente, además este último genera presión sobre la membrana denominada presión osmótica.

2. Aspectos fundamentales de la osmosis

Desde el punto de vista más fundamental, la osmosis no tiene explicación. Generalmente se sabe que papel desempeña pero no se puede explicar el porque ocurre este proceso.

Los conocimientos científicos relacionados con la osmosis están comprendidos enla rama de la fisicoquímica, y en particular en el tema de las soluciones. La teoría que representa estos hechos es la termodinámica de equilibrio y la lineal de procesos irreversibles.

Las informaciones que se han podido obtener sobre el mecanismo de la osmosis son por medio de la teoría cinética de los gases.

Un dispositivo donde hay dos recipientes separados por una membrana, bajo condiciones de equilibrio, la presión parcial del componente que puede atravesar la membrana es igual en ambos. Es decir: P2A = P1A

En este caso, hay un exceso de presión en el recipiente 1 por el componente B que no se observa en el recipiente 2, ya que la membrana le impide el paso.

Entonces el flujo osmótico puede interpretarse como un flujo viscoso, producido por los movimientos térmicos moleculares cuando son interrumpidos por una membrana.

3. Observación de la presión osmótica

Históricamente la comprensión de la osmosis se inicia cuando Pfeffer dio a conocer sus medidas de la presión osmótica en 1887.

La presión parcial del gas B, que no puede pasar la membrana es igual a la presión osmótica (п= PB1 [1]).

A su vez, el equilibrio del gas que puede pasar hacia ambos lados esta representado por la igualdad de las presiones parciales de gas A (PA1 = PA2 [2]).

Sin embargo, el esquema fisicoquímico de los gases se preserva en general para cualquier sustancia, si se remplaza la presión parcial de un componente por el respectivo potencial químico, multiplicado por su concentración. En tal caso se sustituyen lasecuaciones [1] y

[2] por: (para el soluto) п= ~P= CB MB1 [3]; (para el solvente) MA1 = MA2 [4]

Donde ~P es la diferencia de presiones en ambos lados de la membrana, y MB1, MA1 y MA2 los potenciales químicos, así como CB su concentración. Representando las ecuaciones [3] y [4] las condiciones generales de equilibrio.

4. Descripción del flujo osmótico

La termodinámica clásica se refiere a sistemas fluidos en estados de equilibrio, definido este como el estado cuyas variables no cambian con el tiempo.

En lo que respecta al caso de las membranas, hay generalmente 3 tipos de esta asociación lineal. La teoría que da lugar a estas hipótesis se llama “termodinámica irreversible lineal”, formulada por L. Onsager en 1931. Que propone que dado un sistema en desequilibrio donde están presentes inhomogeneidades en los valores de las variables de estado, un flujo

cualquiera dentro del sistema es producido por la superposición de las fuerzas presentes.

Esto significa que hay efectos cruzados. Al hacerse la distinción entre efectos cruzados, Onsager estableció su reciprocidad, es decir, estos se pueden intercambiar.

Desde 1909 E. G. J Hartley había demostrado que la presión osmótica y la presión hidrostática son efectos enteramente equivalentes.

Este acoplamiento fue interpretado por A. J. Staverman en 1951-1952 utilizando la teoría formulada por Onsager en 1931. Estableciendo así la primera teoría explicativa de las medidas del flujo osmótico y teniendo a bien enseñar las causas termodinámicas de dichoflujo.

5. Electroósmosis y osmosis anómala

Cuando se tiene una membrana rodeada por soluciones electrolíticas, aparece una nueva fuerza termodinámica dada por una diferencia de potencial. La ecuación [2] se modifica por un termino proporcional a ~ø el cual predice la presencia de un flujo volumétrico producido por un campo eléctrico en la membrana. A este efecto se le conoce como “electroósmosis”.

Un efecto semejante es dado por difusión; que corresponde al efecto cruzado. Esta clase de efecto, de polarización por concentración, es capaz de contrarrestar el efecto de la diferencia de presiones a tal grado que es posible invertir la dirección del flujo volumétrico.

A este fenómeno se le conoce como “osmosis anómala”.

6. Explicación del fenómeno osmótico

Desde ele descubrimiento de la osmosis en 1828, hasta su explicación racional por Kedem y Katchalsky en 1958, transcurrieron 130 años en que se debatió la naturaleza del flujo osmótico. A este respecto se recuerdan las palabras de L. Onsager: “el flujo viscoso es un movimiento relativo de las proporciones adyacentes de un liquido. La difusión es un movimiento relativo de sus diferente constituyentes”. Ello significa que podemos describir la ecuación de transporte para el solvente como de difusión.

De ahí se ha derivado la única explicación del por que ocurre el fenómeno osmótico.

a) En una membrana existe la reflexión total de las moléculas del soluto y la transmisión parcial de las del solvente.

b) La interface conlleva también unadisminución en el valor de la presión. Este cambio se debe a una alteración local de la cantidad de movimiento.

c) La caída de presión en la interface se manifiesta de 3 maneras distintas:

i) ESTADO DE EQUILIBRIO: para no cancelar el déficit de presión en la interface es necesario aplicar exceso de presión en la fase I, dado por el valor ~P.

ii) ESTADO ESTACIONARIO: si los valores en las concentraciones de las fases I y III se mantienen

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