Ley De Fick

DIFUSION Y OSMOSIS

A diferencia del flujo en masa de líquidos considerado en el tema de fluidos anterior, la difusión implica movimiento espontáneo y desordenado de moléculas individuales, y nos interesa casi siempre la difusión de moléculas de una sustancia disuelta en otra. Si se vierte cuidadosamente agua sobre una disolución acuosa de sulfato cúprico, de modo que sea visible la superficie de separación entre el agua y la disolución, el color azul característico de ésta se extiende gradualmente hasta que todo el líquido queda uniformemente azul. A esta escala macoscópica transcurrirá largo tiempo antes de que. la mezcla sea completa, pero en las células biológicas procesos análogos sólo tardan milésimas de segundo. Se dice que el soluto, en este caso sulfato cúprico, se difunde a través del líquido, y el agua se difunde también hacia abajo en la disolución inicial.

La difusión de un soluto puede considerarse análoga al flujo de calor, y la ley de Fick establece que el ritmo de difusión por unidad de superficie, en dirección perpendicular a ésta, es proporcional al gradiente de la concentración de soluto en esa dirección. La concentración es la masa de soluto por unidad de volumen, y el gradiente de concentración es la variación de concentración por unidad de distancia.

Si colocamos con cuidado una gota de anilina en un vaso de agua, veremos que el color se difunde por el agua. El proceso puede durar varias horas (suponiendo que no sacudimos el vaso), pero al final el color será uniforme. Esta mezcla se produce a causa del movimiento aleatorio de las moléculas y se denomina como hemos visto: difusión. También en los gases se produce la difusión y de manera mucho más rápida. Cuando se destapa un frasco de perfume, su aroma puede percibirse en todos los puntos de la habitación poco después, aunque el aire este en reposo. Y si quemamos algo en la estufa, el olor, así como el humo visible, se difunde por la casa. En cada caso, la sustancia que se difunde se mueve de una región en la cual tenga una gran concentración a otra en la cual ésta sea baja.

Si se vierte una disolución concentrada de azúcar en un recipiente que contiene agua, la mezcla se hace gradualmente homogénea mediante la difusión de las moléculas del soluto en la región del agua pura y la difusión de las moléculas de agua en sentido opuesto. Si en lugar de colocar la disolución de azúcar directamente en el agua, la separamos físicamente de ésta por una capa de papel pergamino, se impide la difusión hacia afuera del soluto. Se dice que el papel es impermeable al soluto, en este caso el azúcar. Las moléculas de agua, sin embargo, pueden difundirse libremente en sentido opuesto, y debido a esto el nivel de la disolución se eleva en el tubo estrecho, indicando un incremento de presión. Se dice que el papel pergamino es una membrana semipermeable, y el proceso de difusión selectiva a través de tal membrana se denomina ósmosis. La presión osmótica es la presión que tendría que ejercerse sobre la disolución para evitar la ósmosis.

Parece extraño a primera vista que el agua pase de una región de baja presión a otra de presión mayor. Pero ha de tenerse en cuenta que, antes de que el proceso se inicie, la presión del agua en la disolución es menor que la presión del agua fuera, ya que la presión total de la disolución es la misma que la del agua, y el soluto hace una contribución a la presión total. La presión osmótica iguala las presiones del agua dentro y fuera y, en consecuencia, la presión osmótica final es la presión debida solamente a la presión de las moléculas de soluto.

El estudio sistemático de la ósmosis comenzó hacia mediados del siglo XIX con observaciones detenidas en las células vegetales. Cuando una célula vegetal se coloca, por ejemplo, en una disolución concentrada de azúcar, la parte viva de la célula (protoplasto) se contrae separándose de la membrana, si bien cuando las células así tratadas se separan y se colocan en agua pura, los protoplastos se agrandan de nuevo. Este fenómeno se conoce como plasmólisis, y se observa fácilmente al microscopio.

Se encuentra experimentalmente que, en disoluciones diluidas, la presión osmótica es proporcional a la concentración de soluto, o sea inversamente proporcional al volumen de la disolución. También es proporcional a la temperatura absoluta.

LEY DE FICK:

La rapidez de difusión por unidad de área de sección transversal en una dirección determinada es proporcional al cambio de la concentración del soluto en esa dirección

La ecuación para esta ley es

donde es la masa del soluto que difunde a lo largo de esa dirección por unidad de tiempo, A es el área de la sección transversal, C es la concentración del soluto (que se supone constante sobre cualquier sección transversal del tubo), D es el coeficiente de difusión, y se llama gradiente de concentración. Valores típicos de D para la difusión en agua de moléculas importantes en biología van desde 1.10 11 a 100 x 10 11 m2 /s, para un rango de pesos moleculares de cerca de 104. La Ley se ha verificado experimentalmente de muchas maneras y es muy importante para la determinación del peso molecular de moléculas bio1ógicas por medio de ultracentrifugación.

Puesto que todos los organismos vivos se componen de una o más cé1ulas rodeadas por membranas, la difusión de sustancias a través de membranas bio1ógicas es cuestión de suma importancia. Por diversas razones no es posible caracterizar las membranas bio1ógicas por un coeficiente de difusión D, pero es posible combinar el espesor desconocido x de la membrana con D en un coeficiente de permeabilidad P, definido en términos de rapidez de transferencia de masa, utilizando la ecuación

donde A es el área, Ci, es la concentración de la sustancia que difunde en el interior de la célula y C0 es la concentración en el exterior. Para muchos tipos de cé1ulas, se ha determinado el coeficiente de permeabilidad que nos da información muy útil en los estudios de la membrana celular. La ecuación anterior es só1o para gradientes de concentración, pues si hay iones presentes y sus correspondientes gradientes electroquímicos, es necesario un tratamiento distinto.

Sustancias como el pergamino y algunos materiales vegetales, tienen la propiedad de permitir que ciertas moléculas difundan a través de ella, pero otras no. En la figura se muestra un tubo con un trozo de pergamino sujeto a su extremo inferior y con una disolución de azúcar en su interior, está sumergido en agua.

Las moléculas de agua difunden a través del pergamino hacia el interior del tubo de acuerdo con la ley de Fick,

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