Transferencia De Masa: "Ósmosis"

RESUMEN

Los estudiantes en vísperas de exámenes dicen poner los libros debajo de la almohada para que, por “ósmosis”, los conocimientos pasen a la memoria durante el sueño.

A fines del siglo pasado y a principios de éste el fenómeno osmótico dejó de ser dominio exclusivo de los fisiólogos y entró a formar parte también del cuadro teórico de la fisicoquímica, a la vez que se eliminó la asociación de la ósmosis a un proceso de absorción. Actualmente se conoce a la ósmosis por referencias formales en términos termodinámicos, que no sugiere gran cosa a la imaginación del estudiante. Por otra parte, a pesar de que el fenómeno de la ósmosis tiene 160 años de haber sido descubierto, su significado físico aún permanece oculto. La ósmosis aparece ligada a las barreras del flujo de difusión (membranas), de tal manera que se rompe la simetría en los movimientos térmicos de la materia.

A pesar de los avances logrados en la descripción y fundamentación de los procesos de las membranas, muchos de los aspectos fundamentales permanecen intactos, como problemas sin resolver, con lo que se crean perspectivas promisorias para descubrir los primeros principios.

INTRODUCCIÓN

La concepción popular de la ósmosis está representada por la posibilidad de hacer pasar "algo" a través de una barrera sin consumo de energía.

El fenómeno osmótico está íntimamente relacionado a un proceso de absorción, y corresponde a una connotación importante que ya señalaban los fisiólogos del siglo pasado. La absorción por flujo osmótico, decían, es el paso económico de los procesos vitales de una célula o de un organismo. La ósmosis aparece ligada a las barreras del flujo de difusión (membranas), de tal manera que se rompe la simetría en los movimientos térmicos de la materia.

La teoría de Van't Hoff de 1886 fue resumida así:

Toda materia disuelta ejerce sobre una pared semipermeable una presión osmótica igual a la presión que sería ejercida en el mismo volumen, para un número igual de moléculas en estado gaseoso.

El fenómeno de la ósmosis da sustento a la vida, la prolonga y la motiva, sabemos cómo ocurre, pero es insalvable su comprensión conceptual. En este misterio que hace de la ósmosis un fenómeno mágico, se desea destacar la naturaleza del problema que ahora nos preocupa, y, desde luego, ubicarlo en los ámbitos científico e histórico.

Los conocimientos científicos relacionados con el fenómeno de la ósmosis están comprendidos en la rama de la fisicoquímica, y en particular en el tema de las soluciones. La teoría que describe estos hechos es por excelencia la termodinámica de equilibrio y la lineal de procesos irreversibles.

En efecto, la termodinámica de equilibrio describe la presión osmótica y la define como la presión requerida para mantener un sistema en estado de equilibrio.

Cuando tenemos un sistema de vasos comunicantes separados entre sí por una barrera porosa, seremos capaces de hacer una predicción de la dirección del flujo del líquido entre los vasos. Así percibimos que, en efecto, el flujo se dirige del recipiente donde la altura del líquido es mayor, al recipiente donde la altura es menor (véase la figura 2).

Figura 2. Un flujo volumétrico y viscoso se observa entre dos vasos comunicantes de un líquido a diferentes alturas que puede pasar un medio poroso.

La función de los vasos comunicantes es nivelar las diferencias de nivel del líquido entre los dos sistemas en contacto. De igual forma ocurre con la presencia de un flujo calorífico, originado por una diferencia de temperaturas entre dos puntos. En este caso, el flujo de calor ocurre del punto donde la temperatura es mayor a donde la temperatura es menor.

Sin embargo, en el sistema mencionado de vasos comunicantes haremos un cambio, en lugar de poner agua pura en el recipiente 2, colocaremos una solución de agua con azúcar, y en vez de ponerlo en contacto con el recipiente 1 empleando un medio poroso, utilizaremos una membrana semipermeable que permita el libre tránsito del agua, pero que impida la difusión del azúcar. Entonces ocurre algo sorprendente, la dirección del flujo que teníamos antes (véase la figura 2) se invierte. Ahora el flujo del agua es contrario a la dirección natural que tendría si los recipientes fueran vasos comunicantes (véase la figura 3).

Figura 3. Un flujo volumétrico y viscoso se observa entre dos recipientes con soluciones de diferente concentración. El flujo de la solución diluida hacia la solución concentrada es el flujo osmótico.

El fenómeno observado alcanza el estado de equilibrio cuando entre los recipientes se observa una diferencia de niveles que no cambia con el tiempo. Esto es lo inesperado, que el equilibrio mantenga una diferencia de presiones, en lugar de anularla como en el caso observado antes, en los vasos comunicantes. Así, la explicación más natural que el novato puede dar a dicho flujo osmótico y a la diferencia final de niveles es suponer la presencia de un pistón que presiona la columna de agua pura. Tal explicación falla porque dicho pistón no existe. Así pues, el novato se quebrará la cabeza queriendo dar una explicación en términos de "fuerzas" y sus efectos, pero al final de cuentas la causa de tales "fuerzas" no aparecerá por ningún lado.

Esa especie de impulso de la naturaleza que obliga al líquido a pasar de un lado al otro se llama PRESIÓN OSMOTICA. A la presión osmótica se la simboliza con la letra π

(PI). El valor de la PI se calcula con la Ecuación de Van't Hoff:

π = (C1-C2) ·R·T

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