thumb|350px|Fenómeno de la ósmosis. La ósmosis u osmosis es un fenómeno físico relacionado con el movimiento de un disolvente a través de una membrana semipermeable. Tal comportamiento supone una difusión simple a través de la membrana, sin gasto de energía. La ósmosis del agua es un fenómeno biológico importante para el metabolismo celular de los seres vivos.
Historia
En 1748, el abad Nollet señaló que cuando el agua y el alcohol se separaban en la vejiga de un animal, el agua pasaba a través del alcohol pero nunca a la inversa.El abad Nollet (junio de 1748) “Recherches sur les causes du bouillonnement des liquides”, Mémoires de Mathématique et de Physique, tirés des registres de l’Académie Royale des Sciences de l’année 1748, pp. 57-104; sobre todo pp. 101-103. En sus trabajos sobre soluciones acuosas realizados entre 1827 y 1832, Henri Dutrochet propuso los términos «endosmose» y «exosmose» (endosmosis y exosmosis, en su trabajo de 1828, Recherches sur l'Endosmose et l'Exosmose) para describir este fenómeno, por lo que suele considerarse su descubridor. K. Vicrordt también se interesó en este fenómeno en 1848. En 1854, el químico escocés Thomas Graham trabajó en sustancias coloidales y descubrió que no podían pasar a través de una membrana animal. Fue entonces cuando acuñó el término «osmosis» a partir del griego ὠσμός, que significa 'empuje'.http://www.cnrtl.fr/etymologie/osmose
Fue M. Traube, en 1864, quien concibió la primera membrana artificial de ferrocianuro de cobre Cu2Fe(CN)6. En 1877, Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer (1845-1920) precipitó el ferrocianuro de cobre en un material poroso, lo que le permitió tener una membrana con buena resistencia mecánica.
En 1884, Hugo de Vries trabajó en la plasmólisis y la turgencia de las células vegetales.
En 1886, Jacobus Henricus van 't Hoff publicó una analogía entre soluciones acuosas y los gases perfectos y aplicó la termodinámica a la ósmosis. Estableció una ley, similar en forma a la ley de los gases perfectos, la ley de la osmometria, y propuso el adjetivo «semipermeable» para designar membranas. Recibió el Premio Nobel de Química en 1901 por su trabajo.
En 1899, A. Crum Brown usó tres fases líquidas (una solución acuosa de nitrato de calcio saturada con fenol en la parte inferior, una capa de fenol puro en el medio y una solución de agua saturada con fenol en la parte superior). Notó un fenómeno de ósmosis (el agua pasaba de la fase superior a la fase inferior), la fase líquida del medio actuaba como una membrana semipermeable. Estableció así la importancia de la solubilidad de las especies difusoras en la membrana.
Entre 1901 y 1923, H. N. Morse y J. C. W. Frazer realizaron mediciones sistemáticas de la permeabilidad de varios precipitados gelatinosos: ferrocianuros y fosfatos de uranio, de hierro, de zinc, de cadmio y de manganeso.
Mecanismo
Se denomina membrana semipermeable a aquella estructura que contiene poros o agujeros, al igual que cualquier filtro, de tamaño molecular. El tamaño de los poros es tan minúsculo que deja pasar las moléculas pequeñas pero no las grandes, normalmente del tamaño de micrómetros. Por ejemplo, deja pasar las moléculas de agua, que son pequeñas, pero no las de azúcar, que son más grandes.
Si una membrana como la descrita separa un líquido en dos particiones, una de agua pura y otra de agua con azúcar, suceden varias cosas, explicadas a fines del por Jacobus Henricus van 't Hoff y Gibbs empleando conceptos de potencial electroquímico y difusión simple, entendiendo que este último fenómeno implica no solo el movimiento al azar de las partículas hasta lograr la homogénea distribución de las mismas y esto ocurre cuando las partículas que vienen se equiparan con las que aleatoriamente van, sino el equilibrio de los potenciales químicos de ambas particiones. Los potenciales químicos de los componentes de una solución son menores que la suma del potencial de dichos componentes cuando no están ligados en la solución. Este desequilibrio, que está en relación directa con la osmolaridad de la solución, genera un flujo de partículas solventes hacia la zona de menor potencial que se expresa como presión osmótica mensurable en términos de presión atmosférica, por ejemplo: "existe una presión osmótica de 50 atmósferas entre agua desalinizada y agua de mar". El solvente fluirá hacia el soluto hasta equilibrar dicho potencial o hasta que la presión hidrostática equilibre la presión osmótica.«Historia del descubrimiento de la Ósmosis.»
El resultado final es que, aunque el agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración y viceversa, hay un flujo neto mayor de moléculas de agua que pasan desde la zona de baja concentración a la de alta.
Dicho de otro modo: dado suficiente tiempo, parte del agua de la zona sin azúcar habrá pasado a la de agua con azúcar. El agua pasa de la zona de baja concentración a la de alta concentración.
Las moléculas de agua atraviesan la membrana semipermeable desde la disolución de menor concentración, disolución hipotónica, a la de mayor concentración, disolución hipertónica. Cuando el trasvase de agua iguala las dos concentraciones, las disoluciones reciben el nombre de isotónicas.
En los seres vivos, este movimiento del agua a través de la membrana celular puede producir que algunas células se arruguen por una pérdida excesiva de agua, o bien que se hinchen, posiblemente hasta reventar, por un aumento también excesivo en el contenido celular de agua. Para evitar estas dos situaciones, de consecuencias desastrosas para las células, estas poseen mecanismos para expulsar el agua o los iones mediante un transporte que requiere gasto de energía. La presencia de sales minerales disueltas en el agua condicionan el movimiento de las moléculas de agua a través de la membrana plasmática para igualar las concentraciones
Fundamento físico
Es un sistema binario reaccionante, en que los componentes no acarrean carga eléctrica y existe una temperatura uniforme e igual para dos reservorios, se tiene que la producción de entropía es la combinación lineal de productos entre flujos y fuerzas del sistema:S.R. de Groor & P.Mazur. Non-equilibrium thermodynamics, 1962. Dover publications. pg. 435.
donde los flujos son simplemente el flujo de difusión relativo del compuesto 1 y el flujo relativo de velocidades de los componentes:
Las fuerzas termodinámicas son diferencias entre magnitudes intensivas entre los dos reservorios: potencial químico y presión
Las leyes fenomenológicas son:
De lo que se deduce, para una situación estacionaria () que una diferencia de concentraciones en los depósitos provoca una diferencia de presiones y viceversa. Son los fenómenos de ósmosis y ósmosis inversa, dados por la relación:
A la diferencia de presiones que provoca una determinada diferencia de concentración se denomina presión osmótica.
Ósmosis en una célula animal Las membranas de las células son semipermeables, por lo tanto, en un medio isotónico, el paso del agua en los dos sentidos se equilibra. Si la célula se encuentra en un medio hipotónico (que tiene menor concentración de soluto) tenderá a absorber agua hinchándose, pudiendo llegar al extremo de estallar, dando origen a la citólisis.
Por el contrario, si la célula se encuentra en un medio hipertónico, el agua interior tenderá a salir, llevando a la deshidratación, pudiendo en casos extremos llegar a la muerte de la célula, proceso denominado de crenación.Movimientos internos en los seres vivos. - presión osmótica.
Ósmosis en una célula vegetal Las membranas de las células vegetales son también semipermeables, y en este caso también en un medio isotónico, el paso del agua en los dos sentidos se equilibran. En presencia de un medio hipotónico la célula absorbe agua llenando sus vacúolos, dando origen a una situación denominada turgencia. Por otro lado, en un medio hipertónico, el agua sale de la célula a través de la membrana, pudiendo llegarse a que la pared celular se despegue de la membrana plasmática, provocando lo que se llama la plasmólisis.
Ósmosis inversa
thumb|330px|Ósmosis inversa Lo descrito hasta ahora ocurre en situaciones normales, en que los dos lados de la membrana estén a la misma presión; si se aumenta la presión del lado de mayor concentración, puede lograrse que el agua pase desde el lado de alta concentración al de baja concentración de sales.
Se puede decir que se está haciendo lo contrario de la ósmosis, por eso se llama ósmosis inversa. Téngase en cuenta que en la ósmosis inversa a través de la membrana semipermeable solo pasa agua. Es decir, el agua de la zona de alta concentración pasa a la de baja concentración.
Si la alta concentración es de sal, por ejemplo agua marina, al aplicar presión, el agua del mar pasa al otro lado de la membrana. Solo el agua, no la sal. Es decir, el agua se ha desalinizado por ósmosis inversa, y puede llegar a ser potable.
Aplicaciones
La mayoría de las aplicacionesÁlvarez, Alberto, Ósmosis inversa. Fundamentos, tecnología y aplicaciones, Aravaca, Antonio García Brage, 1999. de la ósmosis vienen de la capacidad de separar solutos en disolución de forma activa mediante ósmosis inversa utilizando membranas semipermeables.
Desalinización
Mediante este procedimiento es posible obtener agua desalinizada (menos de 5000 microsiemens/cm de conductividad eléctrica) partiendo de una fuente de agua salobre, agua de mar, que en condiciones normales puede tener entre 20 000 y 55 000 microsiemens/cm de conductividad.
La medida de la conductividad del agua da una indicación de la cantidad de sales disueltas que contiene, dado que el agua pura no es un buen conductor de la electricidad (su potencial de disociación es menor de 0,00001).
La ósmosis inversa o reversa se ha convertido hoy en día en uno de los sistemas más eficientes para desalinizar y potabilizar el agua, siendo usada en barcos, aviones, industrias, hospitales y domicilios.
Mediante ósmosis inversa se consigue que el agua bruta que llega a la desaladora se convierta por un lado en un 40% de agua producto y un 55-60% de agua salobre.
La clave está en la constitución del fajo de membranas que intercalan redes-canales de circulación entre capa y capa y finalmente convergen en el centro del sistema. Como hay un flujo de entrada y dos flujos de salida, al uno se le conoce como rechazo salino y al otro como flujo de permeado y sus valores dependerán de la presión de entrada impuesta al sistema. Por lo general es factible encontrar membranas confeccionadas con poliamida o acetato de celulosa (este último material está en desaparición) con un rechazo salino de entre 96,5-99,8 %. Existen membranas especializadas para cada tipo de agua, desde agua de mar hasta aguas salobres.
Los equipos de ósmosis inversa industriales montan varios trenes o carros de membranas interconectadas entre sí, una bomba de alta presión, medidores de TDS, pH y caudalímetros de columna. Existen equipos que se ubican en grandes salas debido a su enorme tamaño.
Para el óptimo funcionamiento de estos sistemas, se requiere mantener un antiincrustante contra sílice (sílice gelificada neutra) que obtura el sistema, además de un biocida para mantener libre de biomasas las capas del sistema.
La ósmosis inversa tiene algunas restricciones, hay ciertas especies químicas que el sistema no es capaz de retener, estos son el arsenito (As(III)), la sílice neutra (ya mencionada) y el boro. Para retener estas especies hay que realizar una modificación del estado químico de la especie, ya sea vía oxidación, coprecipitación o cambios de pH del medio. Por ejemplo el arsenito (As(III)) experimenta un rechazo de menos de 25 %, el arsenato (As(V)) es capaz de ser retenida en un 95-98 %.