No s'ha de confondre amb osmosi inversa.

Pressió osmòtica

Quan una dissolució es posa en contacte amb el dissolvent a través d'una membrana semipermeable, membrana que només deixa passar les molècules de dissolvent però no pas les dels soluts, les molècules de dissolvent es difonen cap a la dissolució, aquest fenomen s'anomena osmosi. Es pot arribar a una situació d'equilibri químic contrarestant aquesta tendència mitjançant l'aplicació d'una certa pressió sobre la dissolució, que es coneix com a pressió osmòtica de la dissolució i es representa amb la lletra grega Π.^[1]

A la figura adjunta es representen una dissolució separada del dissolvent pur per una membrana semipermeable. Les molècules de dissolvent passen del dissolvent pur a la dissolució concentrada, de manera que el volum de la dissolució concentrada augmenta al mateix temps que es dilueix. Si l'excés de dissolvent es fa pujar per dins d'un tub capil·lar, com es mostra a la figura, s'assolirà un equilibri quan l'augment de la pressió hidroestàtica, proporcional a l'altura h iguali a la pressió del dissolvent per passar cap a la dissolució, la pressió osmòtica. S'impedirà així el pas de més dissolvent cap a la dissolució concentrada.

L'osmosi és un fenomen biològic important per a la fisiologia cel·lular dels éssers vius.

Mecanisme

S'anomena membrana semipermeable a aquella estructura que conté porus o forats, igual que qualsevol filtre, de mida molecular. La mida dels porus és tan minúscul que deixa passar les molècules petites però no les grans, normalment de la mida de micròmetres. Per exemple, deixa passar les molècules d'aigua, que són petites, però no les de sucre, que són més grans. Si una membrana com la descrita separa un líquid en dues particions, una d'aigua pura i una altra d'aigua amb sucre, succeeixen diverses coses, explicades a finals del segle XIX per Jacobus Henricus van 't Hoff i Gibbs emprant conceptes de potencial electroquímic i difusió simple , entenent que aquest últim fenomen implica no només el moviment a l'atzar de les partícules fins a aconseguir l'homogènia distribució de les mateixes i això passa quan les partícules que vénen s'equiparen amb les que aleatòriament van, sinó l'equilibri dels potencials químics de les dues particions. Els potencials químics dels components d'una solució són menors que la suma del potencial d'aquests components quan no estan lligats a la solució. Aquest desequilibri, que està en relació directa amb la osmolaritat de la solució, genera un flux de partícules solvents cap a la zona de menor potencial que s'expressa com pressió osmòtica mesurable en termes de pressió atmosfèrica , per exemple: "hi ha una pressió osmòtica de 50 atmosferes entre aigua dessalada i aigua de mar ". El solvent fluirà cap al solut fins a equilibrar dit potencial o fins que la pressió hidroestàtica equilibri la pressió osmòtica.

El resultat final és que, encara que l'aigua passa de la zona de baixa concentració a la d'alta concentració i viceversa, hi ha un flux net major de molècules d'aigua que passen des de la zona de baixa concentració a la d'alta.

Dit d'una altra manera: donat suficient temps, part de l'aigua de la zona sense sucre haurà passat a la d'aigua amb sucre. L'aigua passa de la zona de baixa concentració a la d'alta concentració.

Les molècules d'aigua travessen la membrana semipermeable des de la dissolució de menor concentració, dissolució hipotònica, a la de major concentració, dissolució hipertònica. Quan el transvasament d'aigua iguala les dues concentracions, les dissolucions reben el nom de isotòniques.

En els éssers vius, aquest moviment de l'aigua a través de la membrana cel·lular pot produir que algunes cèl·lules s'arruguin per una pèrdua excessiva d'aigua, o bé que s'inflin, possiblement fins a rebentar, per un augment també excessiu en el contingut cel·lular d'aigua . Per evitar aquestes dues situacions, de conseqüències desastroses per a les cèl·lules, aquestes posseeixen mecanismes per expulsar l'aigua o els ions mitjançant un transport que requereix despesa d'energia. La presència de sals minerals dissoltes en l'aigua condicionen el moviment de les molcules d'aigua a'través de la membrana plasmàtica per igualar les concentracions

Fonament físic

És un sistema binari reaccionant, en què els components no impliquen càrrega elèctrica i hi ha una temperatura uniforme i igual per a dues reservoris, s'ha de la producció d'entropia és la combinació lineal de productes entre fluxos i forces del sistema:^[2]

σ=∑iYiXi=j1′(Δμ1)T,pT−jvΔpTdisplaystyle sigma =sum _iY_iX_i=j_1'frac (Delta mu _1)_T,pT-j_vfrac Delta pT

on els fluxos són simplement el flux de difusió relatiu del compost 1 i el flux relatiu de velocitats dels components:

j1′=j1−c1c2j2jv=v1j1+v2j2displaystyle j_1'=j_1-frac c_1c_2j_2qquad j_v=v_1j_1+v_2j_2

Les forces termodinàmiques són diferències entre magnituds intensives entre els dos reservoris:potencial químic i pressió

X1=−(Δμ1)T,pT=−μ11cΔc1T;Xv=−ΔpTdisplaystyle X_1=-frac (Delta mu _1)_T,pT=-mu _11^cfrac Delta c_1Tqquad ;qquad X_v=-frac Delta pT

Les lleis són:

[j1′jv]=[Λ11λv1Λ1vΛvv][−μ11cΔc1T−ΔpT]displaystyle beginbmatrix;j_1'\;j_vendbmatrix=beginbmatrix;Lambda _11&lambda _v1\;Lambda _1v&Lambda _vv\endbmatrixbeginbmatrix;-mu _11^cfrac Delta c_1T\;-frac Delta pTendbmatrix

Del que es dedueix, per a una situació estacionària (jv=0displaystyle j_v=0) Que una diferència de concentracions en els dipòsits provoca una diferència de pressions i viceversa. Són els fenòmens d'osmosi i osmosi inversa, donats per la relació:

ΔpΔc1=−μ11cΛv1Λvv.displaystyle frac Delta pDelta c_1=-mu _11^cfrac Lambda _v1Lambda _vv.

A la diferència de pressions Δpdisplaystyle Delta p que provoca una determinada diferència de concentració Δc1displaystyle Delta c_1 s'anomena pressió osmòtica.

Osmosi en una cèl·lula animal

Les membranes de les cèl·lules són semipermeables, per tant, en un medi isotònic, el pas de l'aigua en els dos sentits s'equilibra. Si la cèl·lula es troba en un medi hipotònic tendirà a absorbir aigua inflant-se, podent arribar a l'extrem d'esclatar, donant origen a la citòlisi.

Per contra, si la cèl·lula es troba en un medi hipertònic, l'aigua interior tendirà a sortir, portant a la deshidratació, podent en casos extrems arribar a la mort de la cèl·lula, procés anomenat de crenació.

Osmosi en una cèl·lula vegetal

Les membranes de les cèl·lules vegetals són també semipermeables, i en aquest cas també en un medi isotònic, el pas de l'aigua en els dos sentits s'equilibren. En presència d'un mitjà hipotònic la cèl·lula absorbeix aigua omplint les seves vacúols, donant origen a una situació denominada turgencencia. D'altra banda, en un medi hipertònic, l'aigua surt de la cèl·lula a través de la membrana, i es pot arribar-se a que la membrana plasmàtica es enlairament de la cèl·lula, provocant el que s'anomena la plasmòlisi.

Osmosi inversa

Article principal: Osmosi inversa

Bobina de membrana semipermeable emprada en la dessalinització de l'aigua salobre

Si s'augmenta la pressió del costat de major concentració, pot aconseguir-se que el dissolvent passi des del costat d'alta concentració al de baixa concentració. D'aquesta manera s'està produint el fenomen contrari a l'osmosi, per això es diu osmosi inversa. És a dir, el dissolvent de la zona d'alta concentració passa a la de baixa concentració.

Si l'alta concentració és de sals, per exemple a l'aigua marina, en aplicar pressió, l'aigua passa a l'altre costat de la membrana sense les sals aconseguint dessalinitzar l'aigua de mar i fent-la potable. Mitjançant aquest procediment és possible obtenir aigua dessalinitzada (menys de 15 000 μS/cm de conductivitat elèctrica) partint d'una font d'aigua salabrosa, aigua de mar, que en condicions normals pot tenir entre 50.000 i 60.000 μS/cm de conductivitat.^[3] L'osmosi inversa s'ha convertit avui en dia en un dels sistemes més eficients per dessalinitzar i fer potable l'aigua, sent usada en vaixells, avions, indústries, hospitals i domicilis.

Un altre exemple d'aplicació de l'osmosi inversa és la descontaminació d'aigües. Si es té aigua amb contaminant "X" les molècules del qual tenen una mida de diàmetre major que la mida de la molècula d'aigua, es pot cercar una membrana semipermeable que deixi passar molècules de mida de les de l'aigua però no del contaminant i, en aplicar pressió (osmosi inversa), s'obtindrà aigua descontaminada.

La clau és a la constitució del feix de membranes que intercalen xarxes-canals de circulació entre capa i capa i finalment convergeixen en el centre del sistema. Com hi ha un flux d'entrada i dos fluxos de sortida, a l'u se li coneix com a rebuig salí i a l'altre com flux de filtrat i els seus valors dependran de la pressió d'entrada imposada al sistema. En general és factible trobar membranes confeccionades amb poliamida o acetat de cel·lulosa (aquest últim material està en desaparició) amb un rebuig salí d'entre 96,5-99,8%. Existeixen membranes especialitzades per a cada tipus d'aigua, des d'aigua de mar fins a aigües salabroses. Els equips d'osmosi inversa industrials munten diversos trens o carros de membranes interconnectades entre si, una bomba d'alta pressió, mesuradors de TDS, pH i caudalímetres de columna. Existeixen equips que s'ubiquen a grans sales a causa de la seva enorme mida. Per a l'òptim funcionament d'aquests sistemes, es requereix mantenir un antiincrustant contra sílice (sílice gelificada neutra) que obtura el sistema, a més d'un biocida per mantenir lliure de biomasses les capes del sistema.

L'osmosi inversa té algunes restriccions, hi ha certes espècies químiques que el sistema no és capaç de retenir, aquests l'arsenit (As⁺³), la sílice neutra (ja esmentada) i el bor. Per retenir aquestes espècies cal realitzar una modificació de l'estat químic de l'espècie, ja sigui via oxidació, coprecipitació o canvis de pH del medi. Per exemple l'arsenit (As⁺³) experimenta un rebuig de menys de 25%, l'arsenat (As⁺⁵) és capaç de ser retingut en un 95-98%-98.

Les incrustacions a les membranes són un factor no menyspreable en l'eficiència de l'equip, això ocorre quan es pretén forçar el cabal de filtrat, ocorrent fronts de saturació a la superfície de la membrana. Altres substàncies són incrustants, tals com l'esmentada sílice, biomasses de microorganismes. Una vegada incrustada la membrana, sol és possible revertir la situació desmuntant la unitat i tractant-la amb barreges d'àcids forts i sotmetent-les contra corrent.

Un desenvolupament tecnològic recent especialment rellevant és el de l'osmosi inversa per a dessalinització basada en energia solar fotovoltaica, emprant només i exclusivament una petita bateria perquè tot funcioni correctament.

Experiment il·lustratiu d'osmosi

Es pot realitzar una experiència, consistent a omplir una bossa de cel·lofana, amb una solució d'aigua i sucre comú; la boca de la bossa ha de quedar hermèticament tancada. En aquestes condicions, se'l submergeix en un recipient que contingui aigua.

La cel·lofana compleix el paper d'una membrana i la característica que presenta és la de no permetre el pas de les molècules de sucre en la solució, la qual cosa significa que és impermeable al sucre. Al contrari, deixa passar amb facilitat les molècules d'aigua, és a dir, és permeable a ella. Les membranes que presenten aquest comportament reben el nom de semipermeables. D'acord a l'anterior, en l'experiment es pot observar que, al començament el recipient format per la membrana de cel·lofana es troba distès, però a poc a poc va augmentant de mida fins a quedar inflat. Això és conseqüència de la difusió de l'aigua a través de la membrana, des del recipient cap a l'interior de la bossa. Aquest és el fenomen que es coneix com a osmosi.

Però si s'augmentés la pressió dins de la bossa, es veuria que passen només les molècules d'aigua i no les de sucre, produint la filtració del component solvent, és a dir, osmosi inversa.

Referències

Vegeu també

• Electroosmosi


• 
  Osmolaritat.


• 
  Tonicitat.


• Potabilització


• Alambí


• Cisterna


• Aljub


• Aigua destil·lada

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Osmosi