Explicación física de la ósmosis

Question

Quiero entender las fuerzas involucradas en la ósmosis. Si tengo una molécula de agua y una de sal en el lado izquierdo de una membrana semipermeable, y una molécula de agua en el lado derecho, ¿qué fuerzas hacen que la molécula del lado derecho viaje hacia la izquierda y permanezca allí? ¿qué fuerzas hacen que las moléculas de agua pasen más tiempo en el lado izquierdo de la membrana?

Leí sobre una diferencia de potencial químico entre los estados inicial y final, pero no puedo entender por qué hay menos energía en la solución con más disolvente. ¿Por qué las impurezas hacen que el potencial químico se reduzca en el lado izquierdo?

Entiendo que la ósmosis ocurre en otros escenarios, como en gases, por lo tanto descarto pensar en la solución iónica o en la polaridad de las moléculas de agua, etc.

En este sitio, encontré:

La disminución en el potencial químico ocurre porque hay una menor concentración de agua en la solución que en el líquido puro. Estadísticamente, menos moléculas de agua escapan de una solución hacia la fase de vapor o se congelan en la fase sólida. Por eso la sal reduce el potencial químico del agua en la solución.

Pero todavía no me queda claro por qué la sal tiene este efecto en las moléculas de agua si su energía cinética sigue siendo la misma con o sin la sal.

Answer 1

Normalmente la fuerza motriz para la difusión es un gradiente de concentración, sin embargo, esto no es estrictamente cierto. En realidad, es un gradiente en el potencial químico el que impulsa los procesos de difusión. Para algunas simplificaciones, esto se reduce nuevamente a un gradiente de concentración como fuerza impulsora.

Para la ósmosis, el potencial químico es la fuerza motriz ya que la presencia de impurezas hace que el potencial químico disminuya en comparación con el lado puro de la membrana. Esto se modela con una ecuación de la forma: $$\mu_i = \mu_{i,0} + RT\ln x_i$$ donde $\mu_i$ es el potencial químico de la especie i, $\mu_{i,0}$ algún estado de referencia de potencial químico, $RT$ es la energía molar específica y, lo más importante, $x_i$ es la fracción molar del soluto $i$ en el solvente.

Ahora, como $0\le x_i\le 1$, se deduce que $\ln x_i<0$ y $\Delta\mu_i=\mu_i-\mu_{i,0}<0$, es decir, hay una disminución en el potencial químico en el solvente que conduce a la difusión a través de la membrana.

Answer 2

John Grant Watterson sostiene en su artículo "What drives osmosis?" que una caída en la energía libre, que es el criterio termodinámico riguroso para un cambio espontáneo, no puede ser el impulso en los procesos osmóticos:

Nuestros modelos y teorías requieren la introducción de un parámetro que represente explícitamente estructura en líquidos, la cual hasta ahora no ha tenido lugar en la descripción termodinámica de soluciones. Esta falta es sorprendente, cuando uno recuerda que los resultados experimentales de una amplia gama de campos de coloides, arcillas y ciencias biológicas han establecido claramente el marcado efecto de los solutos en las propiedades estructurales del agua, globalmente llamadas 'fenómenos de hidratación'.

La introducción de dicho parámetro puede ayudar a explicar la dirección en la cual la energía fluye durante la ósmosis, lo cual ha sido tan desconcertante para aquellos de nosotros interesados en el mecanismo desde la época de Pfeffer, hace más de un siglo. Además, ciclos de trabajo elementales muestran que cambios en este parámetro corresponden a cambios en la energía asociada con la estructura del solvente que pueden ser utilizados para producir trabajo útil. La capacidad de sistemas ósmicos para realizar trabajo es familiar para todos nosotros (de hecho, una molestia para muchos!), y es la base de la citomecánica, es decir, los procesos físicos observados en la célula viva. El hecho de que aún no tenga una explicación satisfactoria es claramente un problema urgente para todos nosotros.

En su artículo "Quantum Worlds", James Watson revisa la teoría osmótica de Watterson:

La ósmosis se ve como un resultado directo de la estructura de onda del agua o, más específicamente, de los agregados estructurales de moléculas solventes conocidos como unidades de onda o conglomerados. Es la propia onda estructural, y no los solutos, la que gobierna los movimientos moleculares subyacentes en la ósmosis. Dado que el solvente puede moverse a través de la membrana semipermeable, se puede considerar como un único medio continuo que permea ambas fases. Esto significa que la onda de estructura puede pasar sin obstáculos de una fase a la otra, transfiriendo energía estructural en el proceso. La adición de soluto descompone la extensión de interacciones cooperativas solvente-solvente porque las moléculas en contacto con el soluto ya no pueden rotar tan libremente como antes. Como consecuencia, la longitud de onda se acorta en la solución resultando en conglomerados más pequeños en tamaño y energía pero aumentados en número (concentración). En otras palabras, el soluto causa una disminución en el tamaño del píxel de presión. El aumento en la concentración de conglomerados en la fase de solución es igual a la concentración de moléculas de soluto.

En la membrana, hay un flujo neto de energía desde los conglomerados de solvente ricos en energía hacia los conglomerados más pequeños de la solución. Esto aumenta la fuerza tensil de los enlaces intermoleculares, de modo que los conglomerados más pequeños pueden arrastrar solvente a través de la membrana aumentando la presión en el lado del soluto. En equilibrio, la presión en la solución se ha vuelto lo suficientemente alta como para contrarrestar la tracción de los conglomerados más pequeños y el flujo se iguala. En este punto, la energía de los conglomerados más pequeños es igual a la de los conglomerados de solvente puro.

Finalmente, Stephen Lower está de acuerdo con una explicación cuántica en la sección de su libro de texto "_Some Applications of Entropy and Free Energy_":

La dilución de un líquido crea incontables números de nuevos microestados, aumentando la densidad de estados cuánticos en la solución en comparación con la del líquido puro. En la medida en que estos nuevos estados sean térmicamente accesibles, se poblaron a expensas de algunos de los microestados de la otra fase.

Answer 3

En "Cinco conceptos erróneos populares sobre la ósmosis", Kramer y Myers escriben:

La fuerza es ejercida sobre el solvente por la membrana semipermeable. Un simple experimento mental ilustra cómo sucede esto. Considera una membrana semipermeable idealizada como un campo de fuerza que repele el soluto pero no tiene efecto sobre el solvente. El movimiento browniano de las moléculas de soluto las lleva a entrar en contacto ocasional con este campo, momento en el cual reciben un impulso dirigido lejos de la membrana. Las interacciones viscosas entre soluto y solvente distribuyen rápidamente este impulso a las moléculas de solvente en el vecindario de la membrana. De esta manera, la membrana ejerce una fuerza repulsiva sobre la solución en su totalidad. Dado que solvente puro adicional puede cruzar libremente nuestra membrana idealizada, fluye hacia el compartimento de la solución, aumentando gradualmente la presión hidrostática en la solución. Así, un gradiente de presión se crea a lo largo del grosor de la membrana. Este gradiente de presión ejerce una segunda fuerza sobre la solución, capaz de contrarrestar la fuerza de la membrana.