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Cómo afecta la gravedad al potencial hídrico durante la ósmosis

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Cómo afecta la gravedad al potencial hídrico durante la ósmosis

 

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1. En un tubo con forma de U se tienen dos mitades con una misma cantidad de agua, separadas por una membrana semipermeable. En ambas mitades hay agua pura sin solutos, es decir, 100% de concentración de agua, y por lo tanto, potencial osmótico Ψs = 0 MPa. Asimismo, como el agua está distribuida uniformemente por todo el recipiente, la masa de agua medida en kilogramos es exactamente la misma en ambas mitades del tubo con forma de U, por lo tanto la gravedad no afecta al movimiento del agua, y ésta se queda quieta y nivelada. Al ser el potencial osmótico nulo en ambas mitades, no hay ósmosis y el agua no fluye, además la gravedad no afecta al agua por estar uniformemente distribuida, entonces por todas esas razones, el potencial hídrico Ψ también es cero Ψ = 0 MPa.
 
Antes de continuar, es necesario aclarar que el potencial hídrico Ψ se mide en pascales (el pascal es una unidad de presión, dada la presión que ejerce el agua pura con mayor potencial hídrico sobre el agua de la solución con menor potencial hídrico). El pascal es una unidad de presión, y se la puede definir como la presión que ejerce una fuerza de 1 Newton sobre una superficie de 1 m2. El Newton es la unidad de fuerza en física. En física, la fuerza es lo que origina los movimientos de los cuerpos, o lo que genera el cambio de velocidad de los objetos en movimiento (aceleración). En este caso, el potencial hídrico se mide en pascales, porque se refiere a la presión que puede ejercer potencialmente el agua pura con mayor concentración de solvente -y cero concentración de soluto-, sobre la solución con menor concentración de solvente (mayor concentración de soluto). Debido a que los valores obtenidos en Pascales son muy grandes, se utilizan MegaPascales (Mega es el prefijo de 1 millón) para obtener números de cifras más pequeñas y fáciles de manipular.

Otra cosa que también vale aclarar, es que el símbolo Ψ utilizado es la letra griega psi.
 
 
2. A continuación, se disuelve sal en la mitad derecha del recipiente. En el lado izquierdo del recipiente no se disuelve nada y el agua sigue siendo pura y sin solutos.

Entonces, la concentración de agua del lado izquierdo es de 100%, mientras que en la solución derecha la concentración de agua (el solvente) es de 70% y la concentración de sal (el soluto) es de 30%. La sal reduce al potencial osmótico en la mitad derecha del recipiente, de un valor de Ψs = 0 MPa a un valor de Ψs = -3 MPa. Esto le da a la solución derecha un potencial hídrico de Ψ = -3 MPa. Dado que del lado izquierdo el agua sigue siendo pura y sin solutos, el potencial osmótico continúa siendo Ψs = 0 MPa. Cabe destacar que cuando el agua no tiene solutos disueltos y es pura, el potencial osmótico es 0 MPa.

Como todavía, antes de empezar la ósmosis, la masa de agua en kilogramos es la misma en ambas mitades del recipiente con forma de U, la gravedad no afecta aún al movimiento del agua. Solamente lo afectará el potencial osmótico debido a la sal disuelta en la solución derecha.

Dado que 0 es mayor a -3, el agua fluirá de la mitad izquierda del tubo (mayor potencial hídrico, o sea Ψ = 0 MPa) a la solución de la mitad derecha del tubo (menor potencial hídrico, o sea Ψ = -3 MPa). Vale recordar que -3 Megapascales equivalen a -3000 kiloPascales y -3.000.000 de Pascales.
 
 
3. Debido a la diferencia de concentración de agua entre ambas mitades, el agua fluye por ósmosis de la mitad izquierda del recipiente hacia la mitad derecha donde se encuentra la solución de agua con sal. Aunque teóricamente el agua dejaría de fluir cuando la concentración de agua de la mitad derecha fuera igual a la concentración de agua de la mitad izquierda, es decir 100% de agua, esto no podría ocurrir, ya que del lado derecho siempre va a haber sal disuelta y es imposible lograr una concentración de 100% de agua (únicamente posible en agua pura sin solutos). Entonces, para lograr la concentración de agua en un 100% del lado derecho, el agua debería seguir fluyendo hacia la derecha eternamente, incluso por encima del borde del recipiente, cosa que lógicamente es imposible.

Sin embargo, en la vida real, el agua deja de fluir mucho antes. Cuando la solución derecha alcanza una concentración de 80% de agua y 20% de sal, el agua se detiene. Lo que detiene al flujo del agua es el propio peso de la columna de agua que se acumula en la mitad derecha. Desde que comienza a fluir el agua por ósmosis, también va aumentando una fuerza de sentido contrario al movimiento del agua, una fuerza causada por la gravedad. Cuando el peso de la columna derecha sea suficiente como para ejercer una presión numéricamente igual pero de sentido contrario a la presión ejercida por las moléculas de agua que se mueven hacia la derecha, el agua se detendrá. Esta fuerza opositora se debe a la diferencia de peso entre el agua de la mitad izquierda y el agua de la mitad derecha del tubo con forma de U (como se muestra en la imagen, por el flujo de agua ocurrido a causa de la ósmosis, va a haber más agua del lado derecho que del izquierdo, y se va a seguir incrementando hasta que por su propio peso no pueda seguir ascendiendo).

El sentido de la fuerza ejercida por la gravedad en la columna de agua acumulada a la derecha es contrario, y por lo tanto de signo opuesto (positivo), al del movimiento del agua por ósmosis (signo negativo). Por ende, el agua se detendrá cuando la presión ejercida por el peso de la columna de agua acumulada a la derecha sea numéricamente igual pero de signo opuesto al potencial osmótico. A partir de ese instante, el potencial hídrico en la mitad derecha pasa a ser 0 MPa.

Con el potencial hídrico se puede determinar hacia dónde se va a mover el agua a causa de la diferencia de concentración de agua y solutos entre dos medios líquidos (potencial osmótico), así como a causa del efecto de la gravedad sobre el agua (potencial gravitacional).

En la suma que da forma al potencial hídrico, al componente o factor dependiente de la gravedad se lo denomina potencial gravitacional. Es decir, que el potencial hídrico está formado por la suma del potencial osmótico y del potencial gravitacional. El potencial osmótico solamente puede tener valores negativos y un valor máximo de cero, mientras que el potencial gravitacional va a tener valores positivos y un valor mínimo de cero.

Potencial Hídrico = Potencial Osmótico + Potencial Gravitacional

Lo que también puede expresarse así:

Ψ = Ψs + Ψg
Donde Ψs representa al potencial osmótico (el sufijo s es por estar causado por solutos), y Ψg al potencial gravitacional.

Cuando comienza la ósmosis, los valores registrados son los siguientes:

  • En la mitad izquierda, Ψs = 0 MPa, Ψg = 0 MPa, por lo tanto Ψ = 0 MPa.
  • En la mitad derecha, Ψs = -3 MPa, Ψg = 0 MPa, por lo tanto Ψ = -3 MPa. Otra forma de representarlo es: Ψ = -3 MPa + 0 MPa = -3 MPa

Entonces el agua fluirá de la zona de mayor potencial hídrico 0 MPa al de menor potencial hídrico -3 MPa.

A mitad del proceso, los valores registrados son los siguientes:

  • En la mitad derecha, Ψs = -2,5 MPa, Ψg = 1 MPa, por lo tanto Ψ = -1,5 MPa. Otra forma de representarlo es: Ψ = -2,5 MPa + 1 MPa = -1,5 MPa

El agua sigue fluyendo de la zona de mayor potencial hídrico 0 MPa al de menor potencial hídrico -1,5 MPa.

Cuando se detiene la ósmosis, los valores registrados son los siguientes:

  • En la mitad derecha, Ψs = -2 MPa, Ψg = 2 MPa, por lo tanto Ψ = 0 MPa. Otra forma de representarlo es: Ψ = -2 MPa + 2 MPa = 0 MPa

Ya no hay diferencia de potencial hídrico entre las dos mitades del recipiente con forma de U, por lo tanto el agua deja de fluir.

La fuerza ejercida por la gravedad a causa del peso de la columna de agua del lado derecho, también es conocida como presión osmótica. La presión osmótica se define como la fuerza o presión necesaria para detener al flujo de agua causado por la ósmosis. Es decir, cuando se aplica una presión numéricamente igual pero opuesta a la presión ejercida por las moléculas de agua que fluyen de una zona de mayor potencial osmótico a otra de menor potencial osmótico, el movimiento del agua se detiene. La presión osmótica es numéricamente igual al potencial osmótico, pero de valor positivo (ya que el potencial osmótico solamente puede tener valores negativos).
 
Entonces, en este ejemplo, el potencial gravitacional es igual a la presión osmótica. La presión osmótica es numéricamente igual al potencial osmótico pero de signo opuesto, es decir que la presión osmótica siempre tiene valores positivos.
 

<< Para aprender más sobre el fenómeno de la ósmosis, ir al artículo de Qué es ósmosis y qué la genera

 
Fuentes de la información:

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