V. ELECTRO�SMOSIS Y �SMOSIS AN�MALA

EN EL cap�tulo anterior ha quedado establecido que en presencia de dos fuerzas termodin�mica (DC_B) y (DP) se producen dos flujos directos cruzados, los cuales dan lugar a las ecuaciones (l) y (2).

Flujo del	=	Flujo	+	Contribución por	(1)
soluto (B)		difusión		Flujo volumétrico

 

Flujo	=	Flujo de	+	Flujo	(2)
volumétrico		Poiseuille		osmótico

Cuando se tiene una membrana rodeada por ba�os que sean soluciones electrol�ticas, aparecer� una nueva fuerza termodin�mica dada por una diferencia de potencial. En tal caso, el formalismo de las ecuaciones (1) y (2) se modifica para incluir un t�rmino nuevo en cada ecuaci�n. Adem�s de esto, aparece una tercera ecuaci�n para el flujo de cargas. Habiendo tres fuerzas termodin�micas, hay tres flujos directos y seis flujos indirectos o cruzados, como se observa en la figura 5 o en el cuadro 2.

La ecuaci�n (2) se modifica por un t�rmino proporcional a Df el cual predice la presencia de un flujo volum�trico producido por un campo el�ctrico en la membrana. A este efecto se le conoce como "electro�smosis". A su vez, la ecuaci�n (1) debe cambiar para incluir un t�rmino adicional que represente un efecto difusivo originado por el campo el�ctrico, debido a la diferencia de potenciales a trav�s de la membrana. Este efecto el�ctrico en la difusi�n fue considerado por M. Planck en 1890 y por W. Nernst en 1904 en t�rminos de una ecuaci�n hoy conocida con el nombre de Nernst-Planck. Este efecto el�ctrico en la difusi�n no es directo, sino cruzado (v�ase el cuadro 2).

En el cuadro 2 se observa la matriz de los efectos directos y cruzados producidos por la presencia de las tres fuerzas de transporte (DC_B,D P y Df). Los efectos directos se presentan en los cuadros que aparecen en la diagonal, y los efectos cruzados o secundarios se muestran en los cuadros fuera de la diagonal. Entre estos �ltimos se encuentra la �smosis y su efecto rec�proco dado por el arrastre viscoso de solutos por el flujo volum�trico. Este efecto se excluye en el caso de una membrana semipermeable. La electro�smosis sigue un papel muy semejante al de la �smosis. Una diferencia de potencial a trav�s de la membrana produce acumulaci�n de iones en ambas caras de ella y, como en el caso de la �smosis, se produce un flujo volum�trico. El efecto rec�proco consiste en que un flujo volum�trico produce por agregaci�n una concentraci�n de iones en la vecindad de la membrana, que producir� una diferencia de potencial. Esto puede ocurrir sin necesidad de alterar la neutralidad el�ctrica de los ba�os alrededor de la membrana. Un efecto semejante, coadyuvando en la formaci�n de la capa polar, es dado por difusi�n; que corresponde al efecto cruzado mostrado en el cuadro central inferior de la matriz del cuadro 2. Esta clase de efecto, de polarizaci�n por concentraci�n, es capaz de contrarrestar, a tal grado, el efecto de la diferencia de presiones que es posible invertir la direcci�n del flujo volum�trico. A este fen�meno se le llama "�smosis an�mala" y fue estudiado por E. Grim y K. Sollner en 1957, considerando membranas compuestas. La descripci�n de este efecto se�ala una inversi�n del signo en el coeficiente de reflexi�n de Staverman. El caso de una polarizaci�n por concentraci�n por difusi�n fue estudiado por Sollner y Neihof en 1955, y encontraron que una composici�n de membranas en presencia de iones se puede comportar como un diodo semiconductor con direcci�n preferente.

Cuadro 2. ,p,p,p,

	Diferencia de presiones (DP)	Diferencia de concentraciones de soluto (DC)B	Diferencia de potencial eléctrico (Df)
Flujo de solvente	Flujo volumétrico	Ósmosis	Electroósmosis
Flujo de solutos —moléculas neutras—	Arrastre de solutos por flujo volumétrico	Difusión de Fick	Difusión de Nernst-Plank
Flujo de solutos —iones—	Polarización por acumulación de cargas (vía flujo volumétrico)	Polarización por concentración (vía flujo de difusión)	Corriente eléctrica (Ley de Ohm)

La electro�smosis se verifica en la membrana de la c�lula, donde flujos masivos de agua se deben a concentraciones de cargas en ausencia de una diferencia de presiones. Estos acoplamientos son independientes del transporte activo¹ a trav�s de membranas biol�gicas.

La electroforesis representa el caso de polarizaci�n por concentraci�n en la que hay simetr�a de los efectos cruzados. Lo que ocurre es que los efectos de concentraci�n son a su vez originados por la movilidad de iones hacia los electrodos de signos opuestos. En cambio, la simetr�a de la difusi�n i�nica se rompe por medio de una membrana, que ocurre en los casos de bater�as alcalinas. En esta forma se permite el paso de algunos iones (radicales sulfato, por ejemplo) y se impide el tr�nsito de otros iones como los de cobre, tal como se muestra en la figura 8. En electroqu�mica, se utilizan membranas semipermeables y selectivas como barreras de la difusi�n, para reducir la movilidad de constituyentes electrol�ticos y alargar la vida media de las bater�as.

Figura 8. Diagrama esquem�tico de una celda de batería inventada por Daniell en 1836. La membrana semipermeable (M) impide la mezcla de las dos soluciones en los dos recipientes contiguos, impide el dep�sito de iones de cobre (Cu) sobre el electrodo de zinc (Zn) y permite el paso de los iones de sulfato(SO ₄^--).

Es necesario aclarar que los cambios en el tiempo de las variables de estado en estos sistemas determinan su evoluci�n al equilibrio. Si la membrana es abierta, permitiendo el libre tr�nsito de iones y mol�culas neutras de un lado y otro de la membrana, entonces la situaci�n final de equilibrio observar� que todas las diferencias se cancelan, DC = 0

Df = 0 y DP = 0.

En el caso de membranas semipermeables que impiden el paso de algunas mol�culas neutras y de algunos iones, el equilibrio ser� dado por la presi�n osm�tica modificada por el efecto de los potenciales de Donnan. Este equilibrio es conocido, en igual forma, como equilibrio de Donnan.

Este caso de equilibrio fue descubierto en 1911 por el qu�mico brit�nico Frederich George Donnan (1870-1956), desde entonces se sabe que en el equilibrio de sistemas electrol�ticos con membranas semipermeables, los flujos i�nicos causados por potenciales electrost�ticos y los flujos difusivos causados por gradientes de concentraciones, se cancelan mutuamente.

En todo lo que se ha mencionado en los �ltimos cap�tulos, se ha considerado que el sistema es isot�rmico, y que por ning�n concepto se preveen cambios en la temperatura en las distintas porciones del sistema. Desde luego que esto es una posibilidad que queda contemplada dentro del formulismo de la teor�a irreversible lineal, ya que una diferencia de temperatura es, en efecto, una fuerza termodin�mica. Si esta fuerza la agregamos a la descripci�n formal de la misma manera como se ha introducido la diferencia de potencial, el arreglo del cuadro 2 se convierte en un arreglo de 4 X 4 efectos, tal como se aprecia en el cuadro 3. De todos los efectos mostrados en el cuadro 3, cuatro son directos y se indican en diagonal (de izquierda a derecha y en orden descendente), y los 12 restantes son efectos cruzados y se localizan en los cuadros que est�n fuera de la diagonal. Por otra parte tambi�n hay un sistema de cuatro ecuaciones de transporte, una para cada uno de los flujos mostrados en los diferentes tipos de acoplamiento entre flujos y fuerzas. El efecto equivalente al electroosm�tico es el llamado de termo�smosis, y representa el caso en que una diferencia de temperatura motiva un flujo volum�trico. El acoplamiento entre los efectos cruzados puede ser de superposici�n o de interferencia mutua, de manera que la descripci�n de la situaci�n de equilibrio resulta complicada.

Cuadro 3.

	Diferencia de presiones (DP)	Diferencia de concentraciones de soluto (DC)B	Diferencia de potencial eléctrico (Df)	Diferencia de temperatura (DT)
Flujo de solvente	Flujo volumétrico	Ósmosis	Electroósmosis	Termoósmosis
Flujo de solutos —moléculas neutras—	Arrastre de solutos por flujo volumétrico	Difusión de Fick	Difusión de Nernst-Plank	Termodifusión Soret
Flujo de solutos —iones—	Polarización por acumulación de cargas (vía flujo volumétrico)	Polarización por concentración (vía flujo de difusión)	Corriente eléctrica (Ley de Ohm)	Termoeléctricidad Thomson
Flujo de calor	Flujo Térmico Joule-Thomson	Difusión térmica. Dufour	Termoeléctricidad. Electropirosis	Conducción térmica. Fourier

En el caso de sistemas biol�gicos, la temperatura, como variable de estado, juega un papel importante y su regulaci�n se observa en la escala global de un organismo animal o vegetal. Por ejemplo, en una elevaci�n o una disminuci�n de la temperatura de 25 a 30 grados cent�grados sobre el valor medio de la temperatura ambiente, los efectos t�rmicos se contraponen a los osm�ticos, de tal manera que se arriesga la sobrevivencia de los organismos, sobre todo la de las plantas, que dependen b�sicamente de la �smosis para la realizaci�n de sus procesos vitales.

NOTAS

1 El transporte activo no sigue el comportamiento termodin�mico irreversible lineal.