Cuando llega la temporada de preparar kimchi, se espolvorea sal gruesa sobre la col china y se deja en sal durante toda la noche. A la mañana siguiente, la col, que antes estaba rígida, se dobla con facilidad y en el fondo del recipiente se ha acumulado abundante agua. Si lo único que hicimos fue sumergirla en agua salada, ¿adónde fue el agua que contenía la col y por qué salió de ella? La respuesta es la ósmosis (Osmosis).
En términos sencillos, la ósmosis es el paso del agua del lado menos concentrado al más concentrado a través de una membrana fina que deja pasar el agua y retiene las sustancias disueltas. El agua se desplaza espontáneamente en el sentido que reduce la diferencia de concentración entre ambos lados de la membrana. Este sencillo principio opera en las células de nuestro cuerpo, en los tallos de las plantas y hasta en las plantas que convierten el agua de mar en agua potable.
Veremos en qué consiste la ósmosis, los tres factores que la impulsan, algunos ejemplos cotidianos y, por último, la ósmosis inversa, una técnica que invierte el sentido del proceso.
Principios y aplicaciones de la ósmosis
¿Qué es la ósmosis?
La primera descripción de la ósmosis data de 1748. El físico francés Jean-Antoine Nollet llenó de alcohol un frasco de vidrio, cubrió la boca con una vejiga animal húmeda, la ató y dejó el frasco en un recipiente grande con agua. Unas horas después, la membrana de la vejiga se había abombado hacia fuera y estaba tirante. Al pincharla con una aguja, el líquido del interior salió en un chorro de más de 30 cm de altura. El agua del exterior había seguido entrando en el frasco a través de la membrana.
Una membrana que deja pasar el agua y dificulta el paso de las sustancias disueltas se llama membrana semipermeable (Semipermeable Membrane). Si a ambos lados hay soluciones de distinta concentración, el agua pasa al lado más concentrado y el nivel del líquido en ese lado sube poco a poco. Para impedir ese paso, hay que aplicar presión en el lado más concentrado. La presión necesaria se llama presión osmótica (Osmotic Pressure).
Tres factores que impulsan la ósmosis
Para que se produzca la ósmosis deben darse tres condiciones.
(1) Membrana semipermeable
Sin una membrana, el agua y las sustancias disueltas simplemente se mezclan y se dispersan juntas. Para que el agua se desplace en un sentido determinado, hace falta una membrana que retenga las sustancias disueltas y deje pasar solo el agua. En 1877, el botánico alemán Wilhelm Pfeffer fabricó una membrana artificial resistente y midió con precisión la presión osmótica por primera vez.
(2) Diferencia de concentración
A la misma temperatura, si la concentración de las partículas de soluto que no pueden atravesar la membrana y la presión son iguales en ambos lados, no hay flujo neto de agua. Si las demás condiciones, como la diferencia de presión, se mantienen iguales, cuanto mayor sea la diferencia de concentración de las partículas de soluto, mayor será el efecto osmótico hacia el lado más concentrado.
(3) Número de partículas disueltas
La presión osmótica depende de cuántas partículas hay disueltas, con independencia de si la sustancia es sal o azúcar. El químico neerlandés Jacobus van ’t Hoff descubrió que la presión osmótica de una solución diluida se calcula como «concentración molar × constante de los gases × temperatura absoluta». Por este y otros aportes recibió en 1901 el primer Premio Nobel de Química.
La ósmosis en la vida cotidiana
La ósmosis se produce en lugares tan diversos como la cocina, el hospital y el jardín.
- Conservación en sal (Pickling). Al poner la col china en sal, aumenta la concentración fuera de las células, el agua sale de ellas y la col pierde firmeza.
- Rehidratación de pasas (Rehydration). Si se dejan en remojo unas pasas arrugadas en agua sola, el agua penetra en ellas y hace que se hinchen.
- Suero fisiológico (Normal Saline). La solución salina al 0.9 % que se usa en las infusiones intravenosas en los hospitales tiene una presión osmótica similar a la de la sangre. Si se introduce agua sola en un vaso sanguíneo, los glóbulos rojos absorben agua y revientan. Si se introduce una solución salina demasiado concentrada, se encogen.
- Presión de turgencia en las plantas (Turgor Pressure). El agua que entra en las raíces y en las células empuja la pared celular desde dentro, lo que mantiene erguidos y firmes los tallos y las hojas. Cuando falta agua, esta presión disminuye y la planta se ve marchita.
El mismo principio explica que una babosa se encoja al echarle sal y que un pez marino no sobreviva al pasarlo a agua dulce.
La ósmosis inversa, una técnica para invertir el sentido de la ósmosis
Si se aplica en el lado más concentrado una presión superior a la presión osmótica, el agua se ve forzada a pasar en sentido inverso, del lado más concentrado al menos concentrado. Este proceso se llama ósmosis inversa (Reverse Osmosis).
- Desalinización del agua de mar (Desalination). La presión osmótica del agua de mar equivale aproximadamente a 27 veces la presión atmosférica. Por eso, para filtrar la sal, las plantas desalinizadoras suelen empujar el agua de mar contra una membrana con una presión de entre 55 y 80 veces la presión atmosférica.
- Avances en la tecnología de membranas (Membrane Technology). Hacia 1960, Sidney Loeb y Srinivasa Sourirajan, de la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA), en Estados Unidos, descubrieron cómo fabricar una membrana fina que dejaba pasar el agua con rapidez. Esto permitió que la ósmosis inversa saliera del laboratorio.
- Purificador de agua doméstico (Water Purifier). Los purificadores por ósmosis inversa eliminan la mayoría de las sustancias disueltas. Conviene tener en cuenta que por cada 1 L de agua limpia que producen desechan un volumen mayor de agua y retienen también minerales como el calcio y el magnesio.
Hacia 2019, unas 1 decenas de millar y 6 mil plantas desalinizadoras en todo el mundo producían alrededor de 9,500 decenas de millar de toneladas de agua al día. La mayoría de las plantas que se construyen actualmente utilizan la ósmosis inversa.
También se investiga cómo aprovechar directamente la fuerza de la ósmosis. En la generación de energía osmótica (Osmotic Power), la diferencia de concentración entre el agua de río y la de mar hace que entre agua, cuya presión mueve una turbina para producir electricidad. En 2009 se inauguró en Noruega la primera central experimental del mundo. A finales de 2013 se anunció que se dejaría de invertir en la instalación por su escasa rentabilidad, aunque esta mostró que la propia diferencia de concentración que ofrece el mar puede convertirse en un nuevo recurso energético.
La ósmosis muestra cómo un pequeño desequilibrio en la concentración puede convertirse en una gran fuerza capaz de mover el agua. Poner en sal una col china y abastecer de agua potable a una ciudad del desierto se rigen por el mismo principio.
Imaginar la membrana invisible y el flujo del agua en una escena familiar de la cocina es el primer paso para comprender la química de la vida cotidiana.
