Ώσμωση

Χημικό δυναμικό

Ο διαλύτης μετακινείται αυθόρμητα προς κατεύθυνση που μειώνει το κατάλληλο ελεύθερο ενεργειακό δυναμικό υπό τους περιορισμούς της μεμβράνης.

Η παρουσία μη διαπερατού solute μειώνει το chemical potential του διαλύτη. Διαφορά πίεσης μπορεί να αντισταθμίσει αυτή τη διαφορά.

Ωσμωτική πίεση

Για αραιό ιδανικό διάλυμα, π=iMRT, όπου i είναι van 't Hoff factor, M molarity, R η σταθερά αερίων και T η απόλυτη θερμοκρασία.

Η σχέση είναι limiting model. Σε υψηλές συγκεντρώσεις χρειάζονται activities ή osmotic coefficients.

Μεμβράνη και εκλεκτικότητα

Η ώσμωση προϋποθέτει membrane selectivity. Αν solute περνά ελεύθερα, οι gradients μπορούν να χαθούν και η απλή εικόνα π=iMRT δεν αρκεί για steady state.

Σε βιολογικές μεμβράνες διαφορετικά solutes έχουν διαφορετικές permeabilities, άρα tonicity και osmolarity δεν είναι πάντα ισοδύναμες.

Tonicity

Hypotonic external solution μπορεί να προκαλέσει είσοδο νερού σε κύτταρο, ενώ hypertonic μπορεί να προκαλέσει έξοδο, όταν τα σχετικά solutes είναι αποτελεσματικά μη διαπερατά.

Tonicity είναι λειτουργική έννοια για cell volume σε συγκεκριμένη membrane, όχι απλώς συνολική concentration.

Aquaporins και kinetics

Aquaporins αυξάνουν πολύ την water permeability και αλλάζουν πόσο γρήγορα πλησιάζει το σύστημα σε equilibrium.

Δεν αλλάζουν την equilibrium direction της thermodynamic driving force· αλλάζουν κυρίως τον ρυθμό.

Reverse osmosis

Αν εφαρμοστεί πίεση μεγαλύτερη από την osmotic pressure στην concentrated πλευρά, ο καθαρός solvent flux μπορεί να αντιστραφεί.

Η αφαλάτωση με reverse osmosis απαιτεί επίσης αντιμετώπιση concentration polarization, membrane fouling και πραγματικών ενεργειακών απωλειών.

Ισορροπία δεν σημαίνει ακινησία

Στην osmotic equilibrium κατάσταση τα μόρια νερού συνεχίζουν να περνούν και προς τις δύο κατευθύνσεις. Αυτό που μηδενίζεται είναι το net flux, όχι η μικροσκοπική κίνηση.

Η διάκριση equilibrium από kinetics είναι ουσιώδης: δύο συστήματα μπορεί να έχουν ίδια τελική ισορροπία αλλά πολύ διαφορετικούς χρόνους απόκρισης λόγω membrane permeability.

Λυμένο παράδειγμα