004 – Ósmosis

Cada célula viva está rodeada por una membrana que deja pasar algunas sustancias y retiene otras. Esa selectividad es lo que permite a una célula conservar sus proteínas y azúcares mientras sigue intercambiando agua, sales y nutrientes con su entorno. El mismo principio se utiliza industrialmente en la purificación de agua y, de forma más familiar, en la diálisis renal, donde una máquina realiza la filtración que un riñón enfermo ya no puede hacer.

Una membrana de este tipo se describe como selectivamente permeableestá perforada por poros de un tamaño determinado, y el que una sustancia disuelta pueda cruzar depende principalmente de cuán grandes sean sus moléculas. Las moléculas pequeñas y los iones pasan fácilmente y se dispersan por difusión, moviéndose desde donde están concentradas hasta donde están diluidas hasta que se distribuyen uniformemente. Las moléculas grandes son simplemente demasiado grandes para caber y se quedan donde están. El agua misma cruza libremente en ambas direcciones, y su movimiento neto hacia el lado más concentrado es lo que propiamente se llama ósmosis.

En este laboratorio llenará una bolsa de diálisis con una mezcla de tres sustancias de tamaños moleculares muy diferentes —almidón, cloruro de sodio y glucosa— y la suspenderá en un vaso de precipitados con agua destilada. Una vez que se haya dejado que el sistema realice el intercambio, analizará tanto el agua que rodea la bolsa como el contenido de la bolsa misma para comprobar la presencia de las tres sustancias, utilizando una prueba química específica para cada una. Al comparar qué sustancias aparecen fuera de la bolsa y cuáles no, establecerá el límite de tamaño de la membrana sin necesidad de medir ningún poro.

Objetivos Educativos

Familiarización con el entorno del laboratorio

• Identifica la disposición y el equipamiento del laboratorio de ósmosis Proteus, incluyendo la bolsa de diálisis, el soporte universal y la pinza, la placa calefactora con su baño maría y la placa de pocillos utilizada para los ensayos de color.

Uso de equipo de protección

• Utilice guantes y protección ocular en todo momento. Tenga en cuenta en particular que el nitrato de plata mancha la piel y la ropa, y que el baño de maría opera por encima de los 70 °C.

Montaje y manipulación de una membrana de diálisis

• Cerrar, llenar y montar una bolsa de diálisis sin derramar su contenido en el agua circundante, una contaminación que invalidaría cada prueba posterior.
• Explique por qué la bolsa debe quedar sumergida pero no tanto como para que su abertura quede por debajo de la línea del agua.

Transferencia precisa de pequeños volúmenes

• Utilice una pipeta y una probeta graduada de 10 mL para combinar tres porciones de 3 mL, descartando el exceso entre sustancias para que no se produzca contaminación cruzada.

Realización de tres pruebas químicas específicas

• Realice la prueba de Lugol para almidón, la prueba de nitrato de plata para cloruro y la prueba de Fehling para un azúcar reductor, e indique cómo se ve un resultado positivo y uno negativo en cada caso antes de realizarla.
• Reconocer que la prueba de Fehling requiere calentar por encima de 70 °C y que su resultado se lee a partir de la aparición de un precipitado, y no solo por un cambio de color.

Diferenciar la difusión de la ósmosis

• Utiliza los resultados para explicar qué sustancias cruzaron la membrana y por qué, y separa el movimiento de los solutos disueltos del movimiento del agua.

Razonamiento a partir de una medición indirecta

• Deduza una propiedad de la membrana —su tamaño de poro aproximado— a partir de la identidad de las moléculas que la atravesaron y las que no.

Protocolo

Las soluciones de control (positivas)

NaCl y almidón

1. Con el gotero, coloque de 5 a 10 gotas de solución de almidón en el pocillo etiquetado como A.
2. Vacía el sobrante del gotero en el recipiente de recuperación.
3. Usando el gotero, ponga 5 a 10 gotas de la solución de cloruro de sodio en el pocillo etiquetado como D.
4. Vacía el exceso del gotero en el recipiente de recuperación.
5. Usando el gotero, agregue de 5 a 10 gotas de Lugol en el pocillo etiquetado como A.
6. Vacía el exceso del gotero en el recipiente de recuperación.
7. Con el gotero, añada 5 a 10 gotas de nitrato de plata en el pocillo marcado con la D.
8. Vacía el excedente del gotero en el recipiente de recuperación.
9. Agitar bien las copas A y D con la varilla de vidrio.

Las observaciones de las reacciones de control se encuentran en la tabla de resultados.

Glucosa

1. Llene 400 mL de agua del grifo en un vaso de precipitados de 500 mL.
2. Inserte la varilla magnética en el vaso de precipitados.
3. Coloque el vaso de precipitados en la placa calefactora y ajuste a 75 °C. Espere hasta que se alcance la temperatura.
4. Enciende el motor magnético (botón izquierdo).
5. Con la pipeta, introduzca 10 mL de solución de glucosa en el tubo de ensayo etiquetado G.
6. Usando la pipeta, añadir 10 mL de Fehling A al tubo de ensayo etiquetado G.
7. Usando la pipeta, añada 10 mL de Fehling B en el tubo de ensayo marcado con G.
8. Mezcle el contenido del tubo de ensayo agitándolo durante unos segundos.
9. Coloca una pinza universal en el soporte izquierdo, encima del vaso de precipitados de 500 ml preparado en el paso 1.
10. Engancha el tubo de ensayo etiquetado G a la pinza universal sobre el centro del vaso de precipitados.
11. Inserte el termómetro en el tubo de ensayo y espere a que la temperatura supere los 70 °C en el tubo de ensayo.
12. Toma el tubo de ensayo G y devuélvelo a su posición original en el gradilla para tubos de ensayo.
13. Mezcle el contenido del tubo de ensayo removiendo con la varilla de vidrio durante unos segundos.
14. Una vez completada la reacción en el tubo de ensayo (precipitación), baje la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
15. Apaga el motor magnético.

Las observaciones de la reacción de control se encuentran en la tabla de resultados.

Preparación de la bolsa de ósmosis y prueba de la solución inicial

1. Pon 300 mL de agua tibia del grifo en el vaso de precipitados de 600 mL.
2. Remoja la bolsa de diálisis en agua tibia para hacerla más flexible.
3. Coloca una tapa negra en la parte inferior de la bolsa de diálisis para cerrarla.
4. En la probeta graduada de 10 mL, vierta sucesivamente con la pipeta 3 mL de solución de almidón, 3 mL de cloruro de sodio y 3 mL de solución de glucosa. Entre cada sustancia, vacíe el excedente en el recipiente de recuperación.
5. Coloque la bolsa de diálisis horizontalmente sobre la encimera, con la abertura del lado ancho hacia arriba. Vierta el contenido de la probeta graduada en esta abertura.
6. Coloque el vaso de precipitados vacío de 250 ml junto al soporte universal a la derecha.
7. Coloque una pinza universal en el soporte universal derecho, encima del centro del vaso de precipitados.
8. Fije la bolsa de diálisis al soporte universal derecho, utilizando la pinza universal y coloque todo el conjunto verticalmente en el vaso de precipitados de 250 mL. Tenga cuidado de no verter el contenido de la bolsa de diálisis en el vaso de precipitados.
9. Vierta aproximadamente 200 ml de agua destilada en el vaso de precipitados de 250 ml de modo que el contenido de la bolsa quede sumergido en el agua. El agua no debe tocar el extremo donde se encuentra la abertura de la bolsa.
10. Usando el gotero, tome el líquido del vaso de precipitados en el que está sumergida la bolsa de diálisis. Coloque de 5 a 10 gotas de la solución en el pocillo B y de 5 a 10 gotas de la solución en el pocillo E.
11. Vacía el sobrante del gotero en el recipiente de recuperación.
12. Usando el gotero, agregue de 5 a 10 gotas de la solución de Lugol en el pocillo etiquetado como B.
13. Vacía el sobrante del gotero en el recipiente de recuperación.
14. Con el cuentagotas, añade 5 a 10 gotas de nitrato de plata en el pocillo etiquetado como E.
15. Vacía el exceso del gotero en el recipiente de recuperación.
16. Agite bien las copas B y E con la varilla de vidrio.
17. Coloca la placa calefactora sobre la que siempre está el vaso de precipitados con agua a 75°C. Espera a que se alcance la temperatura.
18. Enciende la placa de agitación magnética (botón izquierdo).
19. Usando la pipeta, ponga 10 mL en el tubo de ensayo etiquetado H del agua del vaso de precipitados en el que está sumergida la bolsa.
20. Con la pipeta, agregue 10 mL de Fehling A en el tubo de ensayo etiquetado H.
21. Usando la pipeta, agregue 10 mL de Fehling B en el tubo de ensayo etiquetado H.
22. Mezcle el contenido del tubo de ensayo agitándolo durante unos segundos.
23. Fija el tubo de ensayo etiquetado (H) a la pinza universal sobre el centro del vaso de precipitado.
24. Inserta el termómetro en el tubo de ensayo y espera hasta que se alcance una temperatura superior a 70°C en el tubo de ensayo.
25. Toma el tubo de ensayo (H) y devuélvelo a su ubicación inicial en el gradilla.
26. Mezcle el contenido del tubo de ensayo agitándolo durante unos segundos con la varilla de vidrio.
27. Baje la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
28. Apaga el agitador magnético.
29. Espera 24 h (usa el botón del reloj para avanzar el tiempo)

Prueba de la solución final

1. Usando el cuentagotas, tome el líquido del vaso de precipitados en el que se está remojando la bolsa de diálisis y coloque de 5 a 10 gotas de la solución en el pocillo C y de 5 a 10 gotas de la solución en el pocillo F.
2. Vacía el sobrante del gotero en el recipiente de recuperación.
3. Con el gotero, añade entre 5 y 10 gotas de solución de Lugol en el pocillo marcado con la letra C.
4. Vacía el exceso del gotero en el recipiente de recuperación.
5. Con el cuentagotas, añade entre 5 y 10 gotas de nitrato de plata en el pocillo marcado con la letra F.
6. Vacía el exceso del gotero en el recipiente de recuperación.
7. Agite bien las copas C y F usando la varilla de vidrio.
8. Coloca la placa calefactora sobre la que siempre está el vaso de precipitados con agua a 75°C. Espera a que se alcance la temperatura.
9. Enciende la placa de agitación magnética (botón izquierdo).
10. Usando la pipeta, pon 10 mL en el tubo de ensayo marcado con la I del agua del vaso de precipitados en el que se está remojando la bolsa.
11. Usando la pipeta, añade 10 ml de Fehling A al tubo de ensayo marcado con I.
12. Usando la pipeta, agregue 10 mL de Fehling B al tubo de ensayo etiquetado como I.
13. Mezcle el contenido del tubo de ensayo agitándolo durante unos segundos.
14. Fija el tubo de ensayo etiquetado (I) a la pinza universal encima del centro del vaso de precipitados.
15. Introduce el termómetro en el tubo de ensayo y espera hasta que la temperatura en el tubo supere los 70 °C.
16. Tome el tubo de ensayo (I) y devuélvalo a su ubicación original en el gradilla.
17. Mezcle el contenido del tubo de ensayo removiendo con la varilla de vidrio durante unos segundos.
18. Baje la temperatura de la placa calefactora a 15°C.
19. Apaga el agitador magnético.

Las observaciones se encuentran en la tabla de resultados.

• Un resultado positivo para la presencia de carbohidratos complejos dará lugar a una coloración azul-negra (complejo yodo-almidón) en el pocillo (prueba de Lugol).
• Un resultado positivo para la presencia de NaCl dará lugar a un precipitado blanco (AgCl) en el pocillo (reacción con nitrato de plata).
• Un resultado positivo para la presencia de carbohidratos simples dará como resultado un precipitado rojo ladrillo (Cu2O) en el tubo de ensayo (reacción de Fehling).

Resultados esperados

Las tres sustancias y sus tamaños. El resultado del experimento se decide casi por completo por el tamaño molecular, por lo que vale la pena colocar los tres uno al lado del otro antes de ver los resultados.

Resultados esperados. Tanto el agua que rodea la bolsa como el contenido de la bolsa se analizan para detectar las tres sustancias.

La prueba del almidón. La solución de Lugol contiene yodo junto con yoduro de potasio, que se combinan para dar triyoduro, I₂ + I⁻ → Yo₃⁻. Es el ion triyoduro, y no el yodo o el yoduro por separado, el que produce el color: se inserta en la hélice de la cadena de amilosa, y el complejo huésped-anfitrión resultante absorbe fuertemente en la región visible para dar el característico azul negruzco. El yoduro por sí solo no da color con el almidón, razón por la cual el reactivo debe contener ambos.

La prueba de cloruros. Los iones de plata y los iones de cloruro se combinan para dar un precipitado que es esencialmente insoluble en agua:

Plata⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_español = 1,8 × 10⁻¹⁰

Porque K_español es tan pequeña, aparece una turbidez a concentraciones de cloruro muy inferiores a las que el ojo podría detectar de otro modo, lo que convierte a esta en una prueba sensible para una sustancia que ha cruzado la membrana en una cantidad modesta.

La prueba de glucosa. El reactivo de Fehling se suministra como dos soluciones que se combinan inmediatamente antes de su uso. El Fehling A es sulfato de cobre(II); el Fehling B es tartrato de sodio y potasio en hidróxido de sodio aproximadamente 2,5 M. Al mezclarlas se obtiene una solución de color azul intenso en la que el tartrato mantiene el cobre(II) en solución como un complejo soluble; sin ese tartrato fuertemente alcalino, el cobre simplemente precipitaría como hidróxido de cobre(II) y el reactivo no serviría para nada.

La glucosa es un azúcar reductor: lleva un grupo aldehído que se oxida al calentar, y el cobre(II) se reduce a cambio a cobre(I), lo que abandona la solución como un precipitado de color rojo ladrillo de óxido de cobre(I):

RCHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → RCOO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

La reacción requiere tanto calor como un medio fuertemente alcalino, razón por la cual el tubo de ensayo se lleva a más de 70 °C en el baño de maría. El aspecto esperado del tubo G es, por lo tanto, azul oscuro antes de calentar y un precipitado rojo ladrillo después de calentar. Una lectura errónea frecuente es esperar que el azul se intensifique; no lo hace: el azul es el complejo de cobre(II) que se está consumiendo, y su desaparición bajo el precipitado rojo es el resultado positivo.

La difusión y por qué se detiene. La glucosa y los iones se mueven porque sus concentraciones difieren en ambos lados de la membrana. El movimiento neto continúa a favor de ese gradiente hasta que las concentraciones se igualan, momento en el cual los cruces en ambas direcciones se equilibran y el sistema alcanza el equilibrio. Ningún elemento bombea los solutos; el proceso no requiere aporte de energía y no puede mover una sustancia en contra de su propio gradiente.

Ósmosis, que es un efecto separado. El agua también cruza la membrana y se mueve preferentemente hacia el lado donde la concentración total de solutos disueltos es mayor. Al principio, ese es el interior de la bolsa, por lo que el agua entra y la bolsa se vuelve notablemente más firme. La presión que tendría que aplicarse para detener ese flujo es la presión osmótica, dada para una solución diluida por la relación de van 't Hoff:

Π = i M R T dónde i es el número de partículas que libera cada unidad fórmula, M la molaridad, R = 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹ y T la temperatura absoluta.

El cloruro de sodio contribuye el doble a esta presión que la misma molaridad de glucosa, porque se disocia en dos iones mientras que la glucosa permanece como una sola molécula. El almidón casi no contribuye a pesar de su masa, ya que la presión osmótica cuenta partículas en lugar de gramos; una sola molécula de almidón que transporta miles de unidades de glucosa ejerce el efecto osmótico de una sola partícula. Esta es la ilustración más clara en el laboratorio de que la presión osmótica es una propiedad coligativa.

Una nota sobre el nombre de este laboratorio. Estrictamente, el movimiento de los solutos disueltos a través de la membrana es difusión, o diálisis cuando una membrana separa ambos lados; la ósmosis se refiere específicamente al movimiento del disolvente. Ambos ocurren aquí al mismo tiempo, y a una clase de último año se le puede pedir razonablemente que identifique qué observación demuestra cuál.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

• Enfoque: la permeabilidad selectiva como propiedad observable y la lectura correcta de una prueba química.
• Actividades ensamblar y montar la bolsa de diálisis; realizar las tres pruebas en ambas muestras y registrar cada una como positiva o negativa en una tabla; indicar qué sustancia no salió de la bolsa; describir en términos sencillos por qué una molécula grande no puede pasar a través de una abertura pequeña; notar que la bolsa se siente más firme al final que al principio.

Undécimo grado

• Enfoque: difusión a lo largo de un gradiente de concentración y la química de cada prueba.
• Actividades relacione el resultado de aprobado o no aprobado de cada sustancia con su masa molar; escriba la ecuación iónica para la prueba de nitrato de plata y explique por qué una K pequeña_español lo hace sensible; explica por qué la prueba de Fehling requiere calor y álcali, y por qué el azul desaparece en lugar de intensificarse; predice qué se observaría si la bolsa se hubiera llenado con agua destilada y se hubiera suspendido en la solución mixta en su lugar.

12.º curso / Nivel universitario

• Enfoque: la ósmosis como propiedad coligativa y la distinción entre diálisis y ósmosis.
• Actividades usa Π = iMRT para comparar las contribuciones osmóticas de molaridades iguales de cloruro de sodio, glucosa y almidón, y explica por qué el almidón no aporta casi nada a pesar de su masa; identifica qué observaciones en el experimento demuestran la difusión de solutos y cuáles demuestran el movimiento de disolventes; estima un límite superior para el tamaño de poro de la membrana a partir de la identidad de la molécula más grande que la atravesó; analiza qué limita la sensibilidad de cada una de las tres pruebas y cuál de las tres sería la menos confiable para detectar una pequeña cantidad que hubiera cruzado.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Vasos de precipitados (250 mL, 500 mL y 600 mL)
• bolsa de diálisis
• Tapa negra (para cerrar la bolsa)
• Soporte universal
• Abrazadera universal
• Placa de pocillos
• Tubos de ensayo y gradilla para tubos de ensayo
• Goteros
• Pipeta
• Probeta graduada (10 mL)
• Varilla de vidrio
• Placa calefactora con baño maría
• Barra magnética
• Termómetro
• Guantes y protección ocular

Productos

• Solución de almidón
• Solución de cloruro de sodio
• Solución de glucosa
• Solución de Lugol 2 %
• Solución de nitrato de plata
• Solución A de Fehling (sulfato de cobre(II))
• Solución B de Fehling (tartrato de sodio y potasio en aproximadamente 2,5 M de NaOH)
• Agua destilada