Pressione osmotica: osmosi, osmosi inversa e conservazione

Una membrana che lascia passare l’acqua ma non il soluto, due soluzioni a concentrazione diversa, e l’acqua che si muove spontaneamente da una parte all’altra fino a generare una pressione misurabile: è l’osmosi, e la spinta che la guida è la pressione osmotica. È la proprietà colligativa più importante per la biologia e per molte tecnologie, dalla dissalazione dell’acqua di mare alla conservazione degli alimenti.

Vediamo che cos’è l’osmosi, come si calcola la pressione osmotica, che cosa sono osmosi inversa e dialisi e perché sale e zucchero conservano il cibo.

Osmosi: l’acqua cerca l’equilibrio

Una membrana semipermeabile lascia passare le piccole molecole di solvente (l’acqua) ma trattiene le particelle di soluto. Se separa due soluzioni a concentrazione diversa, l’acqua si sposta spontaneamente dalla soluzione più diluita a quella più concentrata, nel tentativo di pareggiare le concentrazioni. Questo flusso netto di solvente attraverso la membrana è l’osmosi. Continua finché non si stabilisce un dislivello di pressione che lo bilancia: quella pressione di equilibrio è la pressione osmotica.

La legge di van’t Hoff per la pressione osmotica

La pressione osmotica Π di una soluzione diluita si calcola con una relazione formalmente identica alla legge dei gas ideali:

Π = i · M · R · T

dove Π è la pressione osmotica, i il fattore di van’t Hoff, M la molarità della soluzione, R la costante dei gas e T la temperatura assoluta. La somiglianza con l’equazione di stato dei gas non è casuale: le particelle di soluto disperse si comportano, in prima approssimazione, come un gas che «preme» contro la membrana. Anche qui ciò che conta è il numero di particelle, da cui il fattore i.

Osmosi inversa: dissalare l’acqua

Se all’osmosi naturale si oppone una pressione esterna superiore alla pressione osmotica, il flusso si inverte: l’acqua viene spinta fuori dalla soluzione concentrata, attraverso la membrana, lasciando indietro il soluto. È l’osmosi inversa, alla base degli impianti di dissalazione che ricavano acqua dolce dal mare e dei depuratori domestici. Si applica una pressione robusta (per l’acqua di mare oltre 50-70 bar) e si raccoglie acqua purificata sull’altro lato della membrana. La tecnologia ha reso accessibile acqua potabile in regioni aride di tutto il mondo.

Perché sale e zucchero conservano il cibo

La salatura e la conservazione sotto zucchero sono tecniche antichissime spiegate dalla pressione osmotica. Immergere un alimento in una soluzione molto concentrata di sale o zucchero crea fuori dalle cellule una pressione osmotica altissima: l’acqua esce dalle cellule dei tessuti e, soprattutto, dei microrganismi che potrebbero alterarlo. Privati dell’acqua, batteri e muffe non riescono a moltiplicarsi. È lo stesso motivo per cui una verdura salata «perde acqua» e una lumaca cosparsa di sale si disidrata. La conservazione non «uccide» chimicamente i microbi: li mette in un ambiente in cui non possono vivere.

Soluzioni isotoniche, ipertoniche, ipotoniche

In biologia e in medicina si classificano le soluzioni in base alla loro pressione osmotica rispetto a quella delle cellule. Una soluzione isotonica ha la stessa pressione osmotica del citoplasma: la cellula resta in equilibrio (è il caso della fisiologica allo 0,9% di NaCl usata nelle flebo). In una soluzione ipertonica, più concentrata, l’acqua esce e la cellula si raggrinzisce; in una ipotonica, più diluita, l’acqua entra e la cellula si gonfia fino, eventualmente, a scoppiare. È il motivo per cui i farmaci iniettabili devono essere accuratamente isotonici.

Tonicità delle soluzioni: cosa succede alle cellule

Riassumiamo come il rapporto tra la concentrazione esterna e quella interna alla cellula ne determina il comportamento:

Questa è la ragione per cui le soluzioni da infondere in vena sono rese isotoniche: una soluzione troppo diluita o troppo concentrata danneggerebbe i globuli rossi, facendoli gonfiare o raggrinzire. La pressione osmotica, da semplice proprietà colligativa, diventa un parametro clinico vitale.

Domande frequenti

Che cos’è la pressione osmotica?

È la pressione che occorre applicare a una soluzione per impedire l’ingresso di solvente puro attraverso una membrana semipermeabile. Misura la tendenza dell’acqua a entrare nella soluzione: più questa è concentrata, maggiore è la pressione osmotica. Si calcola con Π = i · M · R · T.

Che cos’è l’osmosi?

È il movimento spontaneo di solvente attraverso una membrana semipermeabile dalla soluzione più diluita a quella più concentrata, nel tentativo di pareggiare le concentrazioni. Il flusso continua finché non si genera un dislivello di pressione che lo bilancia, pari appunto alla pressione osmotica.

Come funziona l’osmosi inversa?

Si applica alla soluzione concentrata una pressione esterna superiore alla sua pressione osmotica: il flusso si inverte e l’acqua viene spinta fuori, attraverso la membrana, lasciando indietro il soluto. È il principio degli impianti di dissalazione dell’acqua di mare e dei depuratori domestici, che producono acqua purificata.

Perché il sale e lo zucchero conservano gli alimenti?

Perché creano intorno all’alimento una soluzione molto concentrata, con pressione osmotica elevata, che estrae l’acqua dalle cellule dei microrganismi presenti. Senza acqua batteri e muffe non possono moltiplicarsi. La conservazione sotto sale o sotto zucchero sfrutta quindi la disidratazione osmotica dei microbi.

Che differenza c’è tra soluzione isotonica, ipertonica e ipotonica?

Si confronta la pressione osmotica della soluzione con quella delle cellule. In una isotonica sono uguali e la cellula resta in equilibrio; in una ipertonica (più concentrata) l’acqua esce e la cellula si raggrinzisce; in una ipotonica (più diluita) l’acqua entra e la cellula si gonfia. Per questo i liquidi da infusione devono essere isotonici.