Muchos de los fenómenos que ocurren en los sistemas vivientes, relacionados con el agua y los compuestos que lleva en solución, implican el desplazamiento de las moléculas que los forman, entre los diferentes compartimentos, separados por membranas, que constituyen a un ser vivo. Como se analizó en el capítulo anterior, cualquier proceso que ocurre en este universo implica transformaciones de un tipo de energía en otro; el movimiento del agua, por ello, está regido por las leyes fundamentales de la termodinámica. Enseguida se analizará una forma sencilla para describir los cambios energéticos que ocurren cuando el agua y los compuestos disueltos en ella se desplazan. Puede haber movimientos exergónicos o endergónicos, los cuales tienen las características que ya conocemos. (Se analizan en el Capítulo 1).
Cuando el agua se desplaza espontáneamente de una región A, a una región B, sigue los principios universales de la segunda ley de la termodinámica, es decir, pasa de la situación con mayor energía en A, a una situación de menor energía en B, y el proceso que ocurre es exergónico. La energía cinética necesaria para que se desplace el agua es obtenida de la energía potencial almacenada en el líquido que es mayor en la región A que en la B. Se usa la expresión: movimiento a favor de un gradiente de concentración, para decir que ocurre un fenómeno con las características señaladas.
En cambio, si se dice que el agua se mueve en contra de un gradiente de concentración, se refiere a que el agua se traslada de una región con menor energía a una con mayor cantidad, en este caso el desplazamiento es no espontáneo y por tanto el proceso es endergónico y requiere de una fuente de energía producida por algún proceso exergónico.
El potencial químico de una substancia es la energía libre, por mol, que tiene almacenada y es una medida de su capacidad de desplazamiento. La naturaleza tiende a estados mínimos de energía libre, por tanto, cuanto más potencial químico tenga un compuesto, posee mayor capacidad de movimiento, esto es debido a que un mayor potencial químico implica más energía libre disponible, la cual, al transformarse en energía cinética, produce mayor capacidad de movimiento. Por ejemplo, una masa de agua que se encuentra en una parte muy elevada, tiene más capacidad para desplazarse espontáneamente, que una que se encuentre en un punto más bajo.
Un compuesto con un valor de potencial químico alto es inestable, comparado con otro con potencial químico bajo y el primero tenderá a alcanzar espontáneamente un potencial más bajo, ya sea reaccionando o moviéndose exergónicamente.
Al potencial químico del agua se le llama Potencial Hídrico, se representa con la letra Griega psi (Ψ) y tiene unidades de presión. (Fuerza por unidad de área).
El agua tiende a moverse, espontáneamente (exergónicamente), de una región en donde su potencial hídrico es mayor, a otra, en donde este valor es menor. Para que el agua se mueva en sentido contrario, (no espontáneamente), se requiere energía proporcionada por algún proceso exergónico.
Supongamos que se tiene una región A, en donde hay agua que tiene un valor de potencial ΨA y otra región B con el líquido con un potencial ΨB. Cuando el agua se desplaza de A hacia B, puede suceder uno de los siguientes casos:
Caso 1: Si ΨA > ΨB, el agua se mueve espontáneamente de A hacia B. Figura (2.1).
Caso 2: Si ΨA < ΨB, el agua se mueve no espontáneamente de B hacia A. (Figura 2.2).
Se ha convenido asignar, de manera arbitraria, un valor de cero al potencial hídrico del agua ultrapura que se encuentra a la presión atmosférica. (Figura 2.3).
Cuando existe la presencia de alguna molécula disuelta en el agua (soluto) y la presión es la atmosférica, el potencial hídrico es menor que cero y tiene un valor proporcional a la concentración de soluto: a mayor concentración, Ψ es más negativo (Figura 2.3). Si a una solución se le aumenta la presión por encima de la atmosférica, el valor del potencial aumenta. (Figura 2.4).
Considérense los casos siguientes como ejemplos:
Caso 1: El agua es ultrapura, entonces Ψ = 0, al aumentar la presión, el valor del potencial se hace positivo.
Caso 2: Se tiene agua con algún soluto y se encuentra a la presión atmosférica, entonces Ψ < 0, al aumentar la presión, el valor del potencial se hace menos negativo o positivo dependiendo del valor de la presión aplicada.