Osmose

L’osmose désigne ce qui entraîne la diffusion des molécules d'un solvant à travers une membrane semiperméable s'il y a un différentiel de concentration : lorsque deux solutions (liquides ou mélange de gaz) sont séparées par une membrane laissant passer certaines molécules, le passage des molécules d'une solution à l'autre va se produire jusqu'à un équilibre. Cet équilibre peut être modifié en contrôlant la pression dans l'une ou l'autre des solutions.

Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie, à la fin du . Particulièrement utile en biochimie pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants, elle explique l'état diffus de certains éléments dans une solution (visible avec le café soluble dans l'eau par exemple).

Historique

En 1748, l'abbé Nollet remarque que lorsque l'on sépare de l'eau et de l'alcool par une vessie animale, l'eau passe dans l'alcool mais jamais l'inverse. Dans ses travaux sur les solutions aqueuses menés entre 1827 et 1832, René Dutrochet propose les termes « d'endosmose » et « d'exosmose » pour désigner ce phénomène. K. Vicrordt s'intéresse également à ce phénomène en 1848. En 1854, Thomas Graham travaille sur les substances colloïdes et découvre qu'elles ne peuvent pas passer une membrane animale.

C'est M. Traube, en 1864, qui conçoit la première membrane artificielle en ferrocyanure de cuivre Cu₂Fe(CN)₆. En 1877, Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer (1845-1920) fait précipiter le ferrocyanure de cuivre dans un matériau poreux, ce qui permet d'avoir une membrane avec une bonne résistance mécanique.

En 1884, de Vries travaille sur la plasmolyse et la turgescence des cellules végétales.

En 1886, van 't Hoff publie une analogie entre les solutions aqueuses et les gaz parfaits et applique la thermodynamique à l'osmose. Il établit une loi similaire à la loi de Gay-Lussac et propose l'adjectif « semiperméable » pour désigner les membranes. Il reçoit le prix Nobel de chimie en 1901 pour ses travaux.

En 1899, A. Crum Brown utilise trois phases liquides (une solution aqueuse de nitrate de calcium saturée en phénol en bas, couche de phénol pur au milieu et une solution d'eau saturée en phénol en haut). Il remarque un phénomène d'osmose (l'eau passe de la phase du haut vers la phase du bas), la phase liquide du milieu jouant le rôle de membrane semiperméable. Il établit ainsi l'importance de la solubilité de l'espèce diffusante dans la membrane.

Entre 1901 et 1923, H. N. Morse et J. C. W. Frazer mènent un travail systématique de mesure de la perméabilité pour différents précipités gélatineux : des ferrocyanures et des phosphates d'uranyl, de fer, de zinc, de cadmium et de manganèse.

Bibliographie: S. Glasstone, Textbook of physical chemistry 2 éd. (1948), Macmillan Student Edition

Phénomène

On met en évidence l'osmose par le passage de molécules ou d’ions à travers une membrane, lorsqu’il y a deux solutions de composition différente de chaque côté.

Pour que l’on parle d’osmose, la membrane doit être imperméable à certaines espèces et en laisser passer d’autres par diffusion. En général, la membrane (semiperméable) est imperméable à certaines molécules et en laisse passer d'autres, dont le solvant (en général l’eau).

L’osmose est à l’origine de la turgescence et la plasmolyse de la cellule végétale.

On peut expliquer le phénomène de deux manières :

la taille des molécules : si la membrane est poreuse, les molécules plus grosses que les pores ne peuvent pas passer ; le solvant peut aussi s'adsorber sur la surface des pores et en diminuer le diamètre ;
la solubilité de l'espèce dans la membrane : ceci a été mis en évidence par les membranes semiperméables liquides : si une espèce est soluble dans la membrane, elle pourra diffuser, si elle n'est pas soluble, elle ne pourra pas franchir la membrane.

Notons que la dissolution peut avoir lieu dans une membrane solide (solution solide).

Potentiel chimique

Pression osmotique

La pression osmotique, se définit comme la pression minimum qu’il faut exercer pour empêcher le passage d’un solvant d’une solution moins concentrée à une solution plus concentrée au travers d’une membrane semiperméable (membrane hémiperméable). En biophysique, on distingue la pression oncotique qui est la part de la pression osmotique due aux protéines.

La pression osmotique se calcule avec une formule issue de la thermodynamique valable pour une solution idéale.

p \cdot V = -R \cdot T \cdot ln (1 - f_s)

où

$p$ est la pression osmotique, en Pa ;
$V$ est le volume occupé par le solvant ;
$R$ est la constante des gaz parfaits ;
$T$ est la température absolue, en K ;
$f_s$ est la fraction molaire du soluté.

L'équation appliquée aux solutions réelles est, quant à elle,

p \cdot V = -R \cdot T \cdot ln (1 - \gamma f_s)

où

\gamma

est le coefficient d'activité du soluté.

Pour une solution très diluée, $f_s$ est proche de 0, et $- ln (1 - f_s)$ ≈ $f_s$ . On peut donc simplifier l'équation en

p =  \frac{f_s \cdot R \cdot T}{V} = c \cdot R \cdot T

: c'est la loi de van't Hoff

où

$c$ est la concentration de la solution (en sommant toutes les espèces présentes).

On peut également l'écrire comme ceci :

p = R \cdot T \cdot i \cdot M

où

$i$ est le nombre de particules par entité formulaire
$M$ est la concentration molaire (moles par litre)

(On appelle

i \cdot M

la concentration molaire colligative)

On voit l'analogie flagrante avec le loi des gaz parfaits

p \cdot V = n \cdot R \cdot T

où

V est le volume du gaz ;
n est le nombre de moles de gaz ;

Considérons deux solutions aqueuses 1 et 2 de pressions osmotiques p₁ et p₂, alors si p₁ > p₂, l’eau passe de 2 vers 1 ; 2 se concentre (p₂ augmente) et 1 se dilue (p₁ diminue), jusqu’à égalité entre les pressions osmotiques.

Pression osmotique et pression hydrostatique

La pression osmotique est aussi une pression mécanique, exerçant une force sur la membrane. Si la différence de pression osmotique est très grande, cela peut entraîner la rupture de la membrane (cas de l’hémolyse).

À l’inverse, si l’on exerce une pression mécanique (hydrostatique), on peut forcer le passage d’espèces à travers la membrane. C’est ce qui arrive lors d’un œdème aigu du poumon, et c’est ce que l’on utilise dans l’osmose inverse. Ce phénomène est aussi observable sur les œufs des poissons d'aquarium qui peuvent éclater ou s'écraser selon la différence de pression osmotique de chaque côté de la membrane, la coquille.

La pression oncotique est la pression osmotique due seulement aux protéines.

Voir également

Thermodynamique