Osmose
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Osmose
Osmose

L’osmose désigne le phénomène de diffusion de molécules de solvant (l'eau de façon générale) à travers une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides de concentrations en soluté différentes. Le passage de solvant d'un compartiment à l'autre va créer une différence de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) hydrostatique qui va compenser exactement la différence de pression osmotique.

Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces...), à la fin du XIXe siècle mais elle est aussi particulièrement utile en physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science)...) et en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) cellulaire pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants.

Historique

En 1748 ou 1749, l'abbé Nollet remarque que lorsque l'on sépare de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et de l'alcool par une vessie (La vessie est l'organe du système urinaire dont la fonction est de recevoir l'urine terminale produite par les reins puis de la conserver avant son évacuation au cours...) animale, l'eau passe dans l'alcool mais jamais l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...). 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 (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) une membrane animale.

C'est M. Traube, en 1864, qui conçoit la première membrane artificielle en ferrocyanure de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à pêche....) Cu2Fe(CN)6. En 1877, Wilhelm Friedrich Philipp Pfeffer (1845-1920) fait précipiter le ferrocyanure de cuivre dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et mise...) poreux, ce qui permet d'avoir une membrane avec une bonne résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...).

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 (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas...) parfaits et applique la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première...) à l'osmose (L’osmose désigne le phénomène de diffusion de molécules de solvant (l'eau de façon générale) à travers une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides de concentrations en...). Il établit une loi similaire à la loi de Gay-Lussac (La loi de Gay-Lussac est une des lois de la thermodynamique. Elle relie le volume et la température d'un gaz réel tenu à une pression constante p°.) et propose l'adjectif " semiperméable " pour désigner les membranes. Il reçoit le prix Nobel de chimie (Le prix Nobel de chimie est décerné une fois l'an, depuis 1901, par l'Académie royale des sciences de Suède à un scientifique dont l'œuvre et les...) en 1901 pour ses travaux.

En 1899, A. Crum Brown utilise trois phases liquides (une solution aqueuse de nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) du haut vers la phase du bas), la phase liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) du milieu jouant le rôle de membrane semiperméable. Il établit ainsi l'importance de la solubilité de l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la...) diffusante dans la membrane.

Entre 1901 et 1923, H. N. Morse et J. C. W. Frazer mènent un travail systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour objet de dénombrer et de classer les taxons dans un certain ordre, basé sur des principes divers. Elle ne...) de mesure de la perméabilité pour différents précipités gélatineux : des ferrocyanures et des phosphates d'uranyl, de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant...), de zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), de cadmium (Le cadmium est un élément chimique de symbole Cd et de numéro atomique 48.) et de manganèse.

Bibliographie
[1] S. Glasstone, Textbook of physical chemistry 2e 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la...) de chaque côté.

Le phénomène d'osmose nécessite la présence de deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable, c’est-à-dire perméable uniquement à l'eau (ou au solvant de façon plus générale) et imperméable aux solutés. Lorsque les deux solutions ne contiennent pas le même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de particules dissoutes par unité de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.), on observe un mouvement d'eau qui va tenter de compenser cette différence de concentration en diluant le compartiment le plus concentré.

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

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 (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.), on distingue la pression oncotique qui est la part de la pression osmotique due aux protéines.

La pression osmotique est proportionnelle aux concentrations de soluté de part et d’autre de la membrane et de la température ; lorsque l’on est en présence de plusieurs solutés, il faut prendre en compte la totalité des solutés (à la manière d’un gaz composé, somme des pressions partielles).

La pression osmotique d'une solution idéale (En chimie, une solution est dite idéale si les interactions propres entre les molécules d'une même espèce sont identiques aux interactions mutuelles entre les molécules d'espèces...) se calcule par une formule développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales...) par van't Hoff en 1886 et appliquant le deuxième principe de la thermodynamique.

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

  • Π est la pression osmotique, en Pa ;
  • V est le volume molaire occupé par le solvant ;
  • R est la constante des gaz parfaits ;
  • T est la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un résinoïde par extraction à l’éthanol à...), en K ;
  • fs est la fraction molaire du soluté.

L'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement pour poser le problème de leur identité. Résoudre l'équation consiste à déterminer toutes les façons de donner à...) appliquée aux solutions réelles est, quant à elle,

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

γ est le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) d'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) du soluté.

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

\Pi =  \frac{f_s \cdot R \cdot T}{V} = c \cdot R \cdot T : c'est la loi de van't Hoff

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

On peut également l'écrire comme ceci :

\Pi = R \cdot T \cdot i \cdot M

  • 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 avec le loi des gaz parfaits

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

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

Considérons deux solutions aqueuses 1 et 2 de pressions osmotiques Π1 et Π2, alors si Π1 > Π2, l’eau passe de 2 vers 1 ; 2 se concentre (Π2 augmente) et 1 se dilue (Π1 diminue), jusqu’à égalité entre les pressions osmotiques.

Pression osmotique et pression hydrostatique

La pression osmotique est aussi une pression mécanique, exerçant une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) 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 (Le poumon est un organe invaginé permettant d'échanger des gaz vitaux, notamment l'oxygène et le dioxyde de carbone. L'oxygène est nécessaire au métabolisme de...), et c’est ce que l’on utilise dans l’osmose inverse. Ce phénomène est aussi observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un paramètre...) sur les œufs des poissons (Les Poissons sont une constellation du zodiaque traversée par le Soleil du 12 mars au 18 avril. Dans l'ordre du zodiaque, elle se situe entre le Verseau à l'ouest et le...) d'aquarium qui peuvent éclater ou s'écraser selon la différence de pression osmotique de chaque côté de la membrane, la coquille.

L'osmose inverse (L’osmose inverse est un système de purification de l'eau contenant des matières en solution par un système de filtrage très fin qui ne laisse passer que...) est une technique de purification de l'eau ; c'est aussi une technique de dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un processus qui permet d'obtenir de l'eau douce, (potable ou, plus rarement en raison...) de l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) permettant la production d'eau douce.

Notes et références de l'article

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