Osmose
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L' osmose désigne ce qui entraine 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 XIXe siècle. 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).
Sommaire |
Historique
En 1748, l'abbé Nollet remarque que lorsque lon 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.
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
- [1] S. Glasstone, Textbook of physical chemistry 2e éd. (1948), Macmillan Student Edition
Phénomène
On met en evidence 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 (semi-perméable) 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 diamètres ;
- 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 definit 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 semi-perméable (membrane hémiperméable). En biophysique, 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 de la pression d’un gaz composé, somme des pressions partielles).
La pression osmotique se calcule avec une formule analogue à celle des gaz parfaits. Elle a été établie empiriquement à la fin du XIXe siècle siècle et porte le nom de loi de van’t Hoff:
- <math>P = c \cdot R \cdot T</math>
où
- P est la pression osmotique, en Pa ;
- c est la concentration de la solution, en sommant toutes les espèces présentes ;
- R est la constante des gaz parfaits ;
- T est la température absolue, en K.
On voit l'analogie flagrante avec le loi des gaz parfaits
- <math>P \cdot V = n \cdot R \cdot T</math>
où
- V est le volume du gaz ;
- n est le nombre de moles de gaz ;
puisque la concentration se définit comme le nombre de moles divisé par le volume.
Considérons deux solutions aqueuses 1 et 2 de pression osmotique 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.
La pression oncotique est la pression osmotique due seulement aux protéines.
Voir également
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