L'osmose
L'osmose est un phénomène de diffusion de la matière mis en évidence lorsque des molécules de solvant traversent une membrane semi-perméable séparant deux solutions dont les concentrations en soluté sont différentes ; le transfert de solvant se fait alors de la solution la moins concentrée (milieu hypotonique) vers la solution la plus concentrée (milieu hypertonique) jusqu'à l'équilibre (milieux isotoniques).
Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie, à la fin du XIXe siècle ; mais elle est aussi particulièrement utile en physiologie et en biologie cellulaire pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants.
Principe de l'osmose.
Une différence de pression hydrostatique entre les deux liquides provoque un mouvement du solvant en sens inverse, jusqu'à ce que la pression osmotique soit aussi élevée que la pression hydrostatique. C'est le phénomène d´osmose inverse.
phénomène
On met en évidence l'osmose par le passage de molécules ou d’ions à travers une membrane qui sépare deux solutions de composition différente. Il faut que la membrane soit perméable à l'eau (ou au solvant de façon plus générale) et imperméable aux solutés (membranes hémi-perméable parfaite, sélective ou dyalisante).
Tant que les deux solutions ne contiennent pas le même nombre de particules dissoutes par unité de volume, on observe un déplacement de l'eau (ou du solvant) du compartiment le plus dilué vers le compartiment le plus concentré, qui tend à équilibrer les concentrations.
L’osmose est à l’origine de la turgescence et la plasmolyse de la cellule végétale.
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. Il faut bien comprendre que la pression osmotique se concrétise quand la part de la fraction molaire du solvant aqueux n'est pas égale à 1.
On pourrait imaginer que, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau sont en moins grand nombre et que donc il y a égalisation de ce nombre de molécules d'eau de chaque part de la membrane. Mais cet effet est très minime. En fait, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau (si le solvant est de l'eau) s'agglomèrent autour des molécules de soluté hydrophiles. Ces molécules accaparées ne traversent pas la membrane; l'important c'est la différence de concentration de «l'eau libre». Ainsi l'eau libre se déplace à partir de la solution où la concentration d'eau libre est élevée vers la solution où la concentration d'eau libre est faible, jusqu'à ce que les concentrations soient égales. Mais au bout du compte, le résultat est toujours le même : le solvant se déplace vers la solution dont la concentration de soluté est la plus élevée3.
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 se calcule par une formule développée par van't Hoff en 1886 et appliquant le deuxième principe de la thermodynamique.
\Pi \cdot V = -R \cdot T \cdot \ln (1 - x_2)
où
\Pi 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 absolue, en K ;
x_2 est la fraction molaire du soluté.
L'équation appliquée aux solutions réelles est, quant à elle,
\Pi \cdot V = -R \cdot T \cdot \ln (1 - \gamma \cdot x_2)
où \gamma est le coefficient d'activité du soluté.
Pour une solution très diluée, x_2 est proche de 0, et - \ln (1 - x_2) ≈ x_2. On peut donc simplifier l'équation en
\Pi = \frac{x_2 \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 :
\Pi = R \cdot T \cdot i \cdot M
où
i est le nombre de particules par entité formulaire
M est la concentration molaire (moles par mètre cube)
(On appelle i.M la concentration molaire colligative)
On remarque l'analogie avec la 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 \Pi_1 et \Pi_2, alors si \Pi_1 > \Pi_2, l’eau passe de 2 vers 1 ; 2 se concentre (\Pi_2 augmente) et 1 se dilue (\Pi_1 diminue), jusqu’à égalité entre les pressions osmotiques.
Tant que les deux solutions ne contiennent pas le même nombre de particules dissoutes par unité de volume, on observe un déplacement de l'eau (ou du solvant) du compartiment le plus dilué vers le compartiment le plus concentré, qui tend à équilibrer les concentrations.
L’osmose est à l’origine de la turgescence et la plasmolyse de la cellule végétale.
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. Il faut bien comprendre que la pression osmotique se concrétise quand la part de la fraction molaire du solvant aqueux n'est pas égale à 1.
On pourrait imaginer que, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau sont en moins grand nombre et que donc il y a égalisation de ce nombre de molécules d'eau de chaque part de la membrane. Mais cet effet est très minime. En fait, dans la solution la plus concentrée, les molécules d'eau (si le solvant est de l'eau) s'agglomèrent autour des molécules de soluté hydrophiles. Ces molécules accaparées ne traversent pas la membrane; l'important c'est la différence de concentration de «l'eau libre». Ainsi l'eau libre se déplace à partir de la solution où la concentration d'eau libre est élevée vers la solution où la concentration d'eau libre est faible, jusqu'à ce que les concentrations soient égales. Mais au bout du compte, le résultat est toujours le même : le solvant se déplace vers la solution dont la concentration de soluté est la plus élevée3.
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 se calcule par une formule développée par van't Hoff en 1886 et appliquant le deuxième principe de la thermodynamique.
\Pi \cdot V = -R \cdot T \cdot \ln (1 - x_2)
où
\Pi 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 absolue, en K ;
x_2 est la fraction molaire du soluté.
L'équation appliquée aux solutions réelles est, quant à elle,
\Pi \cdot V = -R \cdot T \cdot \ln (1 - \gamma \cdot x_2)
où \gamma est le coefficient d'activité du soluté.
Pour une solution très diluée, x_2 est proche de 0, et - \ln (1 - x_2) ≈ x_2. On peut donc simplifier l'équation en
\Pi = \frac{x_2 \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 :
\Pi = R \cdot T \cdot i \cdot M
où
i est le nombre de particules par entité formulaire
M est la concentration molaire (moles par mètre cube)
(On appelle i.M la concentration molaire colligative)
On remarque l'analogie avec la 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 \Pi_1 et \Pi_2, alors si \Pi_1 > \Pi_2, l’eau passe de 2 vers 1 ; 2 se concentre (\Pi_2 augmente) et 1 se dilue (\Pi_1 diminue), jusqu’à égalité entre les pressions osmotiques.
animation pour comprendre l'osmose : osmose animation
[center]La diffusion
[center]La diffusion
Exemple de mélange de deux produits par diffusion
La diffusion de la matière désigne la tendance naturelle d'un système à rendre homogènes les concentrations des espèces chimiques en son sein.
C'est un phénomène de transport irréversible qui se traduit par la migration d'espèces chimiques dans un milieu. Sous l'effet de l'agitation thermique on observe un déplacement des constituants des zones de forte concentration vers celles de faible concentration.
D'un point de vue phénoménologique, et au premier ordre, ce phénomène est régi par une loi énoncée par Adolf Fick.
C'est ce qui fait par exemple qu'une goutte d'encre va tendre à colorer toute la masse d'eau où elle est introduite, ou qu'une goutte de parfum produira une odeur perçue dans toute une pièce. Ce phénomène est plus rapide pour les gaz, et très lent au sein des matériaux secs, denses et durs. Il se produit plus rapidement dans les matériaux à haut coefficient de perméabilité (sable ou roche calcaire poreuse par exemple). Il peut être freiné ou accéléré par des interactions avec le substrat (cf. capillarité, précipitation...) ou selon les caractéristiques électrochimiques et électrostatiques des matières en présence, phénomène par exemple mis à profit pour séparer des molécules au dans certains gels exposés à un champ électrique.
Certains artisans et industriels (métallurgistes notamment) cherchent à contrôler le phénomène diffusion, qui est tantôt nuisible, tantôt utile (par exemple dans des procédés d'amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation), la résistance à la corrosion et les procédés d'assemblage par brasage). Le cristal résulte de la diffusion du plomb (25% environ de son poids) dans la matrice siliceuse du verre en fusion. Il est transparent pour le spectre visible de la lumière, mais opaque aux rayons X.
D'un point de vue phénoménologique, et au premier ordre, ce phénomène est régi par une loi énoncée par Adolf Fick.
C'est ce qui fait par exemple qu'une goutte d'encre va tendre à colorer toute la masse d'eau où elle est introduite, ou qu'une goutte de parfum produira une odeur perçue dans toute une pièce. Ce phénomène est plus rapide pour les gaz, et très lent au sein des matériaux secs, denses et durs. Il se produit plus rapidement dans les matériaux à haut coefficient de perméabilité (sable ou roche calcaire poreuse par exemple). Il peut être freiné ou accéléré par des interactions avec le substrat (cf. capillarité, précipitation...) ou selon les caractéristiques électrochimiques et électrostatiques des matières en présence, phénomène par exemple mis à profit pour séparer des molécules au dans certains gels exposés à un champ électrique.
Certains artisans et industriels (métallurgistes notamment) cherchent à contrôler le phénomène diffusion, qui est tantôt nuisible, tantôt utile (par exemple dans des procédés d'amélioration des caractéristiques mécaniques (traitements de surface comme la nitruration ou cémentation), la résistance à la corrosion et les procédés d'assemblage par brasage). Le cristal résulte de la diffusion du plomb (25% environ de son poids) dans la matrice siliceuse du verre en fusion. Il est transparent pour le spectre visible de la lumière, mais opaque aux rayons X.
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Dernière édition par aminetigh le Dim 25 Jan - 15:48, édité 2 fois
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