Osmose - Définition

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 semi-perméable, c’est-à-dire perméable uniquement à l'eau (ou au solvant de façon plus générale) et imperméable aux solutés.

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 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.

L'osmose inverse est une technique de purification de l'eau ; c'est aussi une technique de dessalement de l'eau de mer permettant la production d'eau douce.

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 égal 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 molécule 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 élevée.

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.

où

• 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 absolue, en K ;
• f_s est la fraction molaire du soluté.

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

où γ 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

 : 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 :

où

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

(On appelle i.M la concentration molaire colligative)

On remarque l'analogie avec la loi des gaz parfaits

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 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.