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Définition de base :

L'osmose est un phénomène naturel où des molécules de solvant, habituellement de l'eau, se déplacent à travers une membrane semi-perméable d'une zone de concentration plus faible vers une zone de concentration plus élevée, sans nécessiter d'énergie supplémentaire. Ce phénomène s'arrête lorsque les deux liquides séparés par la membrane atteignent la même concentration, créant des milieux équilibré dit isotoniques. Cette notion, fondamentale en chimie, physiologie et biologie cellulaire, a permis de mieux comprendre les échanges chimiques au sein des organismes vivants.

Définition intermédiaire :

L'osmose est un processus passif complexe impliquant le passage sélectif de molécules de solvant, habituellement de l'eau, à travers une membrane semi-perméable. Ce mouvement se dirige du milieu hypotonique vers l'hypertonique jusqu'à atteindre un équilibre, créant ainsi des milieux isotoniques. La pression osmotique, régulée par la différence de concentration de solutés, est compensée par la pression hydrostatique. Cette compréhension a des implications significatives en chimie, en physiologie et en biologie cellulaire, éclairant les mécanismes d'osmose et d'équilibre osmotique au sein des systèmes biologiques.

Définition avancée :

L'osmose, mécanisme de transport passif, décrit le déplacement sélectif de molécules de solvant, principalement de l'eau, à travers une membrane semi-perméable. Initiée par la différence de concentration, elle conduit à la formation de milieux isotoniques lorsque l'équilibre est atteint. La pression osmotique, résultante de cette différence, est la force motrice qui guide le solvant d'une région de moindre tonicité vers une région de tonicité plus élevée. Ce processus est fondamental pour des mécanismes biologiques tels que l'absorption cellulaire et le maintient de l'équilibre osmotique dans les systèmes biologiques.

Définition approfondie :

L'osmose est un mécanisme physico-chimique où des molécules de solvant, principalement de l'eau, traversent une membrane semi-perméable en raison d'une différence de concentration de solutés, créant ainsi une pression osmotique. Cette pression osmotique, résultant du potentiel osmotique, induit un déplacement du solvant de la région de moindre concentration (milieu hypotonique) vers celle de plus grande concentration (milieu hypertonique), atteignant un état d'équilibre osmotique (milieu isotonique). La tonicité, qui mesure la variation de concentration, influence la direction du flux osmotique. L'osmose joue un rôle fondamental en biologie cellulaire, contribuant à l'absorption des nutriments et à la régulation osmotique. Les mécanismes d'osmorégulation permettent aux organismes de maintenir un équilibre osmotique interne optimal face à des variations environnementales. Ainsi, l'osmose, illustrant des concepts avancés de transport passif, devient un concept central dans la compréhension des processus biologiques et chimiques complexes.

Un peu d'Histoire

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'inverse1. 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 à travers une membrane animale. C'est alors que le terme « osmose » a été créé en 1854 par ce chimiste écossais à partir du grec ὠσμός qui signifie « poussée »2.

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 dans sa forme à la loi des gaz parfaits, 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. L'osmose fut découverte par Dutrochet (1826) qui imagina un appareil (osmomètre) constitué d'un réservoir de verre, sorte de cylindre vertical dont la base est obturée par une membrane hémiperméable (vessie de porc) et dont la partie supérieure est reliée à un long tube vertical de petit calibre. Si ce récipient est rempli d'une solution sucrée colorée et plongé dans un cristallisoir contenant de l'eau, les deux concentrations, interne et externe, ont tendance à s'égaliser, mais comme seule l'eau peut franchir la membrane, les échanges se réduisent à une entrée d'eau dans l'osmomètre, et le liquide monte dans le tube. Tout se passe comme si les molécules de sucre attiraient l'eau extérieure. Le mouvement se poursuit jusqu'à ce que la pression hydrostatique créée par la dénivellation dans le tube équilibre l'attraction exercée sur l'eau par la solution. Cette pression est dite pression osmotique (p.o.) de la solution. Plus elle est élevée, plus l'attraction exercée sur l'eau est grande. Deux solutions de p.o. égales sont dites isotoniques ; mises de part et d'autre d'une membrane hémiperméable, elles donnent lieu à aucun échange d'eau. Quand une solution a une p.o. plus élevée qu'une autre, elle est dite hypertonique par rapport à la seconde, celle-ci étant hypotonique par rapport à la première. L'osmose est un cas particulier de la diffusion, mouvement spontané des particules d'un système qui tend à homogénéiser les potentiels chimiques des constituants dans les différentes parties. Quand deux solutions sont séparées par une membrane hémiperméable, le potentiel chimique de l'eau est plus bas dans la solution hypertonique que dans l'autre, d'où l'attraction exercée. Le traitement thermodynamique d'un tel système conduit à la loi de Van't Hoff : π = NRT, où π est la p.o. ; N, le nombre de particules libres, osmotiquement actives, par unité de volume ; R, la constante des gaz parfaits ; T L'osmose fut découverte par Dutrochet (1826) qui imagina un appareil (osmomètre) constitué d'un réservoir de verre, sorte de cylindre vertical dont la base est obturée par une membrane hémiperméable (vessie de porc) et dont la partie supérieure est reliée à un long tube vertical de petit calibre. Si ce récipient est rempli d'une solution sucrée colorée et plongé dans un cristallisoir contenant de l'eau, les deux concentrations, interne et externe, ont tendance à s'égaliser, mais comme seule l'eau peut franchir la membrane, les échanges se réduisent à une entrée d'eau dans l'osmomètre, et le liquide monte dans le tube. Tout se passe comme si les molécules de sucre attiraient l'eau extérieure. Le mouvement se poursuit jusqu'à ce que la pression hydrostatique créée par la dénivellation dans le tube équilibre l'attraction exercée sur l'eau par la solution. Cette pression est dite pression osmotique (p.o.) de la solution. Plus elle est élevée, plus l'attraction exercée sur l'eau est grande. Deux solutions de p.o. égales sont dites isotoniques ; mises de part et d'autre d'une membrane hémiperméable, elles donnent lieu à aucun échange d'eau. Quand une solution a une p.o. plus élevée qu'une autre, elle est dite hypertonique par rapport à la seconde, celle-ci étant hypotonique par rapport à la première. L'osmose est un cas particulier de la diffusion, mouvement spontané des particules d'un système qui tend à homogénéiser les potentiels chimiques des constituants dans les différentes parties. Quand deux solutions sont séparées par une membrane hémiperméable, le potentiel chimique de l'eau est plus bas dans la solution hypertonique que dans l'autre, d'où l'attraction exercée. Le traitement thermodynamique d'un tel système conduit à la loi de Van't Hoff : π = NRT, où π est la p.o. ; N, le nombre de particules libres, osmotiquement actives, par unité de volume ; R, la constante des gaz parfaits ; T

Pression osmotique

La pression osmotique se définit comme la pression minimale 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 hémi-perméable). En biophysique, on distingue la pression oncotique qui correspond à la part de la pression osmotique due aux protéines. 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.

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 (ou désalinisation) de l'eau de mer permettant la production d'eau douce.

L'osmose peut être utilisée pour fabriquer des pompes osmotiques microscopiques ; dans cette micro-pompe, la batterie est remplacée par une certaine quantité de sel. Ce sel étant plus concentré dans le dispositif qu'à l'extérieur, du fait de la pression osmotique il tend à sortir de son réservoir. Ce faisant le "courant de sortie" qu'il crée induit un courant d'entrée (c'est-à-dire un "pompage"). Ce système a été utilisée dans un micro-laboratoire de la taille d'une pilule, pouvant dans l'intestin prélever des échantillons de microbiote à des fins d'études.

Importance biologique et relation avec la cellule

Il existe, en biologie, trois types de relation osmotique : les relations hypotoniques, isotoniques, et hypertoniques.

Pour la cellule, la relation hypotonique correspond au moment où la concentration à l'intérieur de la cellule est supérieure à celle du milieu. La cellule va absorber du liquide extracellulaire, la pression interne augmente, et va éventuellement la faire exploser : c'est l'hémolyse.

La relation isotonique correspond au moment où la solution dans la cellule et celle du milieu sont équitablement concentrées, la taille de la cellule reste stable et ne fluctue pas.

La relation hypertonique correspond au moment où la solution dans la cellule est peu concentrée par rapport à celle du milieu, la cellule va libérer du liquide vers le milieu et la pression interne de la cellule diminue, la taille de la cellule va faire de même. Si trop de liquide est expulsé, la cellule va mourir par plasmolyse.

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On met en évidence l'osmose par le passage de molécules ou d’ions à travers une membrane (perméable ou semi-perméable) qui sépare deux solutions de composition (ou de concentration) différente. Il faut que la membrane soit perméable à l'eau (ou au solvant de façon plus générale) et imperméable aux solutés (membranes semi-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 moins concentré (appelé milieu hypotonique) vers le compartiment le plus concentré (milieu hypertonique), qui tend à équilibrer les concentrations. L’osmose est à l’origine de la turgescence et la plasmolyse de la cellule végétale

Osmose - Historique (+)

Définition graphique

Osmose
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Concepts ou notions associés

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Perméabilité / Diffusion / Pression osmotique / Membrane semi-perméable / Solutions hypertonique, hypotonique, et isotonique / Équilibre osmotique / Potentiel hydrique / Plasmolyse / Turgescence / Gradient de concentration / Osmorégulation / Phénomène colligatif / Transport actif / Endosmose / Exosmose / Équilibre hydrique / Assimilation osmotique / Plante halophyte / Animal osmoconformeur / Poïkilotherme / Pression hydrostatique / Concentration / Osmose inverse / Dialyse / Transport membranaire / Osmolalité / Résistance osmotique / Solution hypertonique / Solution hypotonique / Équilibre osmotique / Potentiel hydrique / Phénomène colligatif / Transport actif / Endosmose / Exosmose / Équilibre hydrique / Assimilation osmotique / Plante halophyte / Animal osmoconformeur / Poïkilotherme / Gradient de concentration / Phénomène d'osmolarité / Osmose cellulaire / Équation de Van't Hoff / Coefficient de réflexion / Loi de Starling / Colloïde / Pression oncotique / Membrane sélectivement perméable / Filtration glomérulaire / Échangeur ionique / Loi de Fick / État colloïdal / Soluté / Solvant / Semi-perméabilité / Réabsorption / Sécrétion / Aquaporine / Réflexion osmotique / Hyperosmolaire / Hypo-osmolaire / Osmométrie / Éléments osmotiques / Osmophiles / Régulation osmotique / Pression osmotique effective / Loi de Boyle-van't Hoff / Coligand / Cotransport / Contre-transport / Perméabilité sélective / Équation de Gibbs-Donnan / Équilibre électro-osmotique / Fraction molaire / Loi de Raoult / Solution colligative / Cryoscopie / Osmorégulateur / Osmolalité plasmatique / Osmorégulation marine / Osmotrophie / Plasmoptysie / Diurèse osmotique / Antidiurèse / Osmose intracellulaire / Osmose extracellulaire / Échange osmotique / Thérapie osmotique / Osmotique corporelle / Osmotique cérébrale / Osmotique sanguine / Pression osmotique plasmatique / Osmoconcentration / Osmoregulation rénale / Osmoregulation hépatique / Osmoregulation pulmonaire / Osmorégulation intestinale / Osmorégulation cutanée / Osmorégulation pulmonaire /

Osmose - Glossaire / (+)

Exemples, applications, utilisations

Le principe d'osmose est appliqué dans plusieurs domaines tels qu'en médecine lors des perfusions ou d'un œdème pulmonaire (Osmose inverse). Osmose, « maladie » du polyester Le terme osmose est utilisé pour désigner la formation de bulles sous le gelcoat, revêtement en polyester des coques de bateaux, et des piscines. Longtemps considéré comme un défaut de fabrication, il semble que d'infimes particules de cobalt, excitées par de faibles courant électriques, dus à de mauvaises masses, se colorent d'un brun rougeâtre, tout en provoquant une rupture plus ou moins importante, dans l'étanchéité intrinsèque du matériau polyester. De nos jours, des recherches - toujours en développement démontrent que si les courants faibles, et la présence de particules de cobalt, ainsi qu'une mauvaise hygrométrie lors de l'application des résines, peuvent aggraver ou déclencher ce phénomène d'osmose, ces facteurs ne permettent pas d'en expliquer l'absence, sur d'autres revêtements polyester pourtant exposés aux mêmes traitements. À ce jour, s'il est devenu possible d'expliquer comment l'osmose prend naissance, il n'est toujours pas possible d'expliquer pourquoi certains revêtements sont attaqués et d'autres pas. En biotechnologie , En chimie ( dessalement de l'eau de mer ) Peroxydes « frelatés » En fait la raison est à chercher au niveau des solvants utilisés pour diluer les peroxydes (catalyseurs). L'un des producteurs de peroxyde a eu la malencontreuse idée d'employer des solvants dérivés de l'éthylène glycol qui sont non volatils et solubles dans l'eau. Les résines polyester ainsi catalysées contenaient donc des solvants miscibles à l'eau. La quantité finale de solvants était faible mais au fil du temps l'eau était absorbée et provoquait des cloques. Ces cloques apparaissaient parce qu'il y avait une couche de résine réellement imperméable (soit pas de solvants miscibles à l'eau). Le phénomène a été assez long à se déclarer et être compris pour que le producteur de peroxydes ait le temps de participer à la construction d'un grand nombre de bateaux. Comme c'est un seul producteur qui était concerné cela explique que tous les bateaux n'aient pas été concernés. Les sels de cobalt qui sont des activateurs des peroxydes, ne sont pas directement concernés : ce sont des sels d'acides organiques (genre octoate de cobalt) et ils ne sont pas solubles dans l'eau. (+)

Erreurs ou confusions éventuelles

Voici quelques confusions, nuances, erreurs scientifiques et difficultés de compréhension ou d'interprétation courantes que les élèves pourraient rencontrer :

Confusion entre osmose et diffusion: Les élèves peuvent avoir du mal à différencier osmose et diffusion, car les deux impliquent le mouvement de molécules à travers une membrane. Il est important de clarifier que l'osmose est un type spécifique de diffusion où l'eau se déplace à travers une membrane semi-perméable.

Compréhension de la membrane semi-perméable : Les élèves peuvent avoir du mal à comprendre le concept d'une membrane semi-perméable. Expliquer que cette membrane permet le passage de certaines substances (comme l'eau) tout en empêchant le passage d'autres substances (comme les solutés) est crucial.

Définition précise de l'osmose : Certains élèves pourraient avoir une définition vague de l'osmose, la considérant simplement comme le mouvement de l'eau à travers une membrane. Il est important de souligner que l'osmose implique le mouvement de l'eau d'une région de concentration hydrique plus élevée vers une région de concentration hydrique plus faible à travers une membrane semi-perméable.

Notions de concentration et de pression osmotique :

Comprendre les concepts de concentration et de pression osmotique peut être difficile pour certains élèves, en particulier ceux qui n'ont pas encore une solide compréhension de la chimie. Une analogie avec une balance entre les concentrations de soluté de chaque côté de la membrane peut aider à clarifier ces concepts.

Contextualisation dans des exemples concrets : Les élèves pourraient avoir du mal à appliquer le concept d'osmose à des exemples concrets, tels que la régulation du volume cellulaire ou l'absorption d'eau par les plantes. Utiliser des démonstrations en classe ou des simulations informatiques peut aider à illustrer ces applications.

Relation avec la pression hydrostatique : Comprendre comment la pression hydrostatique influe sur l'osmose peut être complexe. Expliquer comment la pression hydrostatique peut contrecarrer le mouvement de l'eau par osmose peut aider à clarifier ce concept.

Phénomène d'osmorégulation : Les élèves pourraient avoir du mal à comprendre comment les organismes régulent leur équilibre osmotique interne pour maintenir l'homéostasie. Expliquer les mécanismes d'osmorégulation chez différents organismes peut être nécessaire pour une compréhension approfondie.

Importance de l'osmose dans la biologie et d'autres domaines : Certains élèves pourraient ne pas saisir pleinement l'importance de l'osmose dans des contextes biologiques plus larges, tels que le fonctionnement des cellules, des tissus et des organismes. Souligner les implications biologiques et physiologiques de l'osmose peut aider à renforcer sa pertinence.

Confusions ou glissement de sens potentiels

Confusion entre pression osmotique et pression hydrostatique
Confusion entre perméabilité et osmose
Confusion entre turgescence et plasmolyse
Confusion entre diffusion et dialyse

Erreurs fréquentes: L'osmose est un phénomène actif ( nécessitant de l'énergie) ou passif

L'osmose se fait seulement au sein de la cellule animale.

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Questions possibles

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Liaisons enseignements et programmes

Idées ou Réflexions liées à son enseignement

Réalisation d'expériences sur des hématies mettant en évidence le phénomène d'osmose.

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Aides et astuces

{{Fiche Didactique Astuces-Enseignement |Astuces-Enseignement=

On pose la question suivante: Pourquoi on utilise une concentration de 9g/l en glucose ou en NaCl lors des perfusions. Projection de vidéos montrant les phénomènes de turgescences et de plasmolyse pour questionner et chercher leurs causes.

Education: Autres liens, sites ou portails

tpe-osmose.e-monsite.com leskapablesenscience.weebly.com WWW.liens-internes.com

Bibliographie

Pour citer cette page: ([1])

ABROUGUI, M & al, 2024. Osmose. In Didaquest [en ligne]. <http:www.didaquest.org/wiki/Osmose>, consulté le 21, novembre, 2024

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