Osmose - Brouillon
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.
