- Qu'est-ce que l'osmose ? -

 

L'osmose est un phénomène de diffusion de la matière mis en évidence lorsque des molécules d'eau (de solvant de façon générale) traversent une membrane semi-perméable qui sépare deux liquides dont les concentrations en produits dissous sont différentes. La différence de concentration provoque une différence de pression osmotique qui engendre un déplacement du solvant à travers la membrane.

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.

 

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 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, comme nous l'avons notamment vu en TP de biologie cette année en étudiant l'élongation cellulaire qui explique la croissance des végétaux] 

La pression osmotique est 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.

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.

Le résultat est toujours le même : le solvant se déplace vers la solution dont la concentration de soluté est la plus élevée.

 

Pression osmotique : La pression osmotique est proportionnelle aux concentrations de soluté de part et d’autre de la membrane et de la température.

 

La formule pour calculer la pression osmotique est la suivante :

 

π = R x T x C

Avec :

 

• π la pression osmotique en Pa
• R la constante des gaz parfaits
• T la température en K
• C l'osmolarité (concentration osmolaire) en Osmol/L

 

[Considérons deux solutions aqueuses 1 et 2 de pressions osmotiques Π1 et Π2, 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.]

 

- Explication du phénomène d'osmose -

 

1) Explication simple :

Le cristal (ici Fer III) s’entoure d’une membrane gélatineuse semi-perméable (pointillés). A l’extérieur se situe la solution de silicate de soude (basique) et a l’intérieur solution autour du cristal (acide).

La concentration (en Fer III) est alors plus élevée a l’intérieur de la cellule; l’eau attirée passe par membrane (molécule d’eau : 0.28 nm) alors que les cations hydratés ne passent pas (0.4 nm).

 

 

 

2) Le silicate de soude :

Aussi appelé "liqueur de cailloux" c'est le liquide indispensable aux croissances osmotiques. C'est une solution très corrosive qui attaque le verre et absorbe le dioxyde de carbone de l’air (C'est pourquoi nous mettons un film plastique lors de la réalisation de l'expérience).

Comme nous allons le voir un peu plus tard, la concentration en silice a un impact sur l'expérience.

 

3) Les différentes étapes du phénomène : 

On observe un gonflement qui précède la rupture de la membrane sous l'effet de la pression osmotique. Membrane s’ouvre plus vite quand concentration en silice (C(si)) est plus élevée mais si cette concentration est trop élevée la membrane est trop dure et inversement, si cette concentration n'est pas assez élevée membrane trop molle.

Parfois même on peut voir la formation simultanée de plusieurs tubes qui peuvent se rejoindre, comme sur l'image ci-dessous :

 

 

Nous avons donc compris que c'est la bulle qui entraine la croissance vers le haut. Cette bulle n'est pas un dégagement gazeux mais simplement une bulle d'air issue de l'air initialement contenu dans les cristaux. En remontant à la surface elle emporte la matière jusqu'à la surface ce qui explique à la fois la forme tubulaire et la croissance verticale.

 

Le diamètre du tube est donc lié a celui de la bulle.

 

 

 On assiste alors a trois régimes différents au niveau de l'éclatement de la bulle d'air :

 

Popping : 

• Concentration moyenne
• La bulle monte et se détache
• Croissance périodique

 

Jetting :

• Faible concentration en Cu
• L’hydrodynamique domine
• Forte différence de densité
• Précipitation autour du jet

 

Budding

• Forte concentration
• La bulle éclate

 

 

Conclusion :

Attention : comme nous l'avons vu précédemment, la structure des parois est amorphe ; la croissance des cristaux ne peut donc pas être considérée en elle-même comme des cristaux (c'est plutôt un précipité gélatineux).

On peut donc en conclure que cette croissance est due à l ’effet de trois causes : 

1. Une force osmotique 

2.  Une différence de densité

3. Un entraînement mécanique par la bulle d’air