OSMOSE

Gérard Gomez


RETOUR AU SOMMAIRE


Plan de l'étude

1) Osmose – Pression osmotique

                1-1) Osmose

                1-2) Pression osmotique

2) Applications

                2-1) Turgescence et plasmolyse des cellules végétales

                2-2) Fonctionnement des stomates des feuilles

                2-3) Montée de la sève dans les végétaux

                2-4) L'énergie osmotique

                2-5) Osmose inverse

                2-6) Les membranes

Annexe 1 Cellulose et acétate de cellulose

Annexe 2 Polysulfone (PSU)


1) Osmose – Pression osmotique

            1-1) Osmose :

Lorsqu'on place de part et d'autre d'une membrane semi-perméable deux solutions n'ayant pas la même concentration en soluté, on s'aperçoit que du solvant traverse la membrane dans le sens de la solution la moins concentrée vers la solution la plus concentrée ; c'est le phénomène d'osmose.

Remarque : une membrane semi-perméable est une cloison qui se laisse traverser par le solvant et que le soluté ne peut franchir ; elle sélectionne les molécules d'après des critères de taille et de forme.

 

OSMOSE.gif

            1-2) Pression osmotique :

On appelle pression osmotique, la pression qu'il faut exercer pour empêcher le passage du solvant de la solution la plus diluée vers la plus concentrée au travers d'une membrane semi-perméable dans le phénomène d'osmose.

                OSMOSE2.gif

La loi de Van 't Hoff (ou loi de l'osmométrie) régit ce phénomène :

 

π = R.C.T

π représente la pression osmotique (différence entre la pression exercée par une solution diluée et celle exercée par le solvant pur) exprimée en Pascal (Pa).

C représente concentration de la solution en mol.m-3

R est la constante des gaz parfaits (8,314 J.mol-1.K-1)

T la température absolue en K

 

La loi de Van 't Hoff exprime le fait que la différence entre la pression exercée par une solution diluée contenant un certain nombre de moles de soluté dans un volume donné et celle exercée par un solvant pur est la même que celle qu'exercerait un gaz parfait contenant le même nombre de moles dans le même volume.

 

Le phénomène d'osmose a été découvert et les premières mesures quantitatives ont été réalisées par le physiologiste Dutrochet en 1827.

 

2) Applications

            2-1) Turgescence et plasmolyse des cellules végétales

- Des cellules végétales plongées dans un milieu hypotonique (environnement qui a une concentration en solutés inférieure à celle du cytoplasme (9‰)), va subir le phénomène de turgescence c'est-à-dire que de l'eau va pénétrer dans la vacuole, une poussée va s'exercer sur les membranes. Les parties molles de la plante vont être rigidifiées.

-  Des cellules végétales plongées dans un milieu hypertonique (environnement qui a une concentration en solutés supérieure à celle du cytoplasme), va subir le phénomène de plasmolyse c'est-à-dire que de l'eau va sortir de la vacuole ; la membrane cytoplasmique se décolle de la paroi pectocellulosique qui, plus rigide, reste en place. La plante devient molle et meurt si cet état dure trop longtemps.

 

CELLULE.gif

CELLULE2.gif

CELLULE3.gif

CELLULE4.gif

Une cellule végétale très simplifiée

Cellule turgescente

Cellule dans un milieu isotonique

Cellule plasmolysée

 

Remarque : La pectocellulose qui constitue la membrane externe de la cellule végétale est un ensemble composé de pectines (ensemble complexe formé d'une ossature majoritaire résultant d'un enchaînement d'acides α-D-galacturonique liés en 1-4 (unités homogalacturonanes)) et de cellulose (Ensemble résultant de la polycondensation de glucose (C6H12O6)) (Voir annexe 1).

 

                2-2) Fonctionnement des stomates des feuilles

On trouve à la surface inférieure d'une feuille d'un végétal, des structures qu'on appelle des stomates destinées à réguler les échanges gazeux. Les stomates sont nombreux à la surface des feuilles, plusieurs centaines par mm2.

STOMATES.jpg

 

 

 

"Les champignons du Bonsaï"

L'importance des stomates

Source : Dr Willem Van Cotthem,

Université de Gand (Belgique).

Un stomate est formé de deux cellules en forme de haricot appelées cellules de garde, séparées par une ouverture appelée ostiole.

La turgescence des cellules de garde provoque l'ouverture de l'ostiole, tandis qu'une perte d'eau de ces cellules provoque la fermeture de l'ostiole.

Le contrôle de la turgescence passe par une entrée ou non d'ions potassium (K+) dans les cellules de garde.

Les stomates régulent les échanges de dioxygène (O2) ou de dioxyde de carbone (CO2) de la cellule avec l'atmosphère tout en limitant les pertes d'eau si nécessaire.

Remarque :

En cas de stress hydrique de la plante les racines synthétisent de l'acide abscissique (ABA) une hormone végétale qui monte avec la sève jusqu'aux stomates et participe à la fermeture de ceux-ci en réduisant la turgescence des cellules de garde.

 

STOMATES2

 

            2-3) Montée de la sève dans les végétaux

La  montée de la sève dans les végétaux est en partie due au phénomène d'osmose.

Considérons que  la pression osmotique, différence de pression entre la solution sucrée qui se trouve notamment dans les feuilles et l'eau qui se trouve dans le sol autour des racines entraîne une montée de la sève à une hauteur h.

On peut calculer cette hauteur par la relation :

 

r  est la masse volumique de la sève : environ 103 kg/m3 (de l'ordre de grandeur de celle de l'eau)

p est la pression osmotique qui peut se calculer par la loi de Van 't Hoff

  

R est la constante des gaz parfaits 8,314 J.mol-1.K-1

C est la concentration en sucre au niveau des feuilles (1% environ donc 10g/L) soit environ 29 mol.m3  (la masse molaire du saccharose étant de 342 g.mol-1).

A 20°C (soit 293 K)

p = 8,314 x 29x 293 = 7,06x104 Pa (environ 0,7 bar).

D'où

h = 7,06 x104 / 103/ 9.81 ≈ 7,2 m.

En réalité la sève peut monter plus haut car l'osmose n'est pas le seul phénomène qui intervient ; il y a également l'ascension capillaire due à la tension superficielle et l'évaporation de l'eau au niveau des feuilles qui provoque une aspiration de la sève.

 

Remarque La guttation

 

FEUILLES2.jpg

Pendant la journée les feuilles de végétaux évacuent de l'eau sous forme de vapeur par les stomates, elles transpirent ; cette évacuation permet par effet de succion la circulation de la sève brute dans le xylème.

Pendant la nuit cette transpiration n'a pas lieu ; les racines continuent cependant, par osmose, à pomper l'eau du sol et à la faire monter dans le végétal ; cette montée se conclut par la formation de gouttes d'eau au niveau des hydathodes, des structures aux pores légèrement plus grands que ceux des stomates situées en périphérie des feuilles et qui permettent l'excrétion de gouttes de sève brute et de sève élaborée (on y trouve du sucre, des sels ….). Ce phénomène qui s'observe surtout au petit matin sur certains végétaux vasculaires herbacés et qui s'arrête dès que le mécanisme d'évaporation d'eau par les stomates se met en route, porte le nom de guttation ; il est plus apparent sur les jeunes feuilles que sur les feuilles anciennes où les hydathodes se bouchent plus ou moins avec de la cire.

Il ne faut pas le confondre avec la rosée qui correspond à de la vapeur d'eau atmosphérique qui se condense sur la plante et notamment sur les feuilles mais sur toute leur surface.

 

            2-4) L'énergie osmotique

Parmi les énergies non encore exploitées et très prometteuses, l'énergie osmotique fait l'objet d'importantes recherches ; on l'appelle l'énergie bleue.

Elle consiste à tirer parti de la différence de salinité entre l'eau salée des mers et des océans et l'eau douce des fleuves dans les estuaires au moment de leur rencontre, en utilisant le phénomène d'osmose.

Le principe se conçoit quand on voit la migration spontanée de l'eau la moins salée vers l'eau la plus salée au travers d'une membrane semi-perméable, phénomène que l'on appelle l'osmose ; la pression osmotique peut être utilisée pour actionner une turbine et produire de l'électricité.

C'est la réalisation pratique avec suffisamment d'efficacité qui est l'objet des intenses recherches actuelles ; un intérêt particulier est porté aux membranes réalisées avec de nouveaux matériaux carbonés nanoporeux.

On lit dans une publication du CNRS ("Nouvelles approches pour l'énergie osmotique") : " C'est une source d'énergie particulièrement prometteuse, entièrement renouvelable, non intermittente, avec une capacité mondiale de 1 à 2 Térawatts (équivalent 1000 à 2000 réacteurs nucléaires). Mais l'efficacité des technologies membranaires usuelles est trop limitée et représente un frein considérable à son développement."

Un prototype de centrale osmotique a vu le jour en 2009 à Hurum une commune de Norvège ; mise au point par la société Statkraft, une entreprise publique, elle avait une puissance de 2 à 4 kW. Le développement de cette technique devait suivre mais a été abandonné en 2013.

 

            2-5) Osmose inverse

On peut purifier une eau contenant des impuretés en solution par osmose inverse ; le principe est le suivant :

On exerce dans le compartiment contenant l'eau à purifier (à gauche dans notre schéma) une pression supérieure à la pression osmotique ; on oblige ainsi l'eau contenue dans ce compartiment à traverser la membrane semi-perméable et à rejoindre l'autre compartiment débarrassée de ses impuretés. Celles-ci se concentrent donc dans le compartiment de gauche, contrairement au phénomène naturel d'osmose où la solution la plus concentrée subit une dilution.

OSMOSEINV.gif

C'est un procédé industriel de désalinisation de l'eau de mer ; il faut exercer une pression supérieure à 30 bars (pression osmotique dans ce cas), en pratique 70 à 80 bars.

Des systèmes domestiques existent pour adoucir l'eau utilisée par les particuliers (enlever le calcaire), mais aussi les nitrates et les composés chlorés ; dans ce cas en plus de l'osmose inverse il existe des filtres en amont notamment des filtres à charbon actif.

 

            2-6) Les membranes

Il existe différents types de membranes semi-perméables :

            - les premières membranes ont été en acétate de cellulose (voir annexe 1)

            - puis un grand nombre de membranes sont venues s'ajouter à la liste.

              Elles sont de nature organique ou minérale (polymères, carbure de silicium, zircone ...) ; elles sont obtenues par frittage.

            - puis des membranes composites :

·         membranes polyamides en composite à couche mince (thin film composite TFC) ; le fabricant nous dit qu'elles sont constituées d'une couche poreuse et d'une couche dense de film composite qui constitue la peau de la membrane réticulée qui est directement conçue in situ sur le support poreux fabriqué en polysulfone (voir annexe 2)

·         membranes en polyester comme toile support avec une couche intermédiaire en polysulfone microporeuse et une couche barrière en polyamide sur la face supérieure.

·         Une membrane biomimétique avec matrice en polyamide et des canaux artificiels d'eau, semblable à une super structure d'éponge a été récemment mise au point à l'Institut Européen des membranes (CNRS/ENSC Montpellier/Université de Montpellier).


Annexe 1

Cellulose et acétate de cellulose

                - La cellulose résulte de la polycondensation de glucose (C6H12O6)
CH2OH-CHOH-CHOH-CHOH-CHOH-C(H)=O

Cette molécule peut prendre une forme cyclique :

Pour la cellulose ce sera le β-D-glucopyranose

 

CELLULOSE2.gif

 

Les différentes chaînes linéaires placées côte à côte sont liées par de nombreuses liaisons hydrogène ce qui donne à ce matériau une très grande rigidité et qui explique qu'elle est la substance de soutien (parois) des cellules jeunes des végétaux.
La cellulose pratiquement pure est tirée du fruit du cotonnier; il contient des graines recouvertes d’un duvet formé de fibres de 2 à 7 cm de long; débarrassées des impuretés, ces fibres constituent le coton hydrophile.
La cellulose s’obtient également à partir du bois; le bois est essentiellement constitué de cellulose et de lignine; un traitement à l’hydrogénosulfite de calcium détruit la lignine; il reste la pâte de bois; on en fait le papier, le carton, ....
Elle n'est pas attaquable par les sucs digestifs de l'homme. C'est une matière première de tout premier ordre dans l'industrie chimique.
Elle est insoluble dans l'eau et la plupart des solvants organiques et n'est solubilisée que par une solution ammoniacale d'hydroxyde de cuivre(II) : la liqueur de Schweitzer. Son hydrolyse acide conduit au glucose.

                - Acétate de cellulose

Une ou plusieurs molécules de CH3COOH peuvent estérifier les -OH du motif de la cellulose.
La cellulose moyennement acétylée, soluble dans l’acétone, peut donner une pâte qui, filée et séchée conduit aux fils d’acétate; les tissus d’acétate ressemblent à la soie; avec l’acétate de cellulose on fait encore les pellicules, support d’émulsions photographiques, des montures de lunettes, des stylos, des manches d’outils, du vernis,.......


Annexe 2

Polysulfone (PSU)

Ce sont des polymères thermoplastiques.

Exemple : L'Udel ®

UDEL.gif

Ce sont des polymères connus pour leur dureté et leur stabilité à haute température.

On en fait des membranes poreuses semi-perméables utilisées dans les applications basées sur le phénomène d'osmose.

On les utilise notamment pour fabriquer les membranes d'hémodialyse.