OSMOSE
Gérard
Gomez
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
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.
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.
La loi de Van 't Hoff (ou loi de
l'osmométrie) régit ce phénomène :
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π = R.C.T |
où
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.
2-1) 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.
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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.
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"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.
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 :
où
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
où
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
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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. |
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.
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.
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.
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).
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
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,.......
Polysulfone (PSU)
Ce sont des polymères
thermoplastiques.
Exemple : L'Udel ®
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.