AD n 1 1 / 6 Approche documentaire n 1 La pression osmotique L'osmose est un phénomène de diffusion de la matière mis en évidence lorsque des molécules de solvant traversent une membrane semi-perméable séparant deux solutions dont les concentrations en soluté sont différentes ; le transfert de solvant se fait alors de la solution la moins concentrée (milieu hypotonique) vers la solution la plus concentrée (milieu hypertonique) jusqu'à l'équilibre (milieux isotoniques). Cette notion a permis de mieux comprendre le comportement des solutions aqueuses en chimie, à la fin du 19 ème siècle ; mais elle est aussi particulièrement utile en physiologie et en biologie cellulaire pour expliquer les échanges chimiques au sein des organismes vivants. Le phénomène d'osmose Extrait de l'article Wikipédia «osmose» On considère deux compartiments séparés par une membrane semi-perméable, l un n 1 contient de l eau et un soluté et l autre n 2 contient de l eau pure. L'eau est capable de traverser la membrane contrairement au soluté. On considère l'équilibre H 2 O (1) = H 2 O (2) membrane semi-perméable Pression P soluté Compartiment n 1 Compartiment n 2 Q1 : À l aide de l annexe 1, exprimer le potentiel chimique de l eau du compartiment 1 (H 2 O (1) ) et celui de l eau du compartiment 2 (H 2 O (2) ). Q2 : En déduire l expression de l enthalpie libre de réaction Δ r G = - RT.ln(x H2O(1) ) pour la réaction étudiée. Q3 : Par application de la condition d'évolution spontanée d'un système chimique, prédire dans quel sens l eau va passer au travers de la membrane.
AD n 1 2 / 6 La pression osmotique De l'eau traverse la membrane semi-perméable jusqu'à ce que le système atteigne l'équilibre osmotique : membrane semi-perméable soluté P 1 P 2 Compartiment n 1 Compartiment n 2 La pression osmotique Π est définie comme la différence de pression de part et d'autre de la membrane : Π = P 1 P 2. Q4 : Montrer, en précisant les approximations, que la pression osmotique Π (Pa) s'exprime selon Π = c.r.t. où c est la concentration du soluté (mol m -3 ), R la constante du gaz parfait et T la température (K). On peut généraliser cette expression au cas où la solution contient plusieurs solutés, la pression osmotique se met alors sous la forme π= c i RT. i L'osmomètre de Dutrochet Osmomètre de Dutrochet Henri Dutrochet, France, 1776-1847 Q5 : Expliquer le principe de fonctionnement de l'osmomètre de Dutrochet et en particulier, à l'aide de la statique des fluides, expliquer comment il permet d'accéder à la pression osmotique Π par mesure de la hauteur d élévation du liquide dans le tube.
AD n 1 3 / 6 L osmométrie est une méthode pratique pour déterminer la masse molaire de grosses molécules (polymère, molécule biologique...) Q6 : On réalise une solution aqueuse d hémoglobine à 20 g L -1. Cette solution placée dans un osmomètre thermostaté à 25 C provoque une élévation du liquide de 7,8 cm. Calculer la masse molaire de l hémoglobine. Pression osmotique dans les cellules vivantes La membrane cellulaire sépare l intérieur de la cellule, le cytoplasme, de l extérieur de la cellule, le plasma. Ces membranes sont en général assez perméables à l'eau mais très peu perméables aux macromolécules et aux ions. On s attend donc à l apparition d une pression osmotique entre l intérieur et l extérieur de la cellule. Le milieu interne possède une concentration en soluté qui varie peu : la concentration totale en espèces solubilisées du cytoplasme vaut environ 0,3 mol.l -1. Dans les systèmes vivants, cytoplasme et plasma sont à peu près isotoniques, ce qui minimise la diffusion d'eau. cytoplasme K + ; Mg 2+ ; Cl - ; PO 4 3- protéines membrane cellulaire plasma Schéma d'une cellule En biologie, un environnement cellulaire hypertonique est un environnement ayant une concentration supérieure en solutés à celle du cytoplasme. Le contraire d'hypertonique est hypotonique ; l'état intermédiaire est appelé isotonique. Q7 : On désire observer des cellules de globule rouge au microscope. Que risque-t-il de se passer si on observe la cellule dans de l eau pure? Q8 : En milieu médical, on utilise du sérum physiologique qui est une solution de chlorure de sodium à 0,9 % en masse. Justifier qu une telle solution est isotonique.
AD n 1 4 / 6 Voici 3 clichés de cellules sanguines prise dans des milieux différents (hypotonique, isotonique et hypertonique). Q9 : Reliez chaque cliché au milieu dans lequel baignent les cellules sanguines. La salaison des aliments La salaison est un procédé important et très ancien pour conserver les aliments. Il consiste à rajouter de fortes quantités de NaCl (à l état solide ou sous forme de saumure), ce qui protège l aliment (viande, poisson ) de la décomposition pendant plusieurs mois. Filets de morue conservés dans du sel Salage de jambons Q10 : Expliquer qualitativement ce phénomène.
AD n 1 5 / 6 Boisson Gatorade Voici la composition d une boisson Gatorade : On considère que les seules espèces présentes sont les cations K + et Na +, des anions et des sucres (mélange équimassique glucose/saccharose), Q11 : Il est conseillé de s hydrater avec une solution isotonique ou légèrement hypotonique pendant un effort physique. Expliquer pourquoi, et en particulier pourquoi est-il déconseillé de boire une boisson hypertonique? Q12 : Montrer que la boisson Gatorade est adaptée.
AD n 1 6 / 6 Annexe 1 : Potentiel chimique d une phase condensée Le potentiel chimique d'une espèce A en phase condensée s'exprime selon : μ A (T,P,x A ) = μ A* (T,P) + RT.ln(x A ) où μ A* (T,P) est le potentiel chimique du constituant A pur à T et P et x A la fraction molaire de l'espèce A dans la phase condensée. Le potentiel chimique d'une espèce A en phase condensée dépend de la pression selon : μ A* (T,P) = μ A* (T,P ) + V m.(p-p ) où μ A* (T,P) est le potentiel chimique du constituant A pur à T et P ; μ A* (T,P ) est le potentiel chimique du constituant A pur à T et P ; V m est le volume molaire du constituant A Données : Masses molaires (g mol -1 ) : Na K Cl glucose saccharose 23 39,1 35,5 180 342 Constante des gaz parfaits : R = 8,31 J.K -1.mol -1 Masse volumique de l'eau : ρ = 1000 kg.m -3 Accélération de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2