Osmose à travers une membrane

Osmose à travers une membrane
Par , le (édité le 25/08/2014)

Ce qu'il te faut

  • Un stylo à bille transparent
  • Une pince plate
  • Du papier cellophane
  • Des ciseaux
  • Trois élastiques
  • Un verre
  • Du fil de fer
  • Une pince coupante
  • Une petite bouteille d'eau (0,5 ou 0,33 L) avec son bouchon
  • Du sucre
  • Un marqueur permanent

Introduction

En raison de l'agitation thermique, une phase liquide inhomogène a tendance à se mélanger spontanément. Ainsi, un verre de sirop et d'eau avec le sirop au fond va évoluer après certain temps vers une solution avec le sirop entièrement mélangé à l'eau.

Cette expérience a pour but de montrer d'une autre manière que deux composés ont tendance à se mélanger et que le mélange spontané peut être associé à une véritable force qui pousse les molécules vers une zone où elles sont peu concentrées.

Mélange spontané de sirop de menthe dans de l'eau
Un récipient rempli de sirop de menthe et d'eau se mélange spontanément si l'on attend suffisamment longtemps. Temps de gauche à droite: 0, 2, 5, 9, 17, 29, 53, 71 et 145 heures après préparation du système. L'expérience ci-dessous vise à montrer que ce processus est associé à une force (ou une pression).

Où trouver et comment reconnaitre du papier cellophane?

Le papier cellophane est un film plastique transparent. Il est notamment utilisé pour emballer des fleurs et pour refermer des pots de confiture. D'autres plastiques sont également utilisés pour ces applications. Pour vérifier qu'un film plastique est en cellophane, trempe-le dans l'eau. S'il devient mou et glissant, c'est du cellophane (sa texture change car il peut absorber un peu d'eau).


Expérience

Préparation de la solution sucrée

  • Remplis la bouteille d'eau jusqu'à ce qu'elle soit pleine à un quart de sa hauteur.

  • Verse du sucre dans la bouteille jusqu'à la moitié du niveau de la bouteille.

  • Bouche la bouteille et secoue-la vivement pendant quelques minutes pour dissoudre le sucre. Si tout le sucre disparait, rajoutes-en et secoue à nouveau.

  • Lorsque tu n'arrives plus à dissoudre le sucre, laisse reposer la bouteille pour laisser tomber les cristaux résiduels au fond.


Montage

Le but est de créer deux réservoirs séparés par une membrane semi-perméable (le papier cellophane). La membrane a la propriété de laisser passer les molécules d'eau, mais pas les molécules de sucre car celles-ci sont trop grosses pour traverser les pores de la membrane.

  • Casse le stylo avec la pince plate pour en récupérer le tube:

Tube de stylo à bille
  • Découpe un disque d'environ 8 cm de diamètre de cellophane.

  • Passe le disque de cellophane sous le robinet pour le ramollir.

  • Attache délicatement le cellophane à une extrémité du tube en rabattant les bords du papier sur les parois extérieures du tube. Utilise deux élastiques pour le maintenir hermétiquement. Place le troisième élastique autour du tube (mais pas sur le papier) à quelques centimètres des deux autres élastiques:

Membrane de cellophane fixée au tube
Membrane de cellophane fixée au tube
  • Coupe un morceau de fil de fer pour en faire un support permettant de maintenir le tube en suspension dans le verre (voir les images ci-dessous): Fais trois branches coudées avec au centre un emplacement dans lequel le tube peut être inséré.

Support en fil de fer
Support en fil de fer. Le tube doit pouvoir passer au travers du trou central.
Tube maintenu au centre du verre
Tube maintenu au centre du verre grâce au support en fil de fer. Les branches coudées s'appuient sur les bords du verre et le tube est inséré au centre. L'élastique le plus haut empêche le tube de tomber au fond du verre.

Expérience

Le système a deux réservoirs: le verre et le tube. Il faut les remplir de solutions:

  • Remplis le verre d'eau.

  • Verse un peu d'eau sucrée dans le tube (jusqu'à un quart du tube environ).

  • Place le tube sur son support de manière à ce que la membrane trempe dans l'eau, mais que le niveau dans le tube soit au-dessus du niveau d'eau dans le verre. Marque d'un trait le niveau de liquide dans le tube. Le dispositif doit alors ressembler à l'image ci-dessus.

Il ne reste plus qu'à attendre. Au bout de 10 minutes, tu devrais voir que le niveau a légèrement monté dans le tube. Au bout de plusieurs heures, le tube se remplit entièrement de liquide et peut même déborder!

Liquide montant dans le tube
Liquide montant dans le tube. Tube au début de l'expérience (gauche) et après 10,5 heures (droite). En montant, le liquide défie la gravité qui aurait tendance à faire descendre le niveau dans le tube jusqu'au niveau d'eau dans le verre.

Que faire si ça ne marche pas?

Si le niveau dans le tube descend ou s'il monte très lentement puis redescend, il y a une fuite de sucre. Il se peut que la membrane soit trouée, trop fine ou que les élastiques ne maintiennent pas bien la membrane contre le tube. Essaie les solutions suivantes:

  • Change la membrane et fais attention à ne pas abimer le film lorsque tu accroches les élastiques.

  • Serres bien les élastiques.

  • Essaie avec du papier cellophane d'une autre origine que celui qui ne marche pas.


Interprétation des résultats et expériences complémentaires

Le niveau monte dans le tube alors que la gravité devrait le faire redescendre. Il y a donc une force qui agit vers le haut sur le liquide dans le tube. Ce n'est ici pas un phénomène de capillarité, car le diamètre du tube est assez grand. Tu peux essayer d'autres expériences:

  • En mettant de l'eau du robinet dans le tube, le niveau descend. En mettant de l'eau sucrée dans le tube et dans le verre, le niveau descend également. Dans les deux cas, il n'y a pas de différence de concentration en sucre entre le tube et le verre. C'est donc la différence de concentration en sucre de part et d'autre de la membrane qui est à l'origine de la force.

  • En mettant de l'eau salée dans le tube, le liquide monte, mais pas très haut, puis redescend au bout de quelques heures ou quelques jours. Le sel dissout dans l'eau est sous forme d'ions très petits. Ceux-ci peuvent traverser la membrane plus facilement que les molécules de sucre. La fuite d'ions peut se voir en regardant au travers du verre, juste en dessous de la membrane: des ondulations du liquide apparaissent et vacillent (voir la photo ci-dessous). Plus la membrane est imperméable au soluté, plus il est facile d'observer la force vers le haut.

Ondulations du liquide
Lorsque le tube est rempli d'eau salée, du sel arrive à traverser la membrane et des ondulations du liquide sont visibles dans le verre juste en dessous de la membrane (clique sur l'image pour l'agrandir). Ces ondulations sont dues à des variations de l'indice de réfraction du fluide entre des régions concentrées en sels et des régions peu ou non salées.

La force a pour origine l'agitation thermique des molécules. Elle est en fait proportionnelle à la surface de la membrane et peut donc être associée à une différence de pression entre le dessus et le dessous de la membrane. C'est cette différence de pression (appelée pression osmotique), elle-même proportionnelle à la différence de concentration entre les deux réservoirs, qui peut combattre la force de pression qui ferait traverser le liquide du tube vers le verre par gravité s'il n'y avait pas de phénomène d'osmose.


Importance de l'osmose

L'osmose est un phénomène dont il faut tenir compte dans certaines applications. La plus importante concerne les stations de dessalement des eaux. Celles-ci reposent sur l'utilisation d'une membrane perméable à l'eau et imperméable au sel. Le but est alors de réaliser une osmose inverse, c'est-à-dire faire en sorte que l'eau se déplace d'un réservoir d'eau salée vers un réservoir d'eau pure. Comme ceci va dans le sens inverse de l'évolution spontanée observée dans cette expérience (d'où le terme "osmose inverse"), il faut donc appliquer une force sur la membrane pour pouvoir purifier l'eau.

Les injections intraveineuses telles que les perfusions sont souvent des solutions assez concentrées en sels et/ou glucose. Des solutions trop pures en eau sont en effet dangereuses pour les cellules rouges du sang. Une cellule est constituée d'une membrane qui renferme l'intérieur de la cellule, principalement rempli d'eau et de composés dissouts tels que des sels et des protéines. La membrane est perméable à l'eau et plutôt imperméable au reste. Si la concentration d'éléments dissouts à l'intérieur de la cellule est différente de celle dans le fluide à l'extérieur de la cellule (plasma du sang), une différence de pression apparait entre l'intérieur et l'extérieur de la cellule. Si une cellule rouge est plongée dans de l'eau pure, la différence de pression est telle que la cellule éclate. Pour éviter d'éclater des cellules lors d'une injection, le liquide injecté est choisi avec une concentration totale en éléments proches de celle du plasma.