Propriétés colligatives des solutions Pression osmotique Rappel : la loi des gaz parfaits...

Propriétés colligatives des solutions

Pression osmotiqueRappel : la loi des gaz parfaitsDéfinitionSignificationMesure

CryoscopieDéfinitionLoi de RaoultMesure de l’osmolalité plasmatique

Hémolyse et tonicité Thierry PETITCLERCBiophysique du milieu intérieur

PCEM1 – Université Paris 6

Propriétés colligatives des solutions

Définition : propriétés d’une solution permettant de dénombrer ("colligere" = "dénombrer") tout ou partie de ses

solutés.

1) Pression osmotique

a) Préliminaire : pression d’un gaz parfait.- n moles de gaz parfaits dans une enceinte close de volume V :

En rebondissant sur la paroi (agitation thermique), les molécules exercent une pression :

P0 = n RTV

- n moles de gaz parfait dans une enceinte non close (grillage)

Les molécules de gaz s’échappent à travers les mailles du grillage sans exercer de pression sur celui-ci

P = 0

- n moles de gaz parfait dans une enceinte poreuse (en partie close)

Soit = fraction des molécules qui rebondissent sur la paroi.

% des molécules, soit n moles rebondissent sur la paroi en exerçant une pression P = n R T / V

Le reste, soit (1 - )% des molécules, s’échappe de l’enceinte à travers les pores, sans exercer de pression (P = 0)

DONC P = n R T / V = P0

b) Définition de la pression osmotique- cas particulier : la solution contient uniquement des solutés :

- soit qui peuvent traverser tous les pores de la membrane - soit qui ne peuvent traverser aucun pore de la membrane

On appelle : - pression osmotique du soluté la quantité S0 = nS R T / V = R T cS

- pression osmotique de la solution la quantité 0 = S S = R T cosm

La pression osmotique mesure la concentration osmolaire cosm de tous les solutés qui ne traversent pas la membrane.

Pression exercée sur les pores de la membrane :- Le solvant et les solutés de taille inférieure au diamètre des pores traversent les pores sans exercer de pression.- Les solutés de taille supérieure au diamètre des pores rebondissent sur les pores en exerçant une pression.

N.B. : la pression exercée sur les parois de la membrane (partie non poreuse de la membrane totalement imperméable, y compris à l’eau) est égale des deux côtés.

- cas général : la solution contient aussi des solutés dont une fraction seulement rebondit sur les pores de la membrane.

Soit : S = fraction des molécules de soluté qui rebondissent sur les pores sans les traverser. (S = coefficient de réflexion du soluté sur la membrane)

Pression exercée sur les pores de la membrane :- une fraction seulement (égale à S) du soluté rebondit sur un pore sans le traverser et exerce donc une pression. - l’autre fraction (1 - S) du soluté traverse les pores sans exercer de pression.

Pression osmotique du soluté : S = R T (S nS) / V = S R T cS = S S0

Pression osmotique de la solution : = S S = S S S0 = R T S S cS

c) Signification de la pression osmotique

- Cas d’une membrane complètement imperméable aux solutés ( = 1).

Dans ce cas, le flux transmembranaire est uniquement un flux de solvant

La différence de pression P qui annule le flux de diffusion est telle que : Qd = - Qf

soit : R T bm-eau Veau S = - (- bm-eau Veau S )

d’où : RT dcosm = dP soit : P = R T Δcosm =

La pression osmotique est mesurée par la différence de pression hydrostatique qui annule le flux de solvant (et donc le flux volumique) à travers la membrane.

(dc)osm

dx

Cosm eau pure

PIST

ON

Qf

Qd

P

dPdx

- Cas général

On démontre que la différence de pression hydrostatique qui annule le flux volumique de solution (solvant + solutés) est égale à RT S S cS , soit encore à .

Conclusion : Dans tous les cas, la pression osmotique est mesurée par la différence de pression hydrostatique qui annule le flux volumique à travers la membrane.

Le concept de pression osmotique d’une solution vis-à-vis d’une membrane donnée revient donc à mesurer un flux osmotique (c’est-à-dire un flux volumique diffusif provoqué par une différence d’osmolalité) par la différence de pression hydrostatique nécessaire pour provoquer à travers cette membrane un flux convectif de même importance.

d) Mesure de la pression osmotique

- Principe :Se mettre dans une situation où la pression osmotique est égale à une pression hydrostatique (mesurable au manomètre).

Remarque :pression hydrostatique : P = - ρ g h

Indépendante de la température

pression osmotique : = R T cosm

Mesure un phénomène diffusif proportionnel à la température

- Osmomètre de Dutrochet

22,4 cm / (mosm/L) à 0°C

cmH2O = hcm = 24 cm / (mosm/L) à T° ordinaire du laboratoire25 cm / (mosm/L) à T° de l’organisme (37 °C)

Cosm

eau pureQD

h

QF

Cosm

2) Cryoscopie

a) Définition

eau pure à 0°C

solidification = liquéfaction

équilibre

eau salée à 0°C

solidification < liquéfaction

la glace fond

Conclusion : l’eau salée gèle au-dessous de 0°C.

GLACE

EAU

GLACE

EAU

b) Loi de Raoult

= - KC c

avec : : abaissement du point de congélationKC : constante cryoscopique du solvant [- 1,86°C / (osm/kg) pour l’eau] : coefficient d’activité osmotiquec : osmolalité totale de la solution

- solutions diluées : = 1mais non mesurable car trop petit

- solutions non diluées : < 1

Remarques : c = activité osmotiquela cryoscopie mesure l’activité osmotique TOTALE de la solution

c) Mesure de l’osmolalité plasmatique

Composition du plasma (normale) :- osmolalité ionique : 300 mosm/kg- urée : 5 mosm/kg- glucose : 5 mosm/kg

TOTAL : osmolalité plasmatique : c 310 mosm/kg

Abaissement cryoscopique du plasma (normal) : = - 0,54°Cd’où : activité osmotique du plasma : c = - / Kc 290 mosm/kget : coefficient d’activité plasmatique du plasma : 290 / 310 0,94

Remarques : - la mesure de l’osmolalité plasmatique effectuée par le laboratoire est en réalité une mesure de l’activité osmotique.

- en pratique, on confond souvent les valeurs de l’osmolalité totale, de l’osmolarité totale et de l’activité osmotique que l’on approxime à 300 mosm/l.

d) Comparaison entre les propriétés colligatives

- la pression osmotique dénombre les grosses molécules :- car les petites molécules traversent les membranes perméables à

l’eau.

- la cryoscopie dénombre les petites molécules :- car la contribution des grosses molécules à l’osmolarité totale est

négligeable.

3) Hémolyse et tonicité

Membrane dialysante séparant deux compartiments comportant des solutés ne pouvant traverser la membrane en concentrations C1 et C2.

a) 1er cas : membrane indéformable (ou immobile)

Membrane non déformable

C2 < C1

donc QD de 2 vers 1

Membrane immobileétat d’équilibre : Q = 0 car QD = - QF On n’observe pas de variation des volumes des compartiments (ni de leur concentration).On observe une différence de pression hydrostatique P0 [ égale à 0 = R T (C2 – C1) ] qui s’exerce sur la membrane et peut la rompre.

C1 C2

P0

QD

QF

C1

P0

C2

b) 2ème cas : membrane déformable (ou mobile)

Membrane déformable

C2 < Ceq < C1

Membrane mobile

situation d’équilibre : Q = 0 car QD = QF = 0On n’observe pas de variation des pressions.On observe une variation des volumes (cf troubles de l’hydratation).

P = 0

Ceq Ceq

P = 0

Ceq Ceq

c) 3ème cas : membrane insuffisamment déformable (ou insuffisamment mobile)

Membrane insuffisamment extensible

C2 < C’2 < Ceq < C’1 < C1

Membrane insuffisamment mobile

situation d’équilibre : Q = 0 car Q’D = - Q’F On observe une variation des volumes (et donc des concentrations) jusqu’à la limite possible pour les volumes, puis apparaît une différence de pression hydrostatique P [ égale à = R T (C’2 – C’1) < P0 ] qui s’exerce sur la membrane et peut la rompre (cf globule rouge : turgescence jusqu’à la sphérocytose, puis apparition de P pouvant entraîner l’hémolyse).

C’1 C’2

P’

C’1 C’2

P’

Q’DQ’F

d) Hémolyse

solution de NaCl

9 g/l 0,15 M 300 mosm/L ISOTONIQUE

TURGESCENCE (pas d’hémolyse)

6 g/l 0,1 M 200 mosm/L faiblement HYPOTONIQUE

HEMOLYSE PARTIELLE

3 g/l 0,05 M 100 mosm/L fortement HYPOTONIQUE

HEMOLYSE TOTALE

0 g/l 0 M 0 mosm/L