004 – Osmose

Chaque cellule vivante est entourée d'une membrane qui laisse passer certaines substances et en retient d'autres. Cette sélectivité est ce qui permet à une cellule de conserver ses protéines et ses sucres tout en échangeant de l'eau, des sels et des nutriments avec son environnement. Le même principe est utilisé industriellement pour la purification de l'eau et, de manière plus familière, dans la dialyse rénale, où une machine effectue la filtration qu'un rein défaillant ne peut plus assurer.

Une membrane de ce type est décrite comme sélectivement perméable: il est perforé par des pores d'une taille particulière, et la possibilité pour une substance dissoute de le traverser dépend principalement de la taille de ses molécules. Les petites molécules et les ions le traversent facilement et se dispersent par diffusion, se déplaçant des zones où ils sont concentrés vers celles où ils sont dilués jusqu'à ce qu'ils soient répartis uniformément. Les grosses molécules sont tout simplement trop grandes pour passer et restent là où elles sont. L'eau elle-même le traverse librement dans les deux sens, et son mouvement net vers le côté le plus concentré est ce que l'on appelle proprement l'osmose.

Dans ce laboratoire, vous remplirez un sac de dialyse d'un mélange de trois substances de tailles moléculaires très différentes — l'amidon, le chlorure de sodium et le glucose — et vous le suspendrez dans un bécher d'eau distillée. Une fois que le système aura eu le temps de faire des échanges, vous testerez à la fois l'eau entourant le sac et le contenu du sac lui-même pour ces trois substances, en utilisant un test chimique spécifique pour chacune. En comparant quelles substances apparaissent à l'extérieur du sac et lesquelles n'y apparaissent pas, vous établirez la limite de taille de la membrane sans jamais mesurer de pore.

Objectifs Éducatifs

Familiarisation avec l'environnement du laboratoire

• Identifiez la configuration et l'équipement du laboratoire d'osmose Proteus, notamment la poche de dialyse, le support universel et la pince, la plaque chauffante avec son bain-marie, ainsi que la plaque à puits utilisée pour les tests colorimétriques.

Utilisation d'équipements de protection

• Portez des gants et des lunettes de protection en tout temps. Notez en particulier que le nitrate d'argent tache la peau et les vêtements, et que le bain-marie fonctionne au-dessus de 70 °C.

Assemblage et manipulation d'une membrane de dialyse

• Fermer, remplir et monter un sac de dialyse sans en renverser le contenu dans l'eau environnante — une contamination qui invaliderait tous les tests ultérieurs.
• Expliquez pourquoi le sachet doit être submergé mais pas immergé au point que son ouverture soit sous la ligne de flottaison.

Transfert précis de petits volumes

• Utilisez une pipette et une éprouvette graduée de 10 mL pour combiner trois portions de 3 mL, en éliminant l'excès entre les substances afin qu'aucun transfert indésirable ne se produise.

Réalisation de trois tests chimiques spécifiques

• Effectuez le test de Lugol pour l'amidon, le test au nitrate d'argent pour les chlorures et le test de Fehling pour un sucre réducteur, et indiquez à quoi ressemblent un résultat positif et un résultat négatif dans chaque cas avant de l'effectuer.
• Reconnaître que le test de Fehling nécessite un chauffage au-dessus de 70 °C et que son résultat se lit par l'apparition d'un précipité, et non par un simple changement de couleur.

Différencier la diffusion de l'osmose

• Utilisez les résultats pour expliquer quelles substances ont traversé la membrane et pourquoi, et séparez le mouvement des solutés dissous du mouvement de l'eau.

Raisonnement à partir d'une mesure indirecte

• Déduire une propriété de la membrane — sa taille de pore approximative — à partir de l'identité des molécules qui l'ont traversée et de celles qui ne l'ont pas traversée.

Protocole

Les solutions de contrôle (positives)

NaCl et amidon

1. À l'aide de.
2. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
3. À l'aide de la pipette, déposez 5 à 10 gouttes de solution de chlorure de sodium dans le puits étiqueté D.
4. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
5. À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de Lugol dans le puits étiqueté A.
6. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
7. À l'aide de la pipette, ajoutez 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté D.
8. Vider le surplus du compte-gouttes dans le bac de récupération.
9. Agitez bien les gobelets A et D à l'aide de la baguette de verre.

Les observations des réactions de contrôle se trouvent dans le tableau des résultats.

Glucose

1. Remplir un bécher de 500 mL avec 400 mL d'eau du robinet.
2. Insérez la tige magnétique dans le bécher.
3. Placez le bécher sur la plaque chauffante et réglez à 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
4. Allumez le moteur magnétique (bouton de gauche).
5. À l'aide de la pipette, introduire 10 mL de solution de glucose dans le tube à essai étiqueté G.
6. À l'aide de la pipette, ajoutez 10 mL de Fehling A dans le tube à essai étiqueté G.
7. À l'aide de la pipette, ajouter 10 ml de Fehling B dans le tube à essai étiqueté G.
8. Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
9. Placez une pince universelle sur le support gauche, au-dessus du bécher de 500 mL préparé à l'étape 1.
10. Fixer le tube à essai étiqueté G à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
11. Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez que la température atteigne plus de 70°C dans le tube à essai.
12. Prenez le tube à essai G et remettez-le à sa place d'origine dans le support à tubes à essai.
13. Mélangez le contenu du tube à essai en agitant quelques secondes avec la baguette de verre.
14. Une fois la réaction dans le tube à essai terminée (précipitation), abaisser la température de la plaque chauffante à 15°C.
15. Éteignez le moteur magnétique.

Les observations de la réaction témoin se trouvent dans le tableau des résultats.

Préparation du sac d'osmose et test de la solution initiale

1. Versez 300 ml d'eau tiède du robinet dans le bécher de 600 ml.
2. Faire tremper le sac de dialyse dans de l'eau tiède pour le rendre plus souple.
3. Mettez un bouchon noir au fond du sac de dialyse pour le fermer.
4. Dans l'éprouvette graduée de 10 mL, verser successivement à l'aide de la pipette 3 mL de solution d'amidon, 3 mL de chlorure de sodium et 3 mL de solution de glucose. Entre chaque substance, vider le surplus dans le récipient de récupération.
5. Placez le sac de dialyse horizontalement sur le comptoir, l'ouverture du côté large vers le haut. Versez le contenu de l'éprouvette graduée dans cette ouverture.
6. Placez le bécher vide de 250 ml à côté du support universel sur la droite.
7. Placez une pince universelle sur le support universel droit, au-dessus du centre du bécher.
8. Attacher le sac de dialyse au support universel droit, à l'aide de la pince universelle et placer l'ensemble verticalement dans le bécher de 250 mL. Veiller à ne pas verser le contenu du sac de dialyse dans le bécher.
9. Pour environ 200 mL d'eau distillée dans le bécher de 250 mL de manière à immerger le contenu du sachet dans l'eau. L'eau ne doit pas toucher l'extrémité où se trouve l'ouverture du sachet.
10. À l'aide de la pipette, prélevez le liquide du bécher dans lequel le sac de dialyse est immergé. Déposez 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits B et 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits E.
11. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
12. À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de solution de Lugol dans le puits étiqueté B.
13. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
14. À l'aide de la pipette, ajoutez 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté E.
15. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
16. Secouer vigoureusement les gobelets B et E avec la tige en verre.
17. Réglez la plaque chauffante sur laquelle se trouve toujours le bécher d'eau sur 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
18. Allumer l'agitateur magnétique (bouton de gauche).
19. À l'aide de la pipette, introduire 10 ml d'eau du bécher dans lequel trempe le sachet dans le tube à essai étiqueté H.
20. À l'aide de la pipette, ajoutez 10 ml de Fehling A dans le tube à essai étiqueté H.
21. À l'aide de la pipette, ajoutez 10 ml de Fehling B dans le tube à essai étiqueté H.
22. Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
23. Fixez le tube à essai étiqueté (H) à la pince universelle au-dessus du centre du bécher.
24. Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez qu'une température supérieure à 70°C soit atteinte dans le tube à essai.
25. Reprenez le tube à essai (H) et remettez-le à son emplacement initial sur le support à tubes à essai.
26. Mélangez le contenu du tube à essai en l'agitant pendant quelques secondes avec la tige de verre.
27. Baissez la température de la plaque chauffante à 15°C.
28. Éteindre l'agitateur magnétique.
29. Attendez 24h (utilisez le bouton horloge pour avancer dans le temps)

Test de la solution finale

1. À l'aide de la pipette, prélever le liquide du bécher dans lequel le sac de dialyse est trempé et déposer 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits C et 5 à 10 gouttes de la solution dans le puits F.
2. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
3. À l'aide du compte-gouttes, ajoutez 5 à 10 gouttes de Lugol dans le puits étiqueté C.
4. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
5. Utilisez la pipette pour ajouter 5 à 10 gouttes de nitrate d'argent dans le puits étiqueté F.
6. Videz l'excédent du compte-gouttes dans le récipient de récupération.
7. Agitez bien les éprouvettes C et F à l'aide de la tige de verre.
8. Réglez la plaque chauffante sur laquelle se trouve toujours le bécher d'eau sur 75°C. Attendez que la température soit atteinte.
9. Allumer l'agitateur magnétique (bouton de gauche).
10. À l'aide de la pipette, introduire 10 ml dans le tube à essai étiqueté I de l'eau du bécher dans lequel le sachet trempe.
11. À l'aide de la pipette, ajouter 10 ml du réactif de Fehling A dans le tube à essai étiqueté I.
12. À l'aide de la pipette, ajouter 10 mL de Fehling B dans le tube à essai étiqueté I.
13. Mélangez le contenu du tube à essai en le secouant quelques secondes.
14. Fixer le tube à essai étiqueté (I) au collier universel au-dessus du centre du bécher.
15. Insérez le thermomètre dans le tube à essai et attendez que la température dans le tube à essai atteigne plus de 70°C.
16. Prenez le tube à essai (I) et remettez-le à sa place d'origine sur le portoir à éprouvettes.
17. Mélangez le contenu du tube à essai en agitant quelques secondes avec la baguette de verre.
18. Baissez la température de la plaque chauffante à 15°C.
19. Éteindre l'agitateur magnétique.

Les observations se trouvent dans le tableau des résultats.

• Un résultat positif à la présence de glucides complexes se traduira par une coloration bleu-noir (complexe iode-amidon) dans le puits (test de Lugol).
• Un résultat positif pour la présence de NaCl entraînera un précipité blanc (AgCl) dans le puits (réaction au nitrate d'argent).
• Un résultat positif pour la présence de glucides simples donnera un précipité rouge brique (Cu2O) dans le tube à essai (réaction de Fehling).

Résultats attendus

Les trois substances et leurs tailles. Le résultat de l'expérience est déterminé presque entièrement par la taille moléculaire, il vaut donc la peine de placer les trois côte à côte avant d'examiner les résultats.

Résultats attendus. L'eau entourant le sachet et le contenu du sachet sont tous deux testés pour ces trois substances.

Le test à l'amidon. La solution de Lugol contient de l'iode ainsi que de l'iodure de potassium, qui se combinent pour donner du triiodure, I₂ + I⁻ → Je₃⁻. C'est l'ion triiodure, et non l'iode ou l'iodure seul, qui produit la couleur : il s'insère dans la spire hélicoïdale de la chaîne d'amylose, et le complexe hôte-invité résultant absorbe fortement dans le visible pour donner la couleur bleu-noir caractéristique. L'iodure seul ne donne aucune couleur avec l'amidon, c'est pourquoi le réactif doit contenir les deux.

Le test des chlorures. Les ions argent et les ions chlorure se combinent pour donner un précipité qui est essentiellement insoluble dans l'eau :

Argent⁺(aq) + Cl⁻(aq) → AgCl(s) K_sp = 1,8 × 10⁻¹⁰

Parce que K_sp est si infime qu'un trouble apparaît à des concentrations de chlorure bien inférieures à ce que l'œil pourrait autrement détecter, ce qui en fait un test sensible pour une substance qui n'a traversé la membrane qu'en quantité modeste.

Le test de glucose. Le réactif de Fehling est fourni sous forme de deux solutions qui sont combinées immédiatement avant l'utilisation. Le Fehling A est du sulfate de cuivre(II) ; le Fehling B est du tartrate de sodium et de potassium dans de l'hydroxyde de sodium à environ 2,5 M. Leur mélange donne une solution bleu foncé dans laquelle le tartrate maintient le cuivre(II) en solution sous forme de complexe soluble — sans ce tartrate fortement alcalin, le cuivre précipiterait simplement sous forme d'hydroxyde de cuivre(II) et le réactif serait inutile.

Le glucose est un sucre réducteur : il porte un groupe aldéhyde qui est oxydé lors du chauffage, et le cuivre(II) est réduit en échange en cuivre(I), ce qui laisse la solution sous forme de précipité rouge brique d'oxyde de cuivre(I) :

RCHO + 2 Cu²⁺ + 5 OH⁻ → RCOO⁻ + Cu₂O(s) + 3 H₂O

La réaction nécessite à la fois de la chaleur et un milieu fortement alcalin, c'est pourquoi le tube à essai est porté au-dessus de 70 °C dans le bain-marie. L'aspect attendu du tube G est donc bleu foncé avant chauffage et un précipité rouge brique après chauffage. Une erreur fréquente est de s'attendre à ce que le bleu fonce ; ce n'est pas le cas — le bleu correspond au complexe de cuivre(II) qui est consommé, et sa disparition sous le précipité rouge constitue le résultat positif.

La diffusion, et pourquoi elle s'arrête. Le glucose et les ions se déplacent parce que leurs concentrations diffèrent des deux côtés de la membrane. Le mouvement net se poursuit le long de ce gradient jusqu'à ce que les concentrations s'égalisent, moment auquel les passages dans les deux directions s'équilibrent et le système est à l'équilibre. Rien ne pompe les solutés ; le processus ne nécessite aucun apport d'énergie et ne peut pas déplacer une substance contre son propre gradient.

L'osmose, qui est un effet distinct. L'eau traverse également la membrane et se déplace préférentiellement vers le côté où la concentration totale de solutés dissous est la plus élevée. Au début, il s'agit de l'intérieur du sac, de sorte que l'eau pénètre et le sac devient nettement plus ferme. La pression qui devrait être appliquée pour arrêter ce flux est la pression osmotique, donnée pour une solution diluée par la relation de van 't Hoff :

Π = i M R T où i est le nombre de particules que chaque unité formulaire libère, M la molarité, R = 8,314 J·mol⁻¹·K⁻¹ et T la température absolue.

Le chlorure de sodium contribue deux fois plus à cette pression que la même molarité de glucose, car il se dissocie en deux ions tandis que le glucose reste sous forme d'une seule molécule. L'amidon ne contribue presque à rien malgré sa masse, puisque la pression osmotique compte les particules plutôt que les grammes — une seule molécule d'amidon transportant des milliers d'unités de glucose exerce l'effet osmotique d'une seule particule. C'est l'illustration la plus claire en laboratoire que la pression osmotique est une propriété colligative.

Une note sur le nom de ce laboratoire. Strictriement, le mouvement des solutés dissous à travers la membrane est la diffusion, ou la dialyse lorsqu'une membrane sépare les deux côtés ; l'osmose fait référence spécifiquement au mouvement du solvant. Les deux se produisent ici en même temps, et l'on peut raisonnablement demander à une classe de terminale d'identifier quelle observation démontre quoi.

Résumé du devoir par tranche d'âge

Classe de 3e à la 2de

• Focalisation perméabilité sélective en tant que propriété observable et lecture correcte d'un test chimique.
• Activités : assembler et monter la poche de dialyse ; effectuer les trois tests sur les deux échantillons et consigner chacun comme positif ou négatif dans un tableau ; indiquer quelle substance n'a pas quitté la poche ; décrire en termes simples pourquoi une grosse molécule ne peut pas traverser une petite ouverture ; noter que la poche semble plus ferme à la fin qu'au début.

11e année

• Focalisation diffusion selon un gradient de concentration, et la chimie de chaque test.
• Activités : Relier le résultat de réussite ou d'échec de chaque substance à sa masse molaire ; écrire l'équation ionique du test au nitrate d'argent et expliquer pourquoi un petit K_sp rend la chose délicate ; expliquez pourquoi le test de Fehling nécessite de la chaleur et un milieu alcalin, et pourquoi le bleu disparaît au lieu de s'intensifier ; prédisez ce que l'on observerait si le sac avait été rempli d'eau distillée et suspendu dans la solution mixte à la place.

12e année / Niveau universitaire

• Focalisation l'osmose en tant que propriété colligative, et la distinction entre la dialyse et l'osmose.
• Activités : Utiliser Π = iMRT pour comparer les contributions osmotiques de molarités égales de chlorure de sodium, de glucose et d'amidon, et expliquer pourquoi l'amidon ne contribue presque à rien malgré sa masse ; identifier quelles observations de l'expérience démontrent la diffusion des solutés et lesquelles démontrent le mouvement du solvant ; estimer une limite supérieure de la taille des pores de la membrane à partir de l'identité de la plus grande molécule l'ayant traversée ; discuter de ce qui limite la sensibilité de chacun des trois tests et lequel des trois serait le moins fiable pour détecter une petite quantité l'ayant traversée.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Bêchers (250 mL, 500 mL et 600 mL)
• Cornet de dialyse
• Bouchon noir (pour fermer le sac)
• Support universel
• Pince universelle
• Plaque à puits
• Tubes à essai et portoir à tubes à essai
• Gouttes
• Pipette
• Éprouvette graduée (10 mL)
• Baguette de verre
• Plaque chauffante avec bain-marie
• Barreau aimanté
• Thermomètre
• Gants et protection oculaire

Produits

• Solution d'amidon
• Solution de chlorure de sodium
• Solution de glucose
• Solution de Lugol 2 %
• Solution de nitrate d'argent
• Solution de Fehling A (sulfate de cuivre(II))
• Solution de Fehling B (tartrate de sodium et de potassium dans environ 2,5 M de NaOH)
• Eau distillée