Comment calculer la pression osmotique d’une solution

La pression osmotique , représentée par la lettre grecque pi ( π ), est une propriété colligative des solutions qui correspond à la pression qu’il faut appliquer à une solution pour arrêter l’osmose . Cette dernière consiste en le passage du solvant à travers une membrane semi-perméable d’une solution plus diluée (ou d’un réservoir de solvant pur) à une solution plus concentrée.

Étant une propriété colligative, c’est-à-dire qu’elle provient de l’effet collectif des particules qui composent une solution et non de leur nature, la pression osmotique peut être calculée à partir de la connaissance de la composition de ladite solution. En d’autres termes, si nous savons de quoi est composée une solution et en quelles quantités tous les composants se trouvent, alors nous pouvons calculer la pression osmotique.

Dans la section suivante, trois exemples de calcul de la pression osmotique dans différentes situations sont présentés :

• Dans des solutions avec un soluté moléculaire ou sans électrolyte.
• Dans les solutions électrolytiques.
• Dans les solutions à plusieurs solutés.

Dans tous ces cas, le calcul de la pression osmotique est basé sur l’utilisation de l’équation suivante :

où π est la pression osmotique, R est la constante universelle des gaz, T est la température absolue en Kelvin et M est la concentration molaire de toutes les particules de soluté libres présentes dans la solution. Cette dernière concentration dépend du type de soluté ou de solutés présents et consiste essentiellement en la somme des concentrations de toutes les particules osmotiquement actives, c’est-à-dire celles qui ne peuvent pas traverser une membrane semi-perméable.

Dans le cas des solutés moléculaires neutres, c’est-à-dire ceux qui ne sont pas des électrolytes, M est simplement la molarité. Cependant, dans le cas des électrolytes, M représente la somme des concentrations des ions qui se forment par dissociation et des molécules qui restent non dissociées.

Étant donné que la concentration des ions et des molécules non dissociées dépend du degré de dissociation, et que celui-ci est déterminé par la constante de dissociation et par la concentration initiale ou analytique du soluté, alors la concentration totale de particules osmotiquement actives peut être liée à la concentration initiale en multipliant par un facteur connu sous le nom de facteur de van’t Hoff, i,  qui est donné par :

Ce facteur peut être déterminé de différentes manières selon le type de soluté considéré :

• Pour les électrolytes forts, ceux qui se dissocient complètement, le facteur de van’t Hoff est égal au nombre total d’ions qui se dissocient en, quelles que soient leurs charges électriques.
• Pour les électrolytes faibles, ce facteur peut être déterminé à partir de la constante de dissociation, mais il est également tabulé pour différents solutés à différentes températures, ce qui est plus pratique.
• Dans le cas de solutés non électrolytiques ou de solutés moléculaires, le facteur est simplement 1.

En multipliant la molarité ou la concentration analytique de l’électrolyte par ce facteur, on obtient la concentration réelle de particules osmotiquement actives présentes dans la solution, de sorte que la pression osmotique reste :

Étapes pour calculer la pression osmotique

Le calcul de la pression osmotique de toute solution peut être résumé dans les étapes suivantes :

• Etape 1 : Extraire les données du relevé et effectuer les transformations unitaires nécessaires.
• Étape 2 : Déterminer le type de soluté ou de solutés et la valeur du coefficient ou facteur de van’t Hoff.
• Étape 3 : Calculez la molarité initiale ou la concentration molaire du ou des solutés.
• Étape 4 : Utilisez la formule pour calculer la pression osmotique.

Ensuite, il est montré comment suivre ces étapes pour calculer la pression osmotique dans les trois situations mentionnées ci-dessus.

Cas 1 : Calcul de la pression osmotique d’une solution non électrolytique

déclaration

Déterminer la pression osmotique à 25,0 °C d’une solution contenant 30,0 g de glucose (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) dissous dans suffisamment d’eau pour faire 150,0 mL de solution.

Étape 1 : Extrayez les données de l’instruction et effectuez les transformations unitaires nécessaires.

Dans ce cas, la température, la masse du soluté et le volume de la solution sont donnés. La température doit être transformée en Kelvin et le volume en litres (puisque la molarité sera calculée).

Aussi, à moins que nous ayons déjà son nombre de moles, nous avons toujours besoin de la masse molaire du soluté :

Étape 2 : Déterminer le type de soluté ou de solutés et la valeur du coefficient ou facteur de van’t Hoff.

Le glucose est un composé moléculaire neutre, ce qui signifie qu’il est un non-électrolyte (ne se dissocie pas en solution). Pour cette raison, son facteur de van’t Hoff est égal à 1.

Étape 3 : Calculez la molarité initiale ou la concentration molaire du ou des solutés.

Puisque nous avons la masse du soluté, le volume de la solution et la masse molaire du soluté, il suffit d’appliquer la formule de molarité :

Étape #4 : Utilisez la formule pour calculer la pression osmotique.

Nous avons maintenant tout ce dont nous avons besoin pour calculer la pression osmotique. Selon les unités dans lesquelles nous voulons calculer la pression, nous pouvons utiliser différentes valeurs de la constante des gaz parfaits. Pour les besoins de la plupart des calculs effectués en chimie et en biologie, cette pression est calculée en atmosphères, c’est donc la constante des gaz parfaits qui est utilisée dans ces unités, soit 0,08206 atm.L/ mol.K :

Cas 2 : Calcul de la pression osmotique d’une solution d’électrolyte

déclaration

Déterminer la pression osmotique à 37,0 °C d’une solution qui contient 0,900 g de chlorure de sodium (NaCl) pour 100,0 mL de solution.

Etape 1 : Extraire les données du relevé et effectuer les transformations unitaires nécessaires.

Dans ce cas, la température, la masse du soluté et le volume de la solution sont à nouveau donnés. Encore une fois, la température doit être transformée en Kelvin et le volume en litres et la masse molaire du soluté doit être calculée :

Étape 2 : Déterminer le type de soluté ou de solutés et la valeur du coefficient ou facteur de van’t Hoff.

Le chlorure de sodium est un électrolyte puissant qui se dissocie complètement en solution aqueuse. La réaction de dissociation est :

Comme on peut le voir, chaque unité de formule de NaCl donne naissance à deux ions, un cation sodium et un anion chlorure, et il ne reste aucune unité NaCl non dissociée. Par conséquent, pour ce soluté, le coefficient ou facteur de van’t Hoff a une valeur de 2.

Étape 3 : Calculez la molarité initiale ou la concentration molaire du ou des solutés.

Comme dans le cas précédent, nous avons la masse du soluté, le volume de la solution et la masse molaire du soluté, donc la molarité est donnée par :

Étape #4 : Utilisez la formule pour calculer la pression osmotique.

Cette étape se déroule de la même manière que précédemment. Encore une fois, nous calculerons la pression osmotique dans les atmosphères :

Cas 3 : Calcul de la pression osmotique d’une solution à plusieurs solutés

déclaration

Déterminer la pression osmotique à la température corporelle moyenne de 37°C d’une solution de Ringer lactate ayant la composition suivante :

chlorure de sodium 102,7 mM

27,8 mM de lactate de sodium (NaC ₃ H ₅ O ₃ )

Chlorure de potassium 5,4 mM

1,8 mM de chlorure de calcium dihydraté.

Il s’agit d’un exemple important de calcul de la pression osmotique, puisque des sérums tels que la solution de Ringer lactée citée ci-dessus doivent être préparés avec une pression osmotique spécifique. Certains sont réglés pour avoir la même pression osmotique que le sérum sanguin, tandis que d’autres sont réglés pour avoir une pression osmotique supérieure ou inférieure, en fonction de l’état du patient.

Etape 1 : Extraire les données du relevé et effectuer les transformations unitaires nécessaires.

Dans ce cas, nous avons une solution avec quatre solutés différents. Les concentrations des solutés sont fournies directement, mais en unités de mM (millimolaire) elles doivent donc être transformées en molarité. La température est également fournie, qui doit être transformée en Kelvin. La première transformation s’effectue en divisant par 1000.

Étape 2 : Déterminer le type de soluté ou de solutés et la valeur du coefficient ou facteur de van’t Hoff.

Le chlorure de sodium, le lactate de sodium et le chlorure de potassium sont des électrolytes puissants qui se dissocient pour former chacun 2 ions, de sorte que leurs coefficients de van’t Hoff sont égaux à 2.

Dans le cas du chlorure de calcium, la réaction de dissociation est :

S’il se dissocie complètement, 3 ions au total seraient produits, donnant un facteur de van’t Hoff de 3. Cependant, il a été déterminé expérimentalement que ce soluté ne se dissocie pas complètement, et qu’il a un facteur légèrement inférieur à 2, 7.

Étape 3 : Calculez la molarité initiale ou la concentration molaire du ou des solutés.

Cette étape n’est pas nécessaire pour ce problème puisque l’instruction a fourni toutes les concentrations nécessaires.

Étape 4 : Utilisez la formule pour calculer la pression osmotique.

Lorsqu’il y a plusieurs solutés, la pression osmotique totale correspond simplement à la somme des contributions de chacun d’eux. Ceci peut être résumé comme suit :

où la somme est sur tous les solutés présents, qu’ils soient électrolytiques ou non électrolytiques. Le résultat de cette sommation est ce que l’on appelle communément l’osmolarité de la solution, c’est-à-dire la concentration totale de toutes les particules osmotiquement actives.

Puisque nous avons déjà toutes les données nécessaires, tout est question d’appliquer cette formule pour calculer la pression osmotique :

Les références

Brown, T. (2021). Chimie: The Central Science (11e éd.). Londres, Angleterre : Pearson Education.

Castro, S. (2019, 22 février). Formule de pression osmotique et exercices résolus. Extrait de https://www.profesor10demates.com/2018/12/presion-osmotica-formula-y-ejercicios-resueltos.html

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS et Herranz, ZR (2020). Chimie (10e éd.). New York, NY : MCGRAW-HILL.

Fondation pour la Formation et la Recherche en Santé de la Région de Murcie. (sd). 2.-Principes de base de l’osmose et de la pression osmotique. Calcul de l’osmolalité plasmatique (OSMP). Extrait de http://www.ffis.es/volviendoalobasico/2principios_bsicos_de_la_smosis_y_la_presin_onctica_clculo_de_la_osmolalidad_plasmtica_osmp.html

Jeune. (sd). Électrolytes : Facteur de van’t Hoff | Protocole (traduit en espagnol). Extrait de https://www.jove.com/science-education/11371/electrolitos-factor-de-van-t-hoff?language=Spanish

Tabazz, U. (2012, 20 septembre). Électrochimie. Extrait de https://www.slideshare.net/utabazz/electroquimica-14366482