Chapitre 2 — Compartiments liquidiens · Topic 1 : Solutions biologiques · Leçon 1.2
Les milieux biologiques sont décrits par une multitude de concentrations : molaire, molale, massique, équivalente. Savoir passer de l’une à l’autre est une compétence indispensable en biophysique PASS/LAS. Cette leçon détaille chaque grandeur, les formules de conversion et les pièges d’unités.
🎯 Objectifs pédagogiques
À la fin de cette leçon, tu sauras :
- définir molarité et molalité et les relier via la fraction aqueuse ;
- définir la concentration massique et convertir via la masse molaire ;
- définir la concentration équivalente (normalité) pour les espèces chargées ;
- appliquer le principe d’électroneutralité ;
- réaliser des exercices de conversion (petits ions, glucose, plasma).
🧭 Plan de la leçon
- Molarité et molalité
- Concentration massique et conversions
- Concentration équivalente et électroneutralité
- Applications : petits ions, glucose, plasma
1. Molarité et molalité
Ces deux grandeurs expriment la quantité de soluté dans un milieu, mais diffèrent par leur référence :
| Grandeur | Formule | Unité | Référence |
|---|---|---|---|
| Molarité (cmolaire) | nmol / Vsolution | mol/L | Volume de solution |
| Molalité (cmolale) | nmol / msolvant | mol/kg | Masse de solvant |
Les deux sont reliées par la fraction aqueuse :
cmolaire = φ × cmolale
avec φ = VH2O / Vsolution. Pour des petits ions de volume négligeable, φ ≈ 1 et molarité ≈ molalité. Pour le plasma, φ ≈ 0,93.
1 mmol/L = 1 mol/m3. Cette conversion est très fréquente en exercice (la pression osmotique s’exprime en SI, donc en osmol/m3).
2. Concentration massique et conversions
La concentration massique (ou pondérale) exprime la masse de soluté par unité de volume de solution :
cmassique = m / Vsolution (en g/L)
On peut aussi l’exprimer en g/kg de solvant (concentration massique molale) :
cmassique,molale = m / msolvant = m / VH2O (en g/L d’eau si solvant = eau)
cmassique = cmolaire × M
où M est la masse molaire (en g/mol). Attention à bien convertir les unités si les concentrations sont en mmol/L.
Fraction aqueuse et cas du plasma
Le plasma contient environ 70 g/L de protéines. Son volume n’est donc pas constitué uniquement d’eau :
- Pour 1 L de plasma : Veau ≈ 930 mL → φ = 0,93.
- Une espèce dissoute dans le plasma a une molalité supérieure à sa molarité (car le volume d’eau est inférieur au volume de solution).
Exemple — glucose dans le plasma. 60 g de glucose dans 1 L de plasma (φ = 0,93) :
- n = 60/180 = 0,333 mol.
- Molarité = 0,333/1 = 0,333 mol/L.
- Molalité = 0,333/0,93 = 0,358 mol/kg.
- cmassique = 60 g/L ; cmassique,molale = 60/0,93 = 64,5 g/L d’eau.
Les masses s’additionnent exactement (msolution = msoluté + msolvant), mais les volumes ne s’additionnent qu’approximativement (Vsolution ≈ Vsoluté + Vsolvant). Pour calculer Vsolution, utilise la masse volumique ρ : Vsolution = msolution / ρ.
3. Concentration équivalente et électroneutralité
La concentration équivalente (autrefois appelée « normalité ») intègre la charge de l’ion. Elle n’existe que pour les espèces chargées :
Céquivalente = |charge| × Cmolaire (en Eq/L ou mEq/L)
Exemple : [Ca2+] = 3 mmol/L → Céq = 2 × 3 = 6 mEq/L.
Pour Na+ (charge +1) → Céq = Cmolaire directement.
Son intérêt principal : vérifier l’électroneutralité.
Dans toute solution, la somme des concentrations équivalentes des cations est égale à la somme des concentrations équivalentes des anions :
ΣCéq(cations) = ΣCéq(anions)
Ce principe est systématiquement vérifié dans les exercices et utile pour retrouver une concentration manquante dans un ionogramme.
Complément hors cours. En clinique, le trou anionique (TA) est la différence entre les cations mesurés et les anions mesurés : TA = [Na+] − ([Cl−] + [HCO3−]). Normalement de 12 ± 4 mEq/L, un TA augmenté oriente vers une acidose métabolique par gain d’acide (acidocétose diabétique, acidose lactique, intoxication).
4. Applications : petits ions, glucose, plasma
Cas des petits ions (volume négligeable)
Exemple — NaCl 12 g/L. MNaCl = 58,5 g/mol, ν = 2.
- nNaCl = 12/58,5 = 0,205 mol → nosm = 2 × 0,205 = 0,410 osmol.
- Molarité = 205 mmol/L. Molalité ≈ molarité (ions de volume négligeable → 1 L de solution ≈ 1 L d’eau).
- Osmolarité = 410 mosmol/L ≈ osmolalité.
Cas du glucose (volume non négligeable) dans l’eau
Détail complet dans la section 3 ci-dessus. Le point crucial : quand le soluté a un volume non négligeable, Vsolution > Veau, et la molarité < molalité.
Cas du plasma — le suffixe « -émie »
Quand la solution de référence est le plasma, on utilise le suffixe « -émie » :
- Natrémie : [Na+] plasmatique ≈ 135-145 mmol/L.
- Calcémie : [Ca2+] plasmatique ≈ 2,5 mmol/L.
- Glycémie : [glucose] plasmatique ≈ 5 mmol/L.
- Hémoglobinémie : normalement nulle (l’hémoglobine est dans les GR, pas dans le plasma). Si elle est détectable, cela signifie qu’il y a eu hémolyse.
Complément hors cours. L’ionogramme sanguin est l’analyse biologique qui mesure les concentrations des ions du plasma. Il est prescrit systématiquement en urgence et comporte au minimum Na+, K+, Cl−, HCO3−. Le calcium, le phosphore et le magnésium sont demandés séparément.
L’hématocrite
L’hématocrite (Ht) est le rapport du volume des globules sur le volume de sang total :
Ht = Vglobules / Vsang
On en déduit le volume plasmatique : Vplasma = (1 − Ht) × Vsang. En conditions physiologiques, on néglige le volume des globules blancs et des plaquettes : Vglobules ≈ VGR.
🧠 À retenir absolument
- Molarité (mol/L de solution) vs molalité (mol/kg de solvant) : cmolaire = φ × cmolale.
- Concentration massique : cmassique = cmolaire × M.
- Concentration équivalente : Céq = |charge| × Cmolaire. N’existe que pour les ions.
- Électroneutralité : ΣCéq(cations) = ΣCéq(anions).
- Fraction aqueuse du plasma : φ ≈ 0,93.
- Les masses s’additionnent ; les volumes ne s’additionnent qu’approximativement.
- Le suffixe « -émie » désigne une concentration plasmatique.
- Hématocrite : Ht = VGR / Vsang.
❓ Questions fréquentes
Quand la molarité est-elle différente de la molalité ?
Quand le soluté occupe un volume non négligeable (grosses molécules comme le glucose ou les protéines), le volume de solution est supérieur au volume d’eau. La molarité (par litre de solution) est alors inférieure à la molalité (par kilogramme d’eau). Pour des petits ions, les deux sont quasi identiques.
Pourquoi utiliser la concentration équivalente plutôt que la molarité ?
La concentration équivalente intègre la charge ionique, ce qui permet de vérifier directement l’électroneutralité d’une solution. Un ion divalent (Ca²⁺) contribue deux fois plus à la charge qu’un ion monovalent (Na⁺) pour la même concentration molaire.
Comment retrouver la fraction aqueuse du plasma ?
Le plasma contient environ 70 g/L de protéines. Ces protéines occupent un certain volume. Comme 1 L de plasma ≈ 930 mL d’eau + 70 mL de protéines (approximation), la fraction aqueuse est φ = 0,93. Cette valeur est souvent donnée dans l’énoncé.
Que signifie une hémoglobinémie détectable ?
Normalement, l’hémoglobine est contenue dans les globules rouges et absente du plasma. Si on la détecte dans le plasma, c’est qu’il y a eu hémolyse (éclatement des GR), pathologique ou artéfactuelle (prélèvement traumatique).
À quoi sert le trou anionique en clinique ?
Le trou anionique (TA = [Na+] – [Cl-] – [HCO3-], normalement 12 +/- 4 mEq/L) reflète les anions non mesurés du plasma (protéines, lactate, sulfate). Un TA augmenté oriente vers une acidose métabolique par accumulation d’acides (acidocétose diabétique, acidose lactique, intoxication), ce qui en fait un outil diagnostique rapide en urgence.
🚀 Pour aller plus loin
Tu maîtrises les conversions entre concentrations. Découvre maintenant les forces qui en découlent :
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.