Chapitre 1 — Solutions, compartiments liquidiens et transports membranaires · Topic 1 : Solutions et concentrations · Leçon 1.2
Le cours de biophysique distingue six façons d’exprimer une concentration. Cette multiplicité n’est pas arbitraire : molarité et molalité ne coïncident pas pour les solutions biologiques, et l’osmolalité — pas l’osmolarité — est la grandeur mesurée par l’osmomètre clinique. Cette leçon pose les définitions, les formules de passage et la règle d’électroneutralité.
🎯 Objectifs pédagogiques
- Définir et formuler molarité et molalité ; identifier leur différence via la fraction aqueuse φ ;
- Définir et formuler osmolarité et osmolalité ;
- Calculer la concentration massique (cmassique) et la concentration équivalente (Céq) ;
- Énoncer et appliquer la règle d’électroneutralité.
🧭 Plan de la leçon
- Molarité et molalité
- Osmolarité et osmolalité
- Concentration massique et concentration équivalente
- Règle de l’électroneutralité
1. Molarité et molalité
Molarité (ou concentration molaire volumique) : nombre de moles de soluté par litre de solution.
cmolaire = nmol / Vsolution [mol/L] (1 mmol/L = 1 mol/m³)
Molalité : nombre de moles de soluté par kilogramme de solvant (eau).
Cmolale = nmol / msolvant [mol/kg]
Le lien entre les deux utilise la fraction aqueuse φ (volume d’eau / volume total de solution) :
Cmolale = cmolaire / φ
Pour une solution diluée (φ ≈ 1), molarité ≈ molalité. Pour le plasma (φ = 0,93), cmolale = cmolaire / 0,93 — une différence de ~7 %.
| Grandeur | Formule | Unité | Dénominateur |
|---|---|---|---|
| Molarité | nmol / Vsol | mol/L | Volume de solution |
| Molalité | nmol / meau | mol/kg | Masse de solvant |
| Osmolarité | nosm / Vsol | osmol/L | Volume de solution |
| Osmolalité | nosm / meau | osmol/kg | Masse de solvant |
2. Osmolarité et osmolalité
Osmolarité : somme des concentrations molaires de chaque espèce, pondérée par son coefficient ν :
Cosmolaire = Σ (νi × cmolaire,i) = nosm / Vsol [osmol/L]
Osmolalité : même calcul, mais rapporté à la masse de solvant :
Cosmolale = nosm / mH₂O [osmol/kg]
Relation de passage : Cosmolale = Cosmolaire / φ
Pourquoi l’osmolalité est-elle préférée en clinique ? Contrairement à l’osmolarité, elle est indépendante de la température et de la pression (la masse ne varie pas), ce qui la rend directement mesurable par osmométrie par abaissement du point de congélation.
Une solution est dite diluée si sa fraction molaire en eau est ≥ 99 % (fH₂O ≥ 0,99), ce qui équivaut à une osmolalité < 560 mosmol/kg. Le plasma (311 mosmol/kg d’eau) est bien une solution diluée : φ ≈ 0,93 dans les conditions normales. En revanche, l’intérieur des globules rouges contient 340 g/L d’hémoglobine (M = 65 000 g/mol, ρ = 1,35 kg/L), ce qui donne une fraction aqueuse φ ≈ 0,748 — les GR ne sont donc pas en solution diluée au sens strict.
3. Concentration massique et concentration équivalente
Concentration massique : masse de soluté par litre de solution.
cmassique = m / Vsolution [g/L]
Passage via la masse molaire M : cmassique = cmolaire × M
Concentration équivalente : nombre de charges par litre de solution. S’applique uniquement aux espèces chargées.
Céq = |charge| × cmolaire [Eq/L ou mEq/L]
Exemples : Na⁺ (charge +1) → Céq = 1 × cmolaire ; Ca²⁺ (charge +2) → Céq = 2 × cmolaire ; SO₄²⁻ (charge −2) → Céq = 2 × cmolaire.
4. Règle de l’électroneutralité
Dans toute solution biologique, la somme des concentrations équivalentes des cations est égale à celle des anions :
Σ Céq (cations) = Σ Céq (anions)
Dans le plasma, le principal cation est Na⁺ (135-145 mEq/L) et les principaux anions sont Cl⁻ (~102 mEq/L) et HCO₃⁻ (~26 mEq/L). Le « trou anionique » (anion gap) correspond aux anions non mesurés qui complètent la balance.
Cette règle permet de vérifier la cohérence d’un ionogramme et de détecter des erreurs analytiques ou des anions inhabituels (lactates, corps cétoniques).
🧠 À retenir absolument
- Molarité = nmol/Vsolution [mol/L] ; molalité = nmol/meau [mol/kg].
- Osmolarité = nosm/Vsol [osmol/L] ; osmolalité = nosm/mH₂O [osmol/kg].
- Fraction aqueuse φ : Cmolale = cmolaire/φ ; Cosmolale = Cosmolaire/φ. Plasma : φ = 0,93.
- Concentration massique = cmolaire × M [g/L].
- Concentration équivalente = |charge| × cmolaire [Eq/L]. Réservée aux espèces ioniques.
- Osmolalité préférée en clinique : indépendante de T et P, mesurable par cryoscopie.
- Solution diluée : fH₂O ≥ 99 % (osmolalité < 560 mosmol/kg). Le plasma l’est ; les GR ne le sont pas.
- Électroneutralité : Σ Céq(cations) = Σ Céq(anions).
❓ Questions fréquentes
Pourquoi molarité et molalité sont-elles différentes pour une solution biologique ?
Parce que la molarité rapporte les moles au volume total de solution (eau + soluté), tandis que la molalité les rapporte à la masse d’eau seule. Dans une solution très diluée, le soluté ne « prend » pas de place notable et les deux valeurs sont proches. Dans le plasma (φ = 0,93), les protéines et lipides occupent 7 % du volume : la natrémie de 140 mmol/L donne une molalité de 140/0,93 ≈ 150 mmol/kg. C’est la molalité qui compte pour l’osmomètre.
Quelle est la différence pratique entre osmolarité et osmolalité ?
L’osmolalité est indépendante de la température et de la pression (la masse ne varie pas), ce qui en fait la grandeur mesurée par les osmomètres cliniques (méthode cryoscopique). L’osmolarité, exprimée par litre de solution, dépend de la température (dilatation thermique). En pratique, pour les solutions biologiques diluées, les deux sont très proches, mais la valeur de référence en biologie — 311 mosmol/kg — est une osmolalité.
Quand utilise-t-on la concentration équivalente ?
La concentration équivalente s’emploie uniquement pour les espèces ioniques, pour exprimer leur capacité à neutraliser des charges opposées. Elle est particulièrement utile pour vérifier l’électroneutralité d’un ionogramme : on peut comparer directement les charges positives (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺) et négatives (Cl⁻, HCO₃⁻, protéines) sans avoir à multiplier par la valence à chaque étape. Elle s’exprime en Eq/L ou mEq/L. Pour le glucose (neutre), la concentration équivalente n’a pas de sens.
Comment utiliser la fraction aqueuse φ dans les calculs ?
φ est la fraction du volume de solution qui est de l’eau. Dans le plasma, φ ≈ 0,93 (les protéines et lipides occupent 7 % du volume). Pour passer de molarité à molalité, on divise par φ : Cmolale = cmolaire / φ. En pratique, connaître φ permet de corriger les concentrations mesurées (ex. natrémie « vraie » en mmol/kg d’eau vs natrémie « apparente » en mmol/L de plasma — erreur systématique importante en cas de dysprotidémie ou d’hyperlipidémie).
Comment l’électroneutralité permet-elle de détecter une erreur ou une anomalie ?
En additionnant les cations et les anions mesurables du plasma (en mEq/L), on calcule le trou anionique (TA = Na⁺ − Cl⁻ − HCO₃⁻, valeur normale ≈ 12 mEq/L). Un TA élevé signale la présence d’anions non mesurés : lactates (acidose lactique), corps cétoniques (acidocétose diabétique), ou intoxication (méthanol, salicylés). Un TA calculé négatif suggère une erreur analytique. C’est un outil de raisonnement clinique fondamental en médecine d’urgence.
🚀 Pour aller plus loin
Contenu pédagogique original — Réussir SVT. L’équipe Réussir SVT.