PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS SOLUCIONES

PROPIEDADES COLIGATIVAS DE LAS
SOLUCIONES
Propiedades coligativas son aquellas propiedades físicas de las soluciones que
dependen de la cantidad del soluto que hay en determinada cantidad de solvente y no de
la naturaleza del soluto y del solvente.
Con lo anterior podemos notar que por ejemplo la solubilidad no es una propiedad
coligativa, ya que depende de la naturaleza del soluto y el solvente1.
Las propiedades coligativas que serán estudiadas son las siguientes:
•
•
•
•
Disminución en la presión de vapor
Elevación en el punto de ebullición
Disminución en el punto de congelación
Presión osmótica
DISMINUCIÓN EN LA PRESIÓN DE VAPOR
Un líquido puro tiende a evaporarse para poder igualar la presión ejercida por él al
ambiente que lo rodea. Cuando al líquido se le añade un soluto, dicho soluto ocupa parte
del volumen total de la solución; lo mismo sucede en la superficie, el soluto utiliza parte
de la superficie que antes (cuando el solvente estaba puro) la utilizaba por completo el
solvente, y no permite que en esas zonas se evapore libremente el solvente y provoca que
la presión de vapor disminuya.
Figura 1. Disminución en la presión
de vapor por presencia de solutos
1
Si ambos son polares son solubles y si uno es polar y el otro apolar, no son solubles.
Para que el fenómeno anterior se cumpla, el soluto debe ser un sólido no ionizable o un
líquido no volátil; esto porque los sólidos ionizables, al disolverse en agua, pueden tener
una reacción exotérmica que haga subir la temperatura gradualmente y eso haga que se
evapore más líquido y la presión de vapor en lugar de disminuir, aumente. En el caso de
los solutos líquidos volátiles, estos pueden tener una presión de vapor más alta que la del
solvente y nuevamente, en lugar de disminuir la presión de vapor, esta aumentaría.
Ley de Raoult
La ley de Raoult se expresa matemáticamente como sigue:
Psolvente =Xsolvente P°solvente
Ecuación 1.
Donde:
• Psolvente = presión de vapor del solvente en solución
• Xsolvente = fracción molar del solvente en la solución
• P°solvente = presión de vapor del solvente puro
Para simplificar la notación, se utilizará ste para indicar solvente, sto para indicar soluto y
sln para indicar solución.
En la ecuación 1 puede notarse que la presión de vapor del solvente depende
directamente de la fracción mol del solvente en solución y no de la naturaleza del
solvente, por tanto, es una propiedad coligativa. En cuanto a la presión de vapor del
solvente puro, esta es una constante para una temperatura determinada, por ejemplo,
para el agua a 100°C, la presión de vapor del agua pura es de 1atm.
Para calcular el cambio en la presión de vapor se utiliza la expresión que sigue:
Ecuación 2.
∆Pste =P°ste - Pste
Sustituyendo la ecuación 1 en la ecuación 2 se obtiene lo siguiente:
∆Pste =P°ste -Xste P°ste
∆Pste =P°ste (1-Xste )
2
∆Pste =P°ste Xsto
2
Xsto =
nsto
nsln
y
Xste =
Xsto +Xste =1 → Xsto =1-Xste
nste
nsln
; por tanto Xsto + Xste =
Ecuación 3.
nsto
nsln
+
nsto
nsln
=
nstoାnsto
nsln
=
nsln
nsln
= 1 y puede despejarse:
AUMENTO EN EL PUNTO DE EBULLICIÓN
El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor iguala a la presión
externa aplicada sobre la superficie de la solución.
Como se vio anteriormente, la presión de vapor disminuye por la presencia de solutos, por
tanto, es más difícil que en una solución la presión de vapor se iguale a la presión externa
aplicada en la superficie y por tanto, es necesario elevar la temperatura para que haya
más desorden y pueda haber más evaporación hasta que la presión de vapor sea igual a la
presión externa ejercida sobre la superficie del líquido.
El cambio de la temperatura de ebullición obedece a la expresión siguiente:
∆Te =Te - T°e =Ke m
Ecuación 4.
Donde:
• Te = temperatura de ebullición de la solución
• T°e = temperatura de ebullición del solvente puro
• Ke = constante de elevación del punto de ebullición del solvente (unidades de
temperatura entre molalidad)
• m= molalidad de la solución
DISMINUCIÓN EN EL PUNTO DE CONGELACIÓN
El punto de congelación es la temperatura a la cual la energía cinética es tan baja que
las fuerzas intermoleculares son capaces de sostener firmemente las moléculas entre sí
que haya un cambio de la fase líquida a la fase sólida.
En la figura 2 se muestra cómo las moléculas de solvente son separadas unas de otras al
añadir un soluto; esta distancia extra, hace que las fuerzas electrostáticas con las que se
unen las moléculas de solvente entre sí, sean menores y sea necesaria más energía
electrostática para unirlas.
Al disminuir la temperatura, se disminuye la energía cinética de las moléculas de solvente,
esta energía es la responsable del movimiento de estas moléculas; al disminuir la energía
cinética, las moléculas se mueven menos y pueden sostenerse con mayor facilidad para
formar la fase sólida3; en una solución, debido al distanciamiento entre las moléculas de
3
Al disminuir la energía cinética, la cantidad de energía de enlace intermolecular, se vuelve relativamente
más significativa.
solvente, es necesario disminuir aún más la temperatura para que se cambie de estado de
agregación.
Figura 2. Representación de la
separación de moléculas de solvente
por la presencia de solutos.
El cambio de la temperatura de congelación obedece a la expresión siguiente:
Ecuación 5.
∆Tc =T°c - Tୡ =Kୡ m
Donde:
• Tc = temperatura de congelación de la solución
• T°c = temperatura de congelación del solvente puro
• Kc = constante de depresión del punto de congelación del solvente (unidades de
temperatura entre molalidad)
• m= molalidad de la solución
PRESIÓN OSMÓTICA
Ósmosis: es el proceso espontáneo mediante el cual las moléculas de disolvente pasan a
través de una membrana semipermeable, de una solución de baja concentración de soluto
a una solución de alta concentración de soluto.
Figura 3. Representación del fenómeno de ósmosis debido a la diferencia de concentración de soluto en
ambos lados de la membrana semi-permeable.
El fenómeno de ósmosis se da por la diferencia de concentraciones entre la solución de un
lado de la membrana y la del otro lado; entre mayor sea la diferencia, mayor será la
velocidad con que pase solvente del lado diluido al concentrado, conforme pase dicho
solvente de un lado a otro, la concentración del lado concentrado, irá disminuyendo y la
diferencia de las concentraciones a ambos lados también disminuirá hasta que en un
momento determinado, estas concentraciones sean iguales y el fenómeno de ósmosis
pare.
La presión aplicada sobre la membrana semipermeable cuando el fenómeno de ósmosis
para, es la presión osmótica.
Presión osmótica en soluciones diluidas
El soluto en una solución diluida se comporta como un gas ideal ya que las interacciones
entre una partícula y otra de soluto son insignificantes y están completamente dispersas
en un medio que en este caso es el solvente. Por lo mencionado, la presión osmótica en
una solución diluida puede expresarse según la ley de los gases ideales:
PV=nRT → P=
nRT
V
Se sabe que n/V es igual a la concentración molar de soluto y por ello, será sustituido por
M y para diferenciar la presión de un gas, de la de un soluto, en lugar de P se utilizará el
símbolo π.
π=MRT