Propiedades Coligativas: Impacto del Soluto en Soluciones
Las propiedades coligativas son propiedades físicas de las soluciones que dependen del número de partículas de soluto en una cantidad determinada de disolvente (o solvente), y no de la naturaleza del soluto.
Principales Propiedades Coligativas
- Disminución de la Presión de Vapor:
La presión de vapor de un disolvente desciende cuando se le añade un soluto no volátil. Este efecto es el resultado de dos factores:
- La disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre.
- La aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del disolvente, dificultando su paso a vapor.
Este principio fue establecido por el químico francés François Raoult, en la Ley de Raoult:
«La disminución de la presión del disolvente es proporcional a la fracción molar de soluto disuelto».
Las soluciones que siguen esta relación se denominan soluciones ideales. Sin embargo, muchas soluciones no presentan un comportamiento ideal.
Cálculo de la presión:
- Aumento del Punto de Ebullición:
El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala a la presión atmosférica. La presencia de un soluto no volátil en una solución eleva el punto de ebullición. Esto se debe a que las moléculas de soluto, al dificultar la evaporación del disolvente, disminuyen la presión de vapor. Por lo tanto, se requiere mayor temperatura para que la presión de vapor de la solución iguale a la presión atmosférica. El agua pura hierve a 100 °C.
Donde:
- Te: Diferencia entre los puntos de ebullición de la solución y del disolvente puro.
- Ke: Constante molal de ebullición (para el agua, 0.52 °C·kg/mol).
- m: Molalidad de la solución.
- Disminución del Punto de Congelación:
El punto de congelación de un líquido es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido y del sólido se igualan. En una solución, el punto de congelación es menor que el del disolvente puro. Esto ocurre porque la energía cinética de las moléculas disminuye al bajar la temperatura, aumentando las fuerzas intermoleculares y, por ende, facilitando la cristalización. El agua pura se congela a 0°C.
Cálculo del punto de congelación:
Donde:
- Tc: Diferencia entre los puntos de congelación de la solución y del disolvente puro.
- Kc: Constante molal de congelación (para el agua, 1.86 °C·kg/mol).
- m: Molalidad de la solución.
- Presión Osmótica:
La ósmosis es un fenómeno en el que, a través de una membrana semipermeable (que permite el paso del disolvente pero no del soluto), se igualan las concentraciones de dos soluciones de diferente concentración. Las moléculas de disolvente pasan de la solución más diluida a la más concentrada hasta que ambas alcanzan la misma concentración.
Este flujo de disolvente genera un aumento de presión en la solución más concentrada, que se conoce como presión osmótica (π).
Cálculo de la presión osmótica:
Donde:
- C: Molaridad o molalidad de la solución.
- R: Constante de los gases ideales (0.082 L·atm/°K·mol).
- T: Temperatura en Kelvin (°K). Si la temperatura está en °C, se le suma 273. Ejemplo: 20 °C + 273 = 293 °K.
Propiedades Coligativas de Disoluciones de Electrolitos
Las propiedades coligativas dependen del número total de partículas de soluto, ya sean iones o moléculas. Sin embargo, al comparar soluciones de electrolitos (sustancias que se disocian en iones) y no electrolitos, se observan diferencias.
En una disolución electrolítica, los iones no se distribuyen completamente al azar. Debido a las atracciones electrostáticas, los iones pueden colisionar y permanecer unidos temporalmente, formando un par iónico. Esto reduce el número efectivo de partículas independientes, disminuyendo la concentración molal aparente y, por lo tanto, afectando las propiedades coligativas (menor descenso del punto de congelación, menor aumento del punto de ebullición, menor disminución de la presión de vapor y menor presión osmótica).
El químico Jacobus Van’t Hoff estudió estas diferencias e introdujo el factor de Van’t Hoff (i), que se define como:
i = (Valor experimental de la propiedad coligativa) / (Valor teórico esperado para un no electrolito)
Este factor corrige las desviaciones observadas en las propiedades coligativas de las soluciones de electrolitos.