Propiedades coligativas de las soluciones

Introducción

Cuando dos o más sustancias se mezclan para dar lugar a una solución, el resultado es una sustancia con una serie de propiedades físicas propias y diferentes a aquellas que poseían las sustancias originales. Estas propiedades emergentes en las soluciones reciben el nombre de propiedades coligativas y dependen directamente de la concentración de soluto, mas no de su naturaleza química. A continuación profundizaremos sobre algunas de estas propiedades.

Presión de vapor

Las moléculas de un líquido cualquiera, a una determinada temperatura, poseen una cierta cantidad de energía cinética. Algunas moléculas, especialmente aquellas situadas cerca de la superficie, pasan espontáneamente al estado gaseoso, es decir, se volatilizan. No obstante, como resultado de las constantes colisiones entre moléculas, muchas de estas regresan nuevamente al líquido, dando como resultado un estado de equilibrio entre las fases gaseosa y líquida de la sustancia. Ahora bien, si el líquido se haya contenido en un recipiente cerrado, la fracción gaseosa ejercerá presión sobre la tapa del recipiente, al golpearla continuamente. Esta presión, denominada presión de vapor, se puede medir y es característica de cada sustancia (fig. 1).

La proporción entre las fases gas-líquido, depende de la fuerza de cohesión existente entre las moléculas. Si la cohesión es débil, una gran cantidad de moléculas se volatilizarán. Mientras que, si la cohesión es fuerte, serán muy pocas las que lo consigan. Esto es lo que determina que unas sustancias sean más volátiles que otras. Por otro lado, la presión de vapor aumenta con la temperatura, ya que, al contar con mayor energía cinética, más moléculas pasarán a la fase gaseosa.

Una solución cuyo soluto sea no volátil, poseerá una presión de vapor menor que la observada en el solvente puro. Por el contrario, si el soluto es volátil, la presión de vapor de la solución será la suma de las presiones parciales de los componentes de la mezcla. Estas relaciones se resumen en la ley de Raoult, formulada por François Raoult (1830-1901) en 1887.

Matemáticamente, la ley de Raoult se expresa así cuando el soluto es no volátil:

P⁰ᴀ = Pᴀ * Xᴀ

Donde Pᴀ es la presión de la solución, Pᴀ⁰ es la presión del solvente puro y Xᴀ es la fracción molar del solventes en la solución. Así, entre más diluida sea la solución, menor será la disminución de la vapor (fig. 2)

Para dos componentes volátiles tendremos:

P𝘴𝘰𝘭𝘶𝘤𝘪𝘰𝘯 = Pᴀ + Pʙ

donde Psolución es la presión de vapor de la solución final, y Pᴀ y Pʙ representan las presiones parciales de los componentes A y B, calculadas según la fórmula anterior.

Punto de ebullición

El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión atmosférica. Si a este líquido se le adiciona un soluto no volátil, la temperatura de ebullición de la solución resultante, aumenta (fig. 3).

Experimentalmente se ha encontrado que la elevación del punto de ebullición ΔT, es proporcional a la concentración molal (m) de la solución, según la expresión:

ΔT = Ke*m

Donde, m es la concentración molal y Ke es la constante de proporcionalidad, llamada constante ebulloscópica molal.

Ke se expresa en °C/m y es característica de cada solvente (fig. 4).

Punto de congelación

En soluciones formadas por solutos no volátiles se observa un descenso de la temperatura de congelación, respecto a la del solvente puro. Esta disminución es proporcional a la concentración molal de la solución y se relaciona por medio de la constante crioscópica molal, que se expresa en °C/m y depende de la naturaleza del solvente. La expresión matemática es:

ΔT = Kc*m

Una de las aplicaciones de esta propiedad coligativa se relaciona con los anticongelantes, sustancias empleadas principalmente en automóviles para evitar que el agua de los radiadores se congele durante el invierno.

Presión osmótica

La ósmosis es un fenómeno que se aplica especialmente a soluciones en las cuales el solvente es el agua. Consiste en el paso de moléculas de agua (solvente) a través de una membrana semipermeable, desde un compartimiento menos concentrado hacia otro, con mayor concentración de soluto. Una membrana semipermeable es una película, que permite el paso del solvente más no del soluto. Las moléculas del solvente pueden pasar en ambas direcciones, a través de la membrana, pero el flujo predominante ocurre en la dirección menor a mayor concentración de soluto y termina cuando la presión ejercida por el golpeteo de moléculas de soluto a uno y otro lado de la membrana, se iguala. Este golpeteo se traduce en un valor de presión, ejercida por las moléculas de soluto sobre la membrana, denominada presión osmótica (fig. 5).

La presión osmótica depende de la cantidad de soluto y puede interpretarse como si el soluto fuera un gas que ejerce presión sobre las paredes de un recipiente, su expresión matemática es:

π = n*R*T / V

donde, P representa la presión osmótica, n/V se interpreta como la con centración molar de la solución y R es la constante universal de los gases. Si el solvente es agua, la molaridad será equivalente a la molalidad. De donde, obtenemos que:

π = M*R*T = m*R*T