Propiedades Coligativas: Fundamentos y Fenómenos en Soluciones

Propiedades Coligativas: Conceptos Fundamentales

Se denominan propiedades coligativas a aquellas propiedades de una solución que dependen únicamente de la concentración de partículas de soluto (molalidad), y no de la naturaleza o tipo de soluto. Estas propiedades están estrechamente relacionadas con la presión de vapor, que es la presión que ejerce la fase de vapor sobre la fase líquida cuando el líquido se encuentra en un recipiente cerrado.

La presión de vapor depende del disolvente y de la temperatura a la cual sea medida (a mayor temperatura, mayor presión de vapor). Se mide cuando el sistema alcanza el equilibrio dinámico, es decir, cuando la cantidad de moléculas de vapor que vuelven a la fase líquida es igual a la cantidad de moléculas que se transforman en vapor.

1. Descenso de la Presión de Vapor

Cuando se prepara una solución con un disolvente y un soluto no volátil (que no se volatiliza fácilmente) y se mide su presión, al compararla con la presión de vapor de su disolvente puro (medidas a la misma temperatura), se observa que la de la solución es menor que la del disolvente. Esto es una consecuencia directa de la presencia del soluto no volátil.

Asimismo, al comparar las presiones de vapor de dos soluciones con el mismo disolvente pero diferente concentración, aquella solución más concentrada presenta una menor presión de vapor. El descenso de esta se produce por dos razones principales:

• Por probabilidad: Es menos probable que existan moléculas de disolvente en la superficie de la solución, donde ocurre el cambio de fase, debido a la presencia de moléculas de soluto.
• Por cohesión: Las moléculas de soluto atraen a las de disolvente, lo que dificulta el paso de estas últimas a la fase de vapor.

2. Descenso Crioscópico

El soluto obstaculiza la formación de cristales sólidos. Por ejemplo, el líquido refrigerante de los motores de los automóviles, que tiene una base de agua pura, a presión atmosférica se congelaría a 0°C dentro de las tuberías y no resultaría útil en lugares fríos. Para evitarlo, se le agregan ciertas sustancias químicas que hacen descender su punto de congelación.

ΔT_f = K_f · m

• m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente (mol/kg).
• ΔT_f es el descenso del punto de congelación y es igual a T_f,puro - T_solución, donde T_f,puro es el punto de congelación del disolvente puro y T_solución es el punto de congelación de la solución.
• K_f es una constante crioscópica del disolvente. Su valor, cuando el disolvente es agua, es 1,86 °C kg/mol.

3. Aumento Ebulloscópico

Al agregar moléculas o iones a un disolvente puro, la temperatura a la que este entra en ebullición es más alta. Por ejemplo, el agua pura a presión atmosférica ebulle a 100°C, pero si se disuelve algo en ella, el punto de ebullición sube algunos grados centígrados.

ΔT_b = K_b · m

• m es la molalidad. Se expresa en moles de soluto por kilogramo de disolvente (mol/kg).
• ΔT_b es el aumento del punto de ebullición y es igual a T_solución - T_b,puro, donde T_solución es el punto de ebullición de la solución y T_b,puro es el del disolvente puro.
• K_b es una constante ebulloscópica del disolvente. Su valor cuando el disolvente es agua es 0,52 °C kg/mol.

4. Presión Osmótica

La ósmosis es la tendencia que tienen los disolventes a moverse espontáneamente desde una solución más diluida (menor concentración de soluto) hacia una solución más concentrada (mayor concentración de soluto), cuando ambas se hallan separadas por una membrana semipermeable. Este efecto puede interpretarse como una tendencia de los disolventes a "diluir" la solución más concentrada.

• n es el número de moles de partículas en la solución.
• R es la constante universal de los gases, donde R = 8.314472 J · K^-1 · mol^-1.
• T es la temperatura en Kelvin.

Teniendo en cuenta que n/V representa la molaridad (M) de la solución, obtenemos:

Al igual que en la ley de los gases ideales, la presión osmótica no depende de la carga de las partículas.

Observación: Se utiliza la unidad de Molaridad (M) para expresar la concentración en el caso de la presión osmótica, ya que este fenómeno ocurre a temperatura constante. De esto se deduce que las unidades de concentración para el ascenso ebulloscópico y el descenso crioscópico estén dadas en molalidad (m), ya que este tipo de expresión no varía con la temperatura.