Propiedades coligativas

Las propiedades coligativas son propiedades de las disoluciones que dependen principalmente del número de partículas disueltas, no de la naturaleza de esas partículas. En química general, las fórmulas habituales funcionan mejor para disoluciones diluidas y a menudo suponen que el soluto es no volátil.

Si solo recuerdas una idea, quédate con esta: añadir partículas de soluto cambia qué tan fácilmente las moléculas del disolvente pueden escapar, congelarse o moverse a través de una membrana. Por eso la presión de vapor disminuye, el punto de ebullición aumenta, el punto de congelación baja y aparece la presión osmótica.

Las cuatro propiedades coligativas

Las cuatro propiedades coligativas estándar son el descenso de la presión de vapor, la elevación del punto de ebullición, el descenso del punto de congelación y la presión osmótica.

Descenso de la presión de vapor

Para una disolución ideal con un soluto no volátil, la ley de Raoult establece

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{solvent}} P^0_{\text{solvent}}$$

Aquí, $X_{\text{solvent}}$ es la fracción molar del disolvente y $P^0_{\text{solvent}}$ es la presión de vapor del disolvente puro. Como al añadir soluto se cumple que $X_{\text{solvent}} < 1$, la disolución tiene una presión de vapor menor que la del disolvente puro.

Elevación del punto de ebullición

Para una disolución diluida,

$$\Delta T_b = i K_b m$$

El punto de ebullición aumenta porque la disolución debe calentarse más antes de que su presión de vapor iguale la presión externa.

Descenso del punto de congelación

Para una disolución diluida,

$$\Delta T_f = i K_f m$$

El punto de congelación disminuye porque las partículas disueltas dificultan que el disolvente forme la estructura sólida ordenada.

Presión osmótica

Para una disolución diluida,

$$\pi = i M R T$$

La presión osmótica es la presión necesaria para detener el flujo neto de disolvente a través de una membrana semipermeable.

En estas fórmulas, $i$ es el factor de van't Hoff, $m$ es la molalidad, $M$ es la molaridad, y $K_b$ y $K_f$ dependen del disolvente.

Por qué importa el número de partículas

Un no electrolito como la glucosa normalmente permanece como moléculas completas en disolución, así que 1 mol aporta aproximadamente 1 mol de partículas disueltas. Un electrolito como el cloruro de sodio puede producir más partículas porque se disocia en iones.

Por eso cantidades iguales de distintos solutos no siempre producen efectos coligativos iguales. En los problemas introductorios, el número de partículas suele manejarse con el factor de van't Hoff $i$. En disoluciones reales, especialmente a concentraciones más altas, el efecto real puede diferir de la estimación ideal simple.

Ejemplo resuelto: descenso del punto de congelación

Supón que disuelves glucosa en agua para preparar una disolución de $0.50\ \mathrm{m}$. Para el agua,

$$K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$$

Como la glucosa es un no electrolito en este contexto, toma

$$i = 1$$

Ahora calcula el cambio en el punto de congelación:

$$\Delta T_f = i K_f m = (1)(1.86)(0.50) = 0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

El agua pura se congela a $0.00\ ^\circ\mathrm{C}$, así que el nuevo punto de congelación es

$$0.00 - 0.93 = -0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Por lo tanto, esta disolución se congela a

$$-0.93\ ^\circ\mathrm{C}$$

Este ejemplo muestra la idea clave: la magnitud del cambio proviene del número de partículas. Si mantuvieras la misma molalidad pero usaras un soluto que produjera más partículas, el descenso del punto de congelación sería mayor.

Errores comunes con las propiedades coligativas

Usar las fórmulas fuera de sus mejores condiciones

Las fórmulas coligativas estándar son más fiables para disoluciones diluidas. Si la disolución está concentrada o es fuertemente no ideal, las fórmulas simples se vuelven menos precisas.

Tratar las unidades fórmula y las partículas como si fueran lo mismo

Un mol de unidades fórmula disueltas no siempre es un mol de partículas disueltas. Los electrolitos pueden separarse en iones, así que el efecto coligativo puede ser mayor que el de un no electrolito a la misma concentración.

Confundir molalidad y molaridad

Para la elevación del punto de ebullición y el descenso del punto de congelación, las fórmulas estándar usan molalidad. La presión osmótica usa molaridad en la forma común para disoluciones diluidas.

Suponer que todo soluto es no volátil

La explicación simple del descenso de la presión de vapor es más clara cuando el soluto no se evapora de forma significativa. Si ambos componentes son volátiles, necesitas un modelo más cuidadoso.

Dónde aparecen las propiedades coligativas

Las propiedades coligativas aparecen en los anticongelantes, la sal en carreteras, la conservación de alimentos, el equilibrio de agua en las células, la ósmosis inversa y algunas mediciones de masa molar. En todos los casos aparece la misma idea: las partículas disueltas cambian cómo se comporta el disolvente como sistema macroscópico.

Prueba un problema similar

Intenta tu propia versión con una disolución de glucosa en agua de $1.00\ \mathrm{m}$. Usa el mismo $K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$ y encuentra el nuevo punto de congelación. Luego compáralo con el caso de $0.50\ \mathrm{m}$ para ver directamente la relación con el número de partículas.