Proprietà colligative

Le proprietà colligative sono proprietà delle soluzioni che dipendono soprattutto dal numero di particelle disciolte, non da che cosa siano fatte quelle particelle. In chimica generale, le formule più comuni funzionano meglio per soluzioni diluite e spesso assumono che il soluto sia non volatile.

Se devi ricordare una sola idea, usa questa: aggiungere particelle di soluto cambia quanto facilmente le molecole di solvente possono evaporare, congelare o attraversare una membrana. Per questo la pressione di vapore diminuisce, il punto di ebollizione aumenta, il punto di congelamento diminuisce e compare la pressione osmotica.

Le quattro proprietà colligative

Le quattro proprietà colligative standard sono l'abbassamento della pressione di vapore, l'innalzamento ebullioscopico, l'abbassamento crioscopico e la pressione osmotica.

Abbassamento della pressione di vapore

Per una soluzione ideale con un soluto non volatile, la legge di Raoult dà

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

Qui, $X_{\text{solvent}}$ è la frazione molare del solvente e $P^0_{\text{solvent}}$ è la pressione di vapore del solvente puro. Poiché aggiungere soluto rende $X_{\text{solvent}} < 1$, la soluzione ha una pressione di vapore più bassa rispetto al solvente puro.

Innalzamento ebullioscopico

Per una soluzione diluita,

$$\Delta T_b = i K_b m$$

Il punto di ebollizione aumenta perché la soluzione deve essere riscaldata di più prima che la sua pressione di vapore uguagli la pressione esterna.

Abbassamento crioscopico

Per una soluzione diluita,

$$\Delta T_f = i K_f m$$

Il punto di congelamento diminuisce perché le particelle disciolte rendono più difficile per il solvente formare la struttura solida ordinata.

Pressione osmotica

Per una soluzione diluita,

$$\pi = i M R T$$

La pressione osmotica è la pressione necessaria per fermare il flusso netto di solvente attraverso una membrana semipermeabile.

In queste formule, $i$ è il fattore di van't Hoff, $m$ è la molalità, $M$ è la molarità, e $K_b$ e $K_f$ dipendono dal solvente.

Perché conta il numero di particelle

Un non elettrolita come il glucosio di solito rimane sotto forma di molecole intere in soluzione, quindi 1 mole fornisce circa 1 mole di particelle disciolte. Un elettrolita come il cloruro di sodio può produrre più particelle perché si dissocia in ioni.

Per questo quantità uguali di soluti diversi non producono sempre effetti colligativi uguali. Nei problemi introduttivi, il numero di particelle si gestisce di solito con il fattore di van't Hoff $i$. Nelle soluzioni reali, soprattutto a concentrazioni più alte, l'effetto reale può differire dalla semplice stima ideale.

Esempio svolto: abbassamento crioscopico

Supponi di sciogliere glucosio in acqua per ottenere una soluzione $0.50\ \mathrm{m}$. Per l'acqua,

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

Poiché il glucosio è un non elettrolita in questo contesto, prendi

$$i = 1$$

Ora calcola la variazione del punto di congelamento:

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

L'acqua pura congela a $0.00\ ^\circ\mathrm{C}$, quindi il nuovo punto di congelamento è

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

Quindi questa soluzione congela a

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

Questo esempio mostra l'idea chiave: l'entità della variazione dipende dal numero di particelle. Se mantenessi la stessa molalità ma usassi un soluto che produce più particelle, l'abbassamento del punto di congelamento sarebbe maggiore.

Errori comuni con le proprietà colligative

Usare le formule fuori dalle condizioni in cui funzionano meglio

Le formule colligative standard sono più affidabili per soluzioni diluite. Se la soluzione è concentrata o fortemente non ideale, le formule semplici diventano meno accurate.

Trattare unità formula e particelle come se fossero la stessa cosa

Una mole di unità formula disciolte non è sempre una mole di particelle disciolte. Gli elettroliti possono separarsi in ioni, quindi l'effetto colligativo può essere maggiore rispetto a quello di un non elettrolita alla stessa concentrazione.

Confondere molalità e molarità

Per l'innalzamento ebullioscopico e l'abbassamento crioscopico, le formule standard usano la molalità. La pressione osmotica usa la molarità nella forma comune per soluzioni diluite.

Supporre che ogni soluto sia non volatile

Il quadro semplice dell'abbassamento della pressione di vapore è più chiaro quando il soluto non evapora in modo significativo. Se entrambi i componenti sono volatili, serve un modello più accurato.

Dove compaiono le proprietà colligative

Le proprietà colligative compaiono negli antigelo, nel sale sparso sulle strade, nella conservazione degli alimenti, nell'equilibrio idrico delle cellule, nell'osmosi inversa e in alcune misure della massa molare. La stessa idea attraversa tutti questi casi: le particelle disciolte cambiano il comportamento del solvente come sistema macroscopico.

Prova un problema simile

Prova la tua versione con una soluzione di glucosio in acqua da $1.00\ \mathrm{m}$. Usa lo stesso $K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$ e trova il nuovo punto di congelamento. Poi confrontalo con il caso da $0.50\ \mathrm{m}$ per vedere direttamente la relazione con il numero di particelle.