Propriedades Coligativas

Propriedades coligativas são propriedades das soluções que dependem principalmente do número de partículas dissolvidas, e não do que essas partículas são. Em química geral, as fórmulas usuais funcionam melhor para soluções diluídas e muitas vezes assumem que o soluto é não volátil.

Se você lembrar de apenas uma ideia, use esta: adicionar partículas de soluto muda a facilidade com que as moléculas do solvente escapam, congelam ou se movem através de uma membrana. Por isso, a pressão de vapor diminui, o ponto de ebulição aumenta, o ponto de congelamento diminui e surge a pressão osmótica.

As Quatro Propriedades Coligativas

As quatro propriedades coligativas padrão são o abaixamento da pressão de vapor, a elevação do ponto de ebulição, a depressão do ponto de congelamento e a pressão osmótica.

Abaixamento da Pressão de Vapor

Para uma solução ideal com um soluto não volátil, a lei de Raoult fornece

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

Aqui, $X_{\text{solvent}}$ é a fração molar do solvente e $P^0_{\text{solvent}}$ é a pressão de vapor do solvente puro. Como a adição de soluto faz com que $X_{\text{solvent}} < 1$, a solução tem uma pressão de vapor menor que a do solvente puro.

Elevação do Ponto de Ebulição

Para uma solução diluída,

$$\Delta T_b = i K_b m$$

O ponto de ebulição aumenta porque a solução precisa ser aquecida mais até que sua pressão de vapor iguale a pressão externa.

Depressão do Ponto de Congelamento

Para uma solução diluída,

$$\Delta T_f = i K_f m$$

O ponto de congelamento diminui porque as partículas dissolvidas dificultam a formação da estrutura sólida ordenada pelo solvente.

Pressão Osmótica

Para uma solução diluída,

$$\pi = i M R T$$

A pressão osmótica é a pressão necessária para interromper o fluxo líquido de solvente através de uma membrana semipermeável.

Nessas fórmulas, $i$ é o fator de van't Hoff, $m$ é a molalidade, $M$ é a molaridade, e $K_b$ e $K_f$ dependem do solvente.

Por Que o Número de Partículas Importa

Um não eletrólito, como a glicose, geralmente permanece como moléculas inteiras em solução, então 1 mol fornece cerca de 1 mol de partículas dissolvidas. Um eletrólito, como o cloreto de sódio, pode produzir mais partículas porque se dissocia em íons.

É por isso que quantidades iguais de solutos diferentes nem sempre produzem efeitos coligativos iguais. Em problemas introdutórios, o número de partículas geralmente é tratado com o fator de van't Hoff $i$. Em soluções reais, especialmente em concentrações mais altas, o efeito real pode diferir da estimativa ideal simples.

Exemplo Resolvido: Depressão do Ponto de Congelamento

Suponha que você dissolva glicose em água para preparar uma solução $0.50\ \mathrm{m}$. Para a água,

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

Como a glicose é um não eletrólito nesse contexto, tome

$$i = 1$$

Agora calcule a variação no ponto de congelamento:

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

A água pura congela a $0.00\ ^\circ\mathrm{C}$, então o novo ponto de congelamento é

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

Portanto, essa solução congela a

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

Este exemplo mostra a ideia principal: o tamanho da variação vem do número de partículas. Se você mantivesse a mesma molalidade, mas usasse um soluto que produzisse mais partículas, a queda no ponto de congelamento seria maior.

Erros Comuns com Propriedades Coligativas

Usar as Fórmulas Fora das Condições Ideais

As fórmulas coligativas padrão são mais confiáveis para soluções diluídas. Se a solução for concentrada ou fortemente não ideal, as fórmulas simples se tornam menos precisas.

Tratar Unidades de Fórmula e Partículas Como se Fossem a Mesma Coisa

Um mol de unidades de fórmula dissolvidas nem sempre é um mol de partículas dissolvidas. Eletrólitos podem se separar em íons, então o efeito coligativo pode ser maior do que o de um não eletrólito na mesma concentração.

Confundir Molalidade com Molaridade

Para elevação do ponto de ebulição e depressão do ponto de congelamento, as fórmulas padrão usam molalidade. A pressão osmótica usa molaridade na forma comum para soluções diluídas.

Supor que Todo Soluto é Não Volátil

A ideia simples de abaixamento da pressão de vapor fica mais clara quando o soluto não evapora de forma significativa. Se ambos os componentes forem voláteis, você precisa de um modelo mais cuidadoso.

Onde as Propriedades Coligativas Aparecem

As propriedades coligativas aparecem em anticongelantes, sal nas estradas, conservação de alimentos, balanço de água nas células, osmose reversa e algumas medições de massa molar. A mesma ideia está presente em todos esses casos: partículas dissolvidas mudam o comportamento do solvente como um sistema macroscópico.

Tente um Problema Parecido

Tente sua própria versão com uma solução de glicose em água de $1.00\ \mathrm{m}$. Use o mesmo $K_f = 1.86\ ^\circ\mathrm{C\, m^{-1}}$ e encontre o novo ponto de congelamento. Depois compare com o caso de $0.50\ \mathrm{m}$ para ver diretamente a relação com o número de partículas.