Soluções — Concentração, Propriedades Coligativas e Lei de Raoult

Uma solução, em química, é uma mistura homogênea de um soluto e um solvente. A maioria das questões sobre soluções se resume a três ideias: quanto soluto está presente, como essa quantidade é medida e como as partículas dissolvidas alteram o comportamento do solvente.

É aí que se conectam concentração, propriedades coligativas e a lei de Raoult. A concentração informa quanto soluto você tem. As propriedades coligativas acompanham efeitos que dependem principalmente do número de partículas. A lei de Raoult relaciona a fração molar à pressão de vapor quando a solução está próxima do comportamento ideal.

O Que É Uma Solução Em Química

Em uma solução, o soluto é a substância que está sendo dissolvida e o solvente é o componente que dissolve. Água com sal é o exemplo clássico: o sal é o soluto e a água é o solvente.

A característica principal é a uniformidade. Se a amostra for realmente uma solução, uma pequena porção terá a mesma composição que outra pequena porção em condições usuais. Por isso, uma solução é diferente de uma suspensão ou de uma mistura em camadas.

Como A Concentração É Medida

Concentração não é uma única fórmula. É um conjunto de maneiras de descrever quanto soluto está presente em relação a uma quantidade de referência escolhida.

Três medidas aparecem com frequência em química das soluções:

• molaridade, que usa litros de solução
• molalidade, que usa quilogramas de solvente
• fração molar, que usa os mols de um componente divididos pelo total de mols

O denominador importa mais do que muitos estudantes imaginam. A molaridade é útil quando o problema fornece o volume da solução. A molalidade é frequentemente usada para elevação do ponto de ebulição e depressão do ponto de congelamento. A fração molar é a unidade de concentração que aparece diretamente na lei de Raoult.

Por Que As Propriedades Coligativas Dependem Do Número De Partículas

Propriedades coligativas são propriedades das soluções que dependem principalmente do número de partículas dissolvidas, e não principalmente de sua identidade química. Em química introdutória, essa ideia funciona melhor para soluções diluídas e exige mais cuidado quando as soluções são fortemente não ideais.

As quatro propriedades coligativas clássicas são:

• abaixamento da pressão de vapor
• elevação do ponto de ebulição
• depressão do ponto de congelamento
• pressão osmótica

A intuição básica é prática. As partículas dissolvidas perturbam o comportamento usual do solvente puro. Como resultado, a solução normalmente tem uma pressão de vapor menor que a do solvente puro. Essa mudança ajuda a explicar por que o ponto de ebulição aumenta e o ponto de congelamento diminui.

Se duas soluções têm o mesmo solvente e a mesma concentração de partículas, elas tendem a apresentar efeitos coligativos semelhantes nas mesmas condições. Se um soluto produz mais partículas em solução do que outro, o efeito pode ser maior. É por isso que eletrólitos dissolvidos frequentemente causam mudanças maiores do que não eletrólitos para a mesma quantidade de soluto.

Como A Lei De Raoult Relaciona Fração Molar E Pressão De Vapor

A lei de Raoult é o modelo inicial mais simples para a pressão de vapor em uma solução ideal.

No caso comum de um soluto não volátil dissolvido em um solvente volátil,

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

Aqui, $X_{\text{solvent}}$ é a fração molar do solvente e $P^0_{\text{solvent}}$ é a pressão de vapor do solvente puro na mesma temperatura.

Essa equação diz algo simples: se o solvente representa uma fração menor do líquido, menos moléculas de solvente ficam disponíveis na superfície para escapar para a fase de vapor, então a pressão de vapor diminui.

Se ambos os componentes forem voláteis e a solução se comportar idealmente, a lei de Raoult é aplicada componente por componente. Mas, para a maioria dos problemas introdutórios de química, a versão com soluto não volátil é a mais importante.

Exemplo Resolvido: Usando A Lei De Raoult

Suponha que uma solução aquosa tenha fração molar do solvente

$$X_{\text{water}} = 0.90$$

e que a água pura, na mesma temperatura, tenha pressão de vapor

$$P^0_{\text{water}} = 23.8\ \mathrm{torr}$$

Se o soluto dissolvido for não volátil e a solução for tratada como ideal, a lei de Raoult fornece

$$P_{\text{solution}} = X_{\text{water}} P^0_{\text{water}} = (0.90)(23.8) = 21.42\ \mathrm{torr}$$

Então, a pressão de vapor da solução é aproximadamente

$$21.4\ \mathrm{torr}$$

O abaixamento da pressão de vapor é a diferença entre o solvente puro e a solução:

$$\Delta P = 23.8 - 21.4 = 2.4\ \mathrm{torr}$$

Essa é a ideia química central. Menor fração molar do solvente significa menor pressão de vapor. Essa mesma direção de mudança ajuda a explicar por que soluções podem apresentar elevação do ponto de ebulição e depressão do ponto de congelamento.

Como As Três Ideias Se Encaixam

Se você quiser uma visão compacta para lembrar, use isto:

• a concentração informa quanto soluto está presente
• a fração molar é a medida de concentração que entra diretamente na lei de Raoult
• o número de partículas determina os efeitos coligativos

Portanto, não são três tópicos separados. São três maneiras de olhar para o mesmo sistema.

Erros Comuns Em Química Das Soluções

Tratar Todas As Unidades De Concentração Como Intercambiáveis

Elas não são intercambiáveis. A lei de Raoult usa fração molar. Muitas relações de ponto de congelamento e ponto de ebulição usam molalidade. Um problema sobre preparo de soluções pode usar molaridade.

Esquecer As Condições Por Trás Da Aproximação

A lei de Raoult é exata apenas para comportamento ideal na forma em que está sendo usada. As relações mais simples de propriedades coligativas também funcionam melhor para soluções diluídas. Se a solução for concentrada ou altamente não ideal, a aproximação pode ser apenas aproximada.

Confundir Número De Partículas Com Quantidade De Unidades De Fórmula

Um mol de glicose dissolvida fornece cerca de um mol de partículas no modelo mais simples. Um mol de um eletrólito dissolvido pode gerar mais partículas se ele se dissociar. Isso altera a intensidade de um efeito coligativo.

Supor Que Todo Soluto É Não Volátil

A descrição mais simples da pressão de vapor supõe que o soluto não contribui de forma significativa para o vapor. Se ambos os componentes evaporam, o modelo precisa ser formulado com mais cuidado.

Onde A Química Das Soluções É Usada

Você usa química das soluções em preparo de laboratório, problemas de ponto de congelamento e ponto de ebulição, osmose, exemplos com anticongelante, raciocínio sobre pressão de vapor e muitos sistemas biológicos ou ambientais que envolvem substâncias dissolvidas.

Ela também ajuda a organizar outros tópicos de química. A solubilidade informa se uma solução pode se formar em determinadas condições. A concentração informa quanto está dissolvido. As propriedades coligativas mostram como o comportamento do solvente muda depois que a solução existe.

Tente Um Problema Semelhante De Química Das Soluções

Altere o exemplo resolvido para que a fração molar do solvente seja $0.85$ em vez de $0.90$, enquanto a pressão de vapor do solvente puro permanece a mesma. Calcule a nova pressão de vapor e depois explique, em uma frase, por que a pressão mudou nessa direção.

Se quiser outro caso, tente sua própria versão com depressão do ponto de congelamento ou conversões de concentração e compare qual unidade de concentração o problema realmente exige.