Fundamentos y Cálculo de las Propiedades Coligativas en Disoluciones Químicas

Propiedades Coligativas de las Disoluciones

Definición de Propiedades Coligativas

Las propiedades coligativas son aquellas propiedades físicas de las disoluciones que se ven afectadas únicamente por el número de partículas de soluto presentes en la disolución, y no por la naturaleza química de dicho soluto. Estas propiedades son fundamentales para entender el comportamiento de las disoluciones diluidas.

Las Cuatro Propiedades Coligativas Fundamentales

1. Descenso de la Presión de Vapor (Ley de Raoult)

La adición de un soluto disuelto hace descender la presión de vapor del líquido solvente. Cuanto mayor sea la cantidad de soluto no volátil presente en una disolución, mayor será el número de choques que interferirán, menor el número de moléculas que escapan a la fase gaseosa y mayor será el descenso de la presión de vapor. Es decir, como la presión de vapor de un líquido se debe al número de moléculas que escapan y la adición de un soluto no volátil hace que escapen menos, la presión de vapor de la disolución será siempre menor que la del solvente puro; esto es, disminuirá.

2. Ascenso del Punto de Ebullición

Las disoluciones que contienen soluto no volátil hierven a temperaturas más elevadas que las del solvente puro. La diferencia entre los puntos de ebullición de la disolución y del solvente, para una presión constante establecida, se conoce como elevación ebulloscópica (\Delta T_e).

La elevación ebulloscópica depende de la naturaleza del solvente y la concentración del soluto (molalidad), pero es independiente de la naturaleza del soluto, por lo menos en las disoluciones diluidas.

Consecuencia del Descenso de la Presión de Vapor

La elevación del punto de ebullición es consecuencia inmediata del descenso de la presión de vapor de una disolución. Cualquier adición del soluto no volátil produce una disminución de la presión de vapor. Por consiguiente, es necesario calentar la disolución por encima del punto de ebullición normal del solvente puro, hasta que la presión de vapor iguale a la presión atmosférica y se produzca la ebullición.

3. Descenso del Punto de Congelación

Las disoluciones congelan a temperaturas menores que las del solvente puro. El descenso del punto de congelación (\Delta T_c) es consecuencia directa de la disminución de la presión de vapor del solvente debido al soluto disuelto.

4. Presión Osmótica

La presión osmótica (\Pi) es una propiedad coligativa directamente proporcional a la concentración del soluto (molaridad) y a las temperaturas absolutas.

Cuando un solvente puro se separa de una disolución mediante una membrana semipermeable (es decir, que permite el paso del solvente pero no del soluto), se observa que el solvente tiende a pasar a través de la membrana a la disolución y diluirla. El solvente fluye con cierta presión que recibe el nombre de presión osmótica. Es posible medirla determinando qué presión es necesaria aplicar para interrumpir el paso del solvente a través de la membrana.

Fórmulas de Variación y Cálculo

A continuación, se presentan las ecuaciones fundamentales para el cálculo de las propiedades coligativas:

1. Disminución de la Presión de Vapor

• Fórmula de la variación: \Delta P = P^0_{\text{solv}} \cdot X_{\text{sto}}
• Presión de vapor de la disolución: P_{\text{disol}} = P^0_{\text{solv}} \cdot X_{\text{ste}}
• Variación: \Delta P = P^0_{\text{solv}} - P_{\text{disol}}

Donde:

• \Delta P: Variación de la presión de vapor.
• P^0_{\text{solv}}: Presión de vapor del solvente puro.
• P_{\text{disol}}: Presión de vapor de la disolución.
• X_{\text{sto}}: Fracción molar del soluto.
• X_{\text{ste}}: Fracción molar del solvente.

2. Variaciones de Temperatura

Aumento del Punto de Ebullición (\Delta T_e)

• \Delta T_e = K_e \cdot m
• \Delta T_e = T_{\text{ebullición disol}} - T^0_{\text{ebullición solv}}

Disminución del Punto de Congelación (\Delta T_c)

• \Delta T_c = K_c \cdot m
• \Delta T_c = T^0_{\text{congelación solv}} - T_{\text{congelación disol}}

Donde:

• \Delta T_e: Variación del punto de ebullición (Elevación ebulloscópica).
• \Delta T_c: Variación del punto de congelación (Descenso crioscópico).
• K_e: Constante ebulloscópica.
• K_c: Constante crioscópica.
• m: Molalidad (moles de soluto / kg de solvente).
• T^0_{\text{ebullición solv}}: Temperatura de ebullición del solvente puro.
• T^0_{\text{congelación solv}}: Temperatura de congelación del solvente puro.

3. Presión Osmótica (\Pi)

• Fórmula: \Pi = M \cdot R \cdot T

Donde:

• \Pi: Presión osmótica.
• M: Molaridad (moles de soluto / Litro de disolución).
• R: Constante de los gases ideales (0.082 \cdot \frac{\text{atm} \cdot \text{L}}{\text{K} \cdot \text{mol}}).
• T: Temperatura en Kelvin (K = \text{°C} + 273.15).