Tema 1. Propiedades Coligativas de Soluciones

Desarrollo del fundamento teórico del tema 1 de propiedades coligativas de soluciones, concepto de solución ideal, Ley de Raoult, etc.

1. UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA CATEDRA DE QUÍMICA TECNOLÓGICA DEPARTAMENTO DE FISICOQUÍMICA TEMA 1. PROPIEDADES COLIGATIVAS Desarrollado por Profesor : Adrián Sierra Alumna: Johana Paucar

2. INTRODUCCIÓN Los estudios teóricos y experimentales han permitido establecer que los líquidos poseen propiedades físicas características. Entre ellas cabe mencionar: la densidad, la propiedad de ebullir, congelar y evaporar, la viscosidad y la capacidad de conducir la corriente eléctrica, etc. Cada líquido presenta valores característicos (es decir, constantes) para cada una de estas propiedades. Cuando un soluto y un solvente dan origen a una solución, la presencia del soluto determina una modificación de estas propiedades con relación a su estado normal en forma aislada, es decir, líquido puro. Estas modificaciones se conocen como: PROPIEDADES DE UNA SOLUCIÓN.

3. ¿Cómo se clasifican las Propiedades de las soluciones ? Las propiedades de las soluciones se clasifican en dos grandes grupos: PROPIEDADES CONSTITUTIVAS: Son aquellas que dependen de la naturaleza de las partículas disueltas. Ejemplo: viscosidad, densidad, conductividad eléctrica, etc. PROPIEDADES COLIGATIVAS O COLECTIVAS: Son aquellas que dependen del número de partículas moléculas, átomos o iones disueltas en una cantidad fija de solvente.

4. ¿Qué son las propiedades Coligativas? Se le denomina Coligativas a aquellas propiedades que no dependen de la naturaleza del soluto presente, sino del número de moléculas de soluto en reacción con el número total de estas presentes en la disolución, por adición de un soluto no volátil, aplicable al menos en soluciones diluidas . LAS PROPIEDADES COLIGATIVAS SON: 1) Descenso de la presión de vapor 2) Descenso del punto de congelación 3) Aumento del punto de ebullición 4) Presión osmótica

5. ¿Cuál es la importancia de las Propiedades Coligativas? ¿SABIAS QUE? El termino COLIGATIVO proviene del latín Co.<<Junto>> y LIGARE <<unir>>. Denota que depende del conjunto. Las propiedades Coligativas tienen tanta importancia en la vida común como en las disciplinas científicas y tecnológicas y su correcta aplicación permite: Separar los componentes de una solución por un método llamado destilación fraccionada. Formular y crear mezclas frigoríficas y anticongelantes. Determinar masas molares de solutos desconocidos. Formular sueros o soluciones fisiológicas que no provoquen desequilibrio hidrosalino en los organismos animales o que permitan corregir una anomalías del mismo. Formular soluciones de nutrientes para regadíos de vegetales en general.

6. En el estudio de las propiedades Coligativas se deberá tener en cuenta que los solutos se presentan como: ELECTROLITOS: son aquellos en el que el soluto se disocia en mayor o menor proporción en iones, incrementando así el numero de partículas en solución. NO ELECTROLITOS: son aquellos donde el soluto disuelto permanece en forma molecular sin carga y no presenta tendencia a la disociación.

7. Soluciones Una solución es una mezcla homogénea de especies químicas dispersas a escala molecular es una fase simple, que puede ser gaseosa, solida o liquida. Pudiendo tener mas de dos componentes considerando nosotros por convenios que el constituyente en mayor proporción lo llamaremos SOLVENTE y aquellos en cantidades relativamente pequeñas SOLUTOS.

8. Definición de Solución ideal y la Ley de Raoult Si observamos el comportamiento de las soluciones; por ejemplo las compuestas de un disolvente volátil y de uno o más solutos no volátiles y examinamos el equilibrio entre la solución y el vapor, se tiene: Si la temperatura se mantiene constante en el “equilibrio”, la presión de vapor, es P°, presión de vapor del liquido puro en el caso A). Mientras que en el caso B) la presión de vapor disminuye por la presencia del material no volátil, se observa que P es menor que el líquido puro en el manómetro. A) B)

9. Dado que el soluto es no volátil, el vapor es disolvente puro y a medida que se añade mas material disminuye la presión en la fase de vapor. En la grafica se observa que: Para X=0, P=P° y disminuye a medida que aumenta X 2 (disminuye la fracción de disolvente). Cuando la solución es diluida X 2 0 la línea se acerca a la discontinua que reacciona a P° y cero (0). La ecuación de la línea discontinua es: P=P°- X 2 P° = (1- X 2 ) P° Si X es la fracción de disolvente X 2 + X =1, entonces: P= X P° LEY DE RAOULT Esta ley establece que la presión de vapor de un disolvente en una solución es igual a la presión de vapor del disolvente puro por la fracción mol de disolvente en la solución. Esto es un ejemplo de la LEY LIMITE , entonces una SOLUCIÓN IDEAL será aquella que cumpla con la LEY DE RAOULT en todo el intervalo de concentración. P° P X 2 Ley de Raoult

10. Conceptos Básicos: Presión de Vapor Las moléculas de la fase gaseosa que chocan contra la fase líquida ejercen una fuerza contra la superficie del líquido, fuerza que se denomina PRESIÓN DE VAPOR , que se define como la presión ejercida por un vapor puro sobre su fase líquida cuando ambos se encuentran en equilibrio dinámico. ¿SABIAS QUE? La condición a la cual dos procesos opuestos se efectúan simultáneamente a igual velocidad se denomina EQUILIBRIO DINÁMICO. FUENTE: http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm

11. 1) Descenso de la Presión de Vapor A partir de la LEY DE RAOULT se tiene: P°-P=P°- X P° = (1- X )P° ∆P=P°-P= X 2 P° Expresa que la disminución de la presión de vapor es proporcional a la fracción mol de soluto. Si están varios solutos “ TODOS ” no volátiles, entonces: P°-P=(X 2 +X 3 +…)P°

12. LA PRESIÓN DE VAPOR de un disolvente desciende cuando se le añade un soluto no volátil. Este efecto es el resultado de dos factores: La disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre La aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del disolvente, dificultando su paso al vapor. (Cuando las fuerzas heterogéneas son mayores a las homogéneas, generalmente ocurre en presencia del soluto no volátil). Presión de vapor Disolvente puro Disolución FUENTE: http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm

13. Forma analítica del potencial químico en soluciones de líquidos ideales Equilibrio (Disolución + Vapor) por 2da Ley establece que el potencial químico del disolvente tiene el mismo valor en la solución que en el vapor. µ vapor = µ líquido Como el vapor es disolvente puro con una presión P, la expresión de µ vapor esta dada (asumiendo gas ideal): µ vapor = µ ° vapor + RTLn(P) que proviene de: ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LA TERMODINÁMICA

14. Ecuación Fundamental de la termodinámica dG=-SdT+VdP {G= f (T,P) } Teniendo en cuenta de la ecuación fundamental la expresión diferencial: Integrando a temperatura constante desde la presión estándar P°=1 atm, hasta un valor “P” de presión del sistema: Entonces:

15. Como µ=G/n, entonces la energía libre de Gibbs molar del gas ideal. (Potencial Químico): Recordando en el equilibrio: . Con el vapor como un gas ideal: Aplicando la ley de Raoult: 1) Si se tiene en cuenta un equilibrio de disolvente puro con vapor, la presión sería P°, y la condición de equilibrio es: 2) Restando las dos expresiones anteriores (1 y 2): Disolvente en la solución Disolvente liquido puro f(T,P) Fracción mol de disolvente en la solución

16. Conceptos Básicos: Punto de Congelación EL PUNTO DE CONGELACIÓN de un líquido corresponde a la temperatura en la cual las moléculas de un compuesto pasan del estado líquido al estado sólido. .

17. 2) Disminución de la Temperatura de Congelación La condición de equilibrio del disolvente en solución y disolvente sólido puro: Disolvente en solución Sólido no depende de la composición como variable Temperatura de congelación de la solución. (EQUIILIBRIO) Para solución Ideal: Reordenando:

18. La diferencia entre líquido puro y sólido puro es: Energía de Gibbs molar de fusión Para la dependencia de T con x, derivamos respecto a x, siendo P ctte. Por la ecuación de Gibbs Helmholtz

19. Se sustituye entonces Disolvente puro @ T Suponiendo ctte: Disolvente puro con: ECUACIÓN DE CLAPEYRON para descenso del punto de congelación. Relaciona la temperatura T en Solución ideal con To de disolvente puro y la fracción mol de disolvente en la solución.

20. Si la Solución es diluida, entonces: La molalidad total de los solutos presentes: m=m 2 +m 3 +…, sea n y M el número de moles y el peso molecular del disolvente, entonces la masa de disolvente en n.M, luego: y y entonces Si expresamos la ecuación como sigue:

21. Sustituyendo: Solución diluida entonces Integrando se tiene: ECUACIÓN DEL DESCENSO DE LA TEMPERATURA DE CONGELACIÓN Para un soluto Por lo tanto LA MASA DEL SOLUTO: Donde:

22. Conceptos Básicos: Punto de Ebullición El punto de ebullición se define como: la temperatura a la cual de vapor iguala a la presión externa o atmosférica.

23. 3) Aumento de la Temperatura de Ebullición La condición de equilibrio del disolvente en solución con el vapor de disolvente puro: Temperatura de ebullición del solvente Donde:

24. Conceptos Básicos: Difusión y Osmosis OSMOSIS: es la difusión de líquidos a través de membranas. Es el movimiento neto de solvente desde la solución menos concentrada de soluto hacia la solución más concentrada de soluto. DIFUSIÓN: es el proceso mediante el cual las moléculas del soluto tienen a alcanzar una distribución homogénea en todo el espacio que les es accesible, lo que se alcanza al cabo de cierto tiempo . FUENTE: http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm

25. 4) Presión Osmótica La presión hidrostática resultante de la diferencia de niveles en la solución de azúcar en el tubo y en la superficie de agua pura es la PRESIÓN OSMÓTICA La membrana debe ser semipermeable y selectiva al disolvente en cuestión. Es menester calcular la relación entre dicha diferencia de presión y la concentración de la solución.

26. Para medir la presión osmótica se utiliza el osmómetro , que consiste en un recipiente cerrado en su parte inferior por una membrana semipermeable y con un émbolo en la parte superior. Si introducimos una disolución en el recipiente y lo sumergimos en agua destilada, el agua atraviesa la membrana semipermeable y ejerce una presión capaz de elevar el émbolo hasta una altura determinada. Sometiendo el émbolo a una presión mecánica adecuada se puede impedir que pase el agua hacia la disolución, y el valor de esta presión mecánica mide la presión osmótica . Las leyes que regulan los valores de la presión osmótica para disoluciones muy diluidas, son análogas a las leyes de los gases. Se conocen con el nombre de su descubridor Jacobus H. Van’t Hoff OSMÓMETRO FUENTE: http://www.ehu.es/biomoleculas/agua/coligativas.htm

27. Ecuación de Van’t Hoff Condición de equilibrio por la diferencia de presión: Agua en solución Agua pura A partir de la ecuación fundamental a T ctte, se tiene que: Integrando Volumen molar de disolvente puro Combinando con la ecuación anterior:

28. Para líquidos considerados incompresibles: Como: y Si n>>n 2 Entonces se tiene que: Como: Finalmente: ó Donde:

29. GRACIAS POR SU ATENCIÓN