presentación de powerpoint · ... determinar masas molares de solutos desconocidos. d) ... el peso...
TRANSCRIPT
PROPIEDADADES COLIGATIVAS
Existen cuatro propiedades de las soluciones que, para un dado
solvente, dependen del número de partículas de soluto pero no de la
naturaleza de éste:
Descenso de la presión de vapor
Elevación del punto de ebullición
Descenso del punto de congelación
Presión osmótica
LJMM/AD17
Las propiedades coligativas tienen dependencia con el número de moles
del soluto, aportan un camino para determinar la concentración por
medida de dichas propiedades, estos datos permitirán a su vez, conocer
masas moleculares. Su aplicación permite:
a) Separar los componentes de una solución por un método llamado destilación
fraccionada.
b) Formular y crear mezclas frigoríficas y anticongelantes.
c) Determinar masas molares de solutos desconocidos.
d) Formular sueros o soluciones fisiológicas que no provoquen desequilibrio hidrosalino
en los organismos animales o que permitan corregir una anomalía del mismo.
e) Formular caldos de cultivos adecuados para microorganismos específicos.
f) Formular soluciones de nutrientes especiales para regadíos de vegetales en general
.
LJMM/AD17
DESCENSO DE LA PRESIÓN DE VAPOR
Si trabajamos con soluciones diluidas, donde en el vapor sólo hay
moléculas del solvente, se puede plantear la Ley de Raoult, como:
Donde:
XA = fracción molar del solvente
P = es la presión de vapor de la solución
Pº = presión de vapor del solvente puro
XB = Fracción molar del soluto
LJMM/AD17
∆P es la propiedad coligativa , dado que
el descenso de la presión de vapor para
soluciones diluidas depende solo de la
fracción molar del soluto
LJMM/AD17
La propiedad coligativa se puede expresar en función de las
masas, o también en función de los moles de soluto.
Para disoluciones diluidas:
Entonces:
LJMM/AD17
wA y MA son la masa y peso molecular del solvente y, wB y MB son la masa
y el peso molecular del soluto, resulta para la expresión de esta propiedad
oligativa:
LJMM/AD17
Si se conocen las masas del soluto y solvente se podrá calcular
el peso molecular del soluto.
Considerando la masa de solvente en 1000g
LJMM/AD17
ELEVACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN
Considerar un líquido puro que está en ebullición y se le agrega
un soluto no volátil.
LJMM/AD17
El agregado de una cantidad pequeña de soluto provocará una
disminución de la presión de vapor del solvente. Este cambio
infinitesimal en la presión de vapor (dP) provocado por el
agregado de una cantidad dnB (el cual se corresponde con un
cambio diferencial en la fracción molar de este componente dxB)
teniendo en cuenta la ecuación (2) , viene dada por la expresión:
LJMM/AD17
La solución no hervirá hasta que su presión de vapor sea
incrementada lo suficiente para compensar el descenso indicado,
calculado por medio de la ecuación anterior. Por lo tanto deberá
incrementarse la temperatura de la solución para lograr dicho
aumento de la presión de vapor de la solución. Es así que la
presencia de un soluto no volátil provoca un aumento en la
temperatura de ebullición del solvente .
La función matemática que describe el aumento progresivo de la
presión de vapor de la solución como consecuencia del aumento
de la temperatura de la misma es la ecuación de Clausius-
Clapeyron
LJMM/AD17
ECUACIÓN DE CLAUSIUS-CLAPEYRON
Donde:
P°: presión de vapor del solvente puro
Hv : calor de vaporización del solvente
R: constante general de los gases
T: temperatura de ebullición
LJMM/AD17
El descenso de la presión de vapor, debido a la adición del soluto, se
compensa con el aumento de temperatura. Entonces:
dlnPsoluto + dlnPTemp = 0
Para disoluciones diluidas ∆Hvap estará muy próximo al valor del disolvente puro. La
elevación del punto de ebullición de una disolución diluida por lo tanto esindependiente de todas las propiedades del soluto, excepto de su fracción molar
en la disolución.
LJMM/AD17
Trabajando en términos de molalidad (m) la ecuación se puede expresar como:
Keb = constante de ascenso del punto de ebullición o constante
ebulloscópica, que depende de la naturaleza del disolvente.
LJMM/AD17
DESCENSO DEL PUNTO DE FUSIÓN
El descenso del punto de congelación se presenta considerando un
sistema abierto en contacto con la atmósfera, en el que la presión
sobre las fases condensadas es de 1 atm, en el cual la fase o fases
condensadas pueden ejercer una presión de vapor. Sobre el
diagrama se observa que el sólido, cuya presión de vapor no esta
afectada por la presencia del soluto en la disolución, está en
equilibrio con la disolución a una temperatura más baja que la que
corresponde al equilibrio con el disolvente puro.
LJMM/AD17
La relación cuantitativa entre la
fracción molar de soluto añadido dxB y
el descenso del punto de congelación
dTfus, se puede obtener calculando el
descenso de la presión de vapor del
equilibrio sólido – disolvente, situado en
A, a la del equilibrio sólido-disolución,
situado en B.
Este descenso puede evaluarse como
se indica en el diagrama, bien por el
descenso de la presión de vapor del
sólido como resultado del descenso de
la temperatura, o por el efecto
combinado de la adición del soluto y
del descenso de la temperatura de la
disolución.
LJMM/AD17
El calor de fusión se puede combinar
con el calor de vaporización,
obteniendo:
Considerando en función de la molalidad: Kfus = constante de
descenso del
punto de
congelación
o constante
crioscópica,
LJMM/AD17
PRESIÓN OSMÓTICA
En la ósmosis ocurre un transporte espontáneo de disolvente desde un
soluto diluido o solución salina hacia un soluto concentrado o solución
salina a través de una membrana semipermeable que permite el paso del
disolvente pero impide el paso de los solutos salinos.
En el proceso el agua disolvente fluye normalmente a través de la membrana
semipermeable hacia la solución salina. Los niveles de ambos líquidos son iguales. El
flujo de disolvente se puede reducir ejerciendo una presión sobre el lado de la
solución salina y la membrana, hasta que a cierta presión, llamada presión osmótica
π de la solución salina, se alcanza el equilibrio y la cantidad de disolvente que pasa
en sentidos opuestos es igual. Los potenciales químicos del disolvente en ambos lados
de la membrana son iguales. Sólo la propiedad de la solución determina el valor de la
presión osmótica, no la membrana, siempre y cuando ésta sea verdaderamente
semipermeable. Para invertir el flujo del agua de manera que fluya desde la soluciónsalina hacia el disolvente fresco, se aumenta la presión por encima de la presión
osmótica en el lado de la solución. Este fenómeno es llamado ósmosis inversa.
LJMM/AD17
LJMM/AD17
Presión osmótica de soluciones
Los datos experimentales muestran que la presión osmótica π de una solución
es proporcional a la concentración del soluto y a la temperatura T. Van´T Hoff
demostró originalmente que la relación es semejante a la de la presión de un
gas ideal. Por ejemplo, en soluciones de agua diluidas:
n = número de kg mol de soluto
V = volumen de agua disolvente pura en m3 asociado con n kg mol de soluto.
R = la constante de la ley de los gases, 82.057 x 10 -3 m3atm/Kgmol. K
T = la temperatura en Kelvin.
LJMM/AD17
Si un soluto existe como dos o más iones en solución, n representa elnúmero total de iones. Para soluciones más concentradas, la ecuación
anterior se modifica usando el coeficiente osmótico , que es la relación
entre la presión osmótica real π y la π ideal calculada a partir de la
ecuación. Para soluciones muy diluidas, tiene el valor la unidad y
generalmente disminuye conforme la concentración aumenta.
LJMM/AD17
Interpretación termodinámica
La energía libre del disolvente en la disolución es menor que la energía libre
del disolvente cuando está puro. Por lo tanto se deduce que hay una
tendencia espontánea del disolvente a pasar del estado relativamente
alto de energía libre que es el disolvente puro, al estado de menor energía
libre, que es la disolución.
La disminución de energía libre, por mol de disolvente, que resulta de la adición de
soluto, viene medida por la disminución de presión de vapor en equilibrio, desde P0
en el disolvente puro a P en la disolución.
LJMM/AD17
Esta disminución de energía libre es la que equilibra con el efecto de la
presión aplicada. La dependencia de la energía libre con la presión es:
Puesto que los líquidos son prácticamente incompresibles, el volumen del disolvente
en la disolución se puede suponer que es independiente de la presión. Si se designa
el volumen de un mol de disolvente en la disolución por v, el cual seria el volumen
molar parcial del disolvente, y si se designa la sobrepresión, necesaria para
compensar la disminución de energía libre, a causa de la adición del soluto, por el
símbolo π , el incremento de energía libre por mol de disolvente, debido al exceso de
presión será:
LJMM/AD17
Cuando se establece el equilibrio, la disminución de energía libre de la
disolución, debido a la presencia del soluto, queda equilibrada por el
incremento debido a la presión aplicada:
Para disoluciones diluidas , puedo aplicarse la Ley de Raoult, que obedece el
disolvente:
LJMM/AD17
Este resultado termodinámico demuestra que la presión osmótica es
una función del volumen molar del disolvente, de la temperatura y de la
concentración de la disolución, por lo tanto es una propiedad
coligativa.
Se deducen también otras expresiones , aunque menos exactas por las
aproximaciones a tenerse en cuenta y que serian las siguientes:
Ecuación de Morse
Demostró que cuando la concentración se expresa en molalidad y no en molaridad
los resultados se aproximan más a los encontrados experimentalmente y por lo tanto la
ecuación quedará:
π = mRTm = molalidad,
Esta ecuación es válida para disoluciones diluidas.LJMM/AD17
Bibliografía
Atkins, William P. Fisicoquímica (5ª ed.). México: Addison-Wesley
Iberoamericana.
Ball, David W. (2002). Fisicoquimica. México: Thomson. Castellan, Gilbert. (1987). Fisicoquímica(2ª ed.). México: Addison-Wesley
Iberoamericana.
Chang, R. (2005). Fisicoquímica (3 ed.). McGraw Hill Interamericana.
Henley, E. J., Seader, J. D. (2000). Operaciones de separación por etapas de
equilibrio (1ª ed.). México: Editorial Reverté.
Treybal, R (1992). Operaciones de transferencia de masa (4a. ed.). McGraw-Hill.
EE.UU
LJMM/AD17