¿Porque cae la presión de vapor de una solución en presencia de un soluto?

CAPITULO 7 CHANG

REDUCCION DE LA PRESIÓN DE VAPOR

¿Porque cae la presión de vapor de una solución en presencia de un soluto? Es posible que estemos tentados a sugerir que lo hace debido a la modificación de las fuerzas intermoleculares; pero esta idea no es correcta porque la reducción de la presión de vapor ocurre incluso en las soluciones ideales, en las que no existen diferencias entre las interacciones soluto-solvente y solvente-solvente. El efecto de la entropía proporciona una explicación más conveniente. Cuando se evapora un disolvente, la entropía del universo aumenta porque la entropía de cualquier sustancia en estado gaseoso es mayor que en su estado líquido (a la misma temperatura).

La evaporación del disolvente de una solución produce un menor incremento de entropía.

ELEVACION DEL PUNTO DE EBULLICION

El punto de ebullición de una solución es la temperatura a la cual su presión de vapor es igual a la presión externa.

En el caso de una solución que contiene un soluto no volátil, a la elevación del punto de ebullición se origina en el cambio del potencial químico del disolvente debido a la presencia del soluto.

[pic 1]

La ecuación anterior, da la elevación del punto de ebullición, ΔT, en términos de la concentración del disolvente (x1). Sin embargo, por costumbre, expresamos la concentración en términos de la cantidad presente de soluto, por lo que escribimos:

[pic 2]

Se anexa la siguiente ecuación para mejorar resultados:

[pic 3]

Donde Kb se le llama constante molal de elevación del punto de ebullición. Las unidades de Kb son K mol-1 kg. Finalmente:

[pic 4]

La ventaja de utilizar la molalidad es que es independiente de la temperatura y por ende es adecuada para los estudios de elevación del punto de ebullición.

DESCENSO DEL PUNTO DE CONGELACIÓN

El análisis termodinámico del descenso del punto de congelación es similar al de la elevación del punto de ebullición. Si suponemos que cuando se congela una solución el sólido que se separa de ella sólo contiene disolvente, entonces no cambia la curva del potencial químico del sólido. En consecuencia, la curva continua del sólido y la curva discontinua del disolvente e solución ahora se cortan en el punto (Tf1) debajo del punto de congelación del disolvente puro (Tf).

[pic 5]

Las dos ecuaciones anteriores se pueden utilizar para determinar la masa molar de un soluto. En general, es mucho más fácil llevar a cabo el experimento del descenso del punto de congelación. Por lo común, se utiliza para medir la masa molar de los compuestos.

El fenómeno del descenso del punto de congelación tiene muchos ejemplos en la vida cotidiana y en los sistemas biológicos. Como ya se indicó, se utilizan sales, como el cloruro de sodio y el cloruro de calcio, para fundir el hielo sobre calles y banquetas. El compuesto orgánico etilenglicol es el anticongelante común de los automóviles. También se emplea para descongelar aviones.

PRESIÓN OSMOTICA

Dicho de manera práctica, este tipo de sistema, tiene dos fases diferentes. En equilibro, la altura de la solución en el tubo de la derecha es mayor que la del disolvente puro en el otro tubo, por una altura de h. A este exceso de presión hidrostática se le llama presión osmótica.

Se alcanza el equilibrio cuando el flujo de disolvente se iguala exactamente por la diferencia de presión hidrostática.

El incremento del potencial químico del disolvente en el comportamiento de la solución cuando la presión aumenta de P, la presión atmosférica externa, a (P+ ) está dada por:[pic 6]

[pic 7]

Observe que  se trata como una constante porque el volumen de un líquido cambia poco con la presión. La letra griega  representa la presión osmótica. El termino presión osmótica de una solución se refiere a la presión que debe aplicarse a la solución para aumentar el potencial químico del disolvente hasta el valor de su líquido puro bajo presión atmosférica. [pic 8][pic 9]

En el caso de una solución no ideal, la presión osmótica a cualquier concentración, c2 está dada por:

[pic 10]

Donde B, C y D se llaman segundo, tercero y cuarto coeficientes viriales, respectivamente. La magnitud de los coeficientes viriales es tal que B. En las soluciones diluidas, sólo necesitamos preocuparnos del segundo coeficiente viral. En una solución ideal, el segundo coeficiente virial y el más alto son iguales a cero, por lo que la ecuación anterior se reduce a la ecuación [pic 11][pic 12]

Aunque la osmosis es un fenómeno bien estudiado, el mecanismo correspondiente no siempre se entiende con claridad. En algunos casos, una membrana semipermeable puede actuar como una criba molecular que permite pasar las moléculas más pequeñas del disolvente, al mismo tiempo que bloquea las moléculas más grandes del soluto. En otros casos, la osmosis puede ocurrir debido a la mayor solubilidad del disolvente en la membrana que la del soluto. Cada sistema debe estudiarse de manera individual.

En los sistemas químicos y biológicos existen muchos ejemplos del fenómeno de la presión osmótica. Si dos soluciones tienen una concentración igual, y por ende tienen la misma presión osmótica, se dice que son isotónicas. En el caso de dos soluciones de presiones osmóticas desiguales, a la solución más concentrada se le llama hipertónica y a la menos concentrada se le llama hipotónica.

El riñón de los mamíferos es un dispositivo osmótico particularmente eficaz. Su función principal es eliminar productos de desecho metabólico y otras impurezas de la corriente sanguínea mediante osmosis, hacia la orina, más concentrada, a través de una membrana semipermeable.

La presión osmótica también es el mecanismo más importante para elevar el agua dentro de las plantas. Las hojas constantemente pierden agua cediéndola a sus alrededores, proceso al que se denomina transpiración, por lo que aumenta las concentraciones de soluto en los fluidos de la hoja. Entonces el agua se empuja a través del tronco y las hojas por medio de la presión osmótica, la cual, para alcanzar las copas de los árboles más altos, pueden ser tan elevada como 10 a 15 atm. El movimiento de las hojas es un fenómeno interesante que también se puede relacionar con la presión osmótica. Se cree que algunos procesos pueden aumentar la concentración de sales en las células de las hojas en presencia de la luz. La presión osmótica se eleva y las células se agrandan y se vuelven túrgidas, lo que hace que las hojas se orienten hacia la luz.

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