En una solución acuosa, los solutos afectan a aquellas propiedades de la solución que solo dependen de la concentración o del número de las partículas disueltas, pero no dependen de la identidad de los solutos; estas propiedades se conocen como propiedades coligativas. Como ejemplo, podemos mencionar que el punto de congelamiento de una solución acuosa de cualquier sal es más bajo que el del agua pura debido a la presencia de la sal disuelta en agua, no importa si la sal disuelta es cloruro de sodio o nitrato de potasio; si las cantidades molares del soluto y el número de iones son los mismos, los puntos de congelamiento serán los mismos.
Las cuatro propiedades coligativas más estudiadas son:
- Descenso de la presión de vapor:
Un líquido contenido en un recipiente se puede evaporar completamente si se cuenta con el volumen disponible. Si no se dispone del volumen suficiente, un líquido se evaporará solo hasta el punto donde la velocidad de evaporación sea igual a la velocidad de condensación del vapor. La presión de vapor en este punto de equilibrio es llamada la presión de vapor del líquido. De esta manera, si un vaso con agua se coloca en un cuarto abierto se evaporará completamente; sin embargo, si el vaso es cubierto con una tapa, el espacio entre el líquido y la tapa va a contener una cierta cantidad de vapor de agua. La cantidad de vapor de agua presente depende de la temperatura, pero no de la cantidad de líquido que está presente en el equilibrio.
Si en lugar de agua pura se coloca una solución acuosa en el vaso, la presión de equilibrio será menor que la del agua pura. La presencia del soluto en el líquido disminuye la presión de vapor característica y por consecuencia, la solución se evapora más lento en comparación al solvente puro. Generalmente, se espera que los solutos que son líquidos en su forma pura ( p. ej. alcohol etílico) tengan su propia presión de vapor, mientras que los compuestos iónicos no contribuirán a la presión de vapor total de la solución.
Una de las consecuencias de la disminución de la presión de vapor se puede observar en una lata de gaseosa derramada, al evaporarse el agua la gaseosa se vuelve más azúcar y menos agua. hasta que la presión de vapor del agua es tan baja que a penas se evapora. Resultando en que la gaseosa derramada permanezca pegajosa sobre la superficie por un largo tiempo comparado con solo agua derramada sobre una superficie.
- Descenso del punto crioscópico
La presencia de un soluto disminuye el punto crioscópico o de congelamiento de una solución en relación al del solvente puro. Como ejemplo, el punto de congelamiento del agua pura es 0°C; si se disuelven 10 gramos de cloruro de sodio en 100 gramos de agua, el punto de congelamiento disminuye a -5,9 °C. Si se usa sacarosa en vez de cloruro de sodio (10 gramos de sacarosa en 100 gramos de agua), el nuevo punto de congelamiento es de -0,56 °C. La razón para que en el primer caso el punto de congelamiento sea menor que en el segundo es que hay más partículas en 10 gramos de cloruro de sodio que en 10 gramos de sacarosa, debido a que el peso molecular de la sacarosa es de 342,3 g/mol mientras que el del cloruro de sodio es 58,44 g/mol. Por otro lado, cada unidad de cloruro de sodio tiene dos iones cuando se disuelve en agua mientras que la sacarosa no es un electrolito, por ende la solución contiene moléculas de sacarosa y no dos iones diferentes. Por tanto, al predecir el punto de congelamiento de una solución se debe considerar no solo el número de unidades presentes en la fórmula, sino también el número de iones que resultan de cada unidad de la fórmula.
- Aumento del punto de ebullición
Debido a que la presencia de partículas de soluto disminuye la presión de vapor de un solvente líquido, se requiere una mayor temperatura para alcanzar el punto de ebullición, por tanto el punto de ebullición de una solución es más alto que el del solvente puro. Como en el caso de la disminución del punto de criogénico, el efecto depende del número de partículas de soluto presente en una cierta cantidad de solvente, mas no de la identidad de esas partículas. De esta manera, si se disuelven 10 gramos de cloruro de sodio en 100 gramos de agua, el punto de ebullición es 101,7°C, este valor es más alto que el del punto de ebullición del agua pura.
- Aumento de la presión osmótica
Esta última propiedad coligativa es considerada muy importante para los sistemas biológicos e involucra la ósmosis, proceso por el cual las moléculas del solvente pueden pasar a través de ciertas membranas aunque las partículas de soluto se ven impedidas a hacerlo. Cuando dos soluciones de diferente concentración están presentes en cualquier lado de estas membranas (también llamadas semipermeables) hay una tendencia de las moléculas del solvente a moverse desde la solución más diluida hacia la solución más concentrada hasta que las concentraciones de ambas soluciones sean iguales. Esta tendencia es llamada presión osmótica, la presión externa puede ser ejercida sobre una solución para contrarrestar el flujo del solvente; la presión requerida para detener la ósmosis de un solvente es igual a la presión osmótica de la solución.
La ósmosis es un procedimiento bastante útil, por ejemplo, las carnes se pueden preservar convirtiéndolas en cecina o carne seca : la carne se baña en una solución salina muy concentrada, lo que resulta en la deshidratación de las células de la carne. La cecina se preserva mejor que la carne fresca, ya que las bacterias en la superficie de la carne salada serán víctimas de la ósmosis y morirán. Este proceso prolonga así la duración y conservación de la carne sin el uso de refrigeración.
BIBLIOGRAFÍA:
1. Bosma, Wayne B. Colligative Properties <http://www.chemistryexplained.com/Ce-Co/Colligative-Properties.html> Consultado : 31 de agosto del 2019
2. Atkins, Peter, and de Paula, Julio (2001). Physical Chemistry , 7th edition. New York: W.H. Freeman
3. Brown, Theodore L.; LeMay, H. Eugene; Bursten, Bruce E.; and Burdge, Julia R. (2002). Chemistry: The Central Science , 9th edition. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall.
4. Properties of Solutions 2019 <https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_Chemistry/Book%3A_The_Basics_of_GOB_Chemistry_(Ball_et_al.)/09%3A_Solutions/9.4%3A_Properties_of_Solutions> Consultado : 31 de agosto del 2019
Si bien es cierto, la concentración de sales en una solución afectan directamente la estructura del agua y por lo tanto tiene impacto en la modificación de sus propiedades, al hablar de solutos, ¿es solamente válido referirse a iones o grupos iónicos o también están los grupos neutros incluidos? Si fuese así, ¿de qué manera influyen en las propiedades coligativas del agua?
Como se menciona al inicio del artículo y en algunos ejemplos para cada propiedad coligativa, el efecto de los solutos en las propiedades coligativas del agua dependen de la concentración de los mismos, mas no de su identidad. Por tal motivo, no solo los compuestos iónicos modifican las propiedades coligativas del agua sino también los moleculares. Se menciona un ejemplo en la sección: Descenso del punto crioscópico.
Buenas noches Angeline, como un pequeño aporte, las propiedades coligativas se deben a que cada tipo de soluto, al interferir con los puentes de hidrógeno, interrumpe y alerta la estructura tridimensional del agua, como ocurre con los iones de sodio y cloro cuando se hidratan; esta acción es una función de la densidad de carga de los compuestos añadidos.
¿Qué aplicaciones tiene la medición de punto de ebullición y de punto crioscópico en los alimentos en general?
Gracias
Gracias por el aporte José Luis. Las aplicaciones principales que contemplan la medición del punto de ebullición y del punto crioscópico en el rubro de los alimentos pueden ser las etapas de purificación como destilación y condensación debido a que al llegar al punto de ebullición se asegura que algunas impurezas se desprendan o se evaporen, asimismo, se llegan a destruir a gran parte de las bacterias, se limita la acción de la mayotía de reacciones químicas y enzimáticas. Por otro lado, en la caso de la congelación, se llega a aumentar la vida útil de los alimentos y se conservan las características organolépticas.