Propriedades coligativas

As propriedades coligativas dependem sobretudo do número de partículas dissolvidas, e não da sua identidade química. O mecanismo comum é a diminuição do potencial químico do solvente quando se mistura um soluto.

solvente purosolução: potencial químico do solvente mais baixo
Um soluto não volátil reduz a tendência do solvente para passar à fase de vapor. Esta única ideia está na base da diminuição da pressão de vapor, da elevação do ponto de ebulição e da depressão do ponto de congelação.

Diminuição da pressão de vapor e lei de Raoult

Para uma solução ideal contendo um soluto não volátil:

Psolvente = xsolventeP°solvente

Como xsolvente < 1, a pressão de vapor do solvente é inferior à do líquido puro. As soluções reais podem apresentar desvios positivos ou negativos quando as interações intermoleculares diferem fortemente das de uma mistura ideal.

Elevação do ponto de ebulição e depressão do ponto de congelação

Uma pressão de vapor mais baixa significa que a solução tem de ser aquecida a uma temperatura mais elevada antes de a sua pressão de vapor atingir a pressão externa. Inversamente, a solução líquida permanece estável até uma temperatura mais baixa antes de congelar.

ΔTb = iKbm    ΔTf = iKfm

m é a molalidade e i é o fator de van ’t Hoff, o número efetivo de partículas dissolvidas por unidade de fórmula.

lado diluídolado concentradofluxo de solvente
A osmose é a transferência de solvente impulsionada pelo potencial químico. A pressão osmótica é a pressão necessária para parar esse fluxo líquido.

Pressão osmótica

π = iMRT

Em soluções suficientemente diluídas, a pressão osmótica segue uma equação semelhante à dos gases ideais. É especialmente útil para estimar massas molares de moléculas grandes, porque a pressão pode ser mensurável mesmo a baixa concentração.

A osmose inversa aplica uma pressão superior à pressão osmótica para forçar o solvente no sentido oposto; este princípio está na base da tecnologia de dessalinização.

Eletrólitos e fator de van ’t Hoff

Idealmente, NaCl origina dois iões e sugere i ≈ 2; CaCl₂ sugere i ≈ 3. Os valores reais podem ser menores porque os iões interagem e nem sempre se comportam como partículas independentes, sobretudo a concentrações mais elevadas.

Para não eletrólitos como a sacarose, i é próximo de 1 se as moléculas não se associarem nem se dissociarem.

Molalidade, não molaridade, nas fórmulas de variação de temperatura

A molalidade é o número de moles de soluto por quilograma de solvente. É usada porque a massa não varia com a temperatura, ao contrário do volume da solução. Isto torna as expressões Kbm e Kfm termodinamicamente mais adequadas do que fórmulas baseadas na molaridade.

As equações coligativas pressupõem comportamento diluído ou quase ideal; soluções concentradas exigem atividades em vez de concentrações simples.

Usar efeitos coligativos como medidas

Massa molar a partir da depressão do ponto de congelação

Se uma massa conhecida de um não eletrólito desconhecido for dissolvida numa massa conhecida de solvente, ΔTf fornece a molalidade. A partir da molalidade obtém-se a quantidade de matéria do soluto, e a massa dividida pelos moles dá a massa molar.

O método funciona melhor quando a solução permanece diluída e o soluto não se associa, não se dissocia nem reage com o solvente.

O anticongelante é um compromisso termodinâmico

O etilenoglicol reduz o ponto de congelação e eleva o ponto de ebulição da água, alargando o intervalo de funcionamento líquido de um fluido de refrigeração de motor. A sua utilidade tem base coligativa, mas a formulação real também depende de inibidores de corrosão, viscosidade e desempenho de transferência de calor.

Adicionar cada vez mais soluto não é automaticamente melhor: soluções concentradas afastam-se das equações ideais e podem apresentar propriedades físicas indesejáveis.

Osmose e células

As membranas celulares são seletivamente permeáveis, pelo que os gradientes osmóticos podem deslocar água e alterar o volume celular. Uma solução isotónica tem uma pressão osmótica efetiva semelhante à do interior da célula; soluções hipotónicas e hipertónicas deslocam água em sentidos opostos.

As membranas biológicas não são membranas semipermeáveis perfeitas, pelo que a permeabilidade a iões e solutos específicos também importa, para além de estimativas simples com π = iMRT.

Exemplo resolvido: depressão do ponto de congelação

Dissolvem-se 0,100 mol de um não eletrólito em 0,500 kg de água. A molalidade é 0,200 mol kg⁻¹. Com Kf(água) = 1,86 K kg mol⁻¹ e i = 1:

ΔTf = 1×1,86×0,200 = 0,372 K. O ponto de congelação previsto é cerca de −0,372 °C.

Se a mesma concentração ideal de partículas viesse de um eletrólito 1:1 totalmente dissociado, i seria próximo de 2 e a depressão aproximadamente duas vezes maior. As soluções iónicas reais afastam-se do valor ideal à medida que aumentam as interações entre iões.

Destilação e composição do vapor

A lei de Raoult também explica por que a destilação pode separar líquidos voláteis. O componente com maior pressão de vapor contribui desproporcionadamente para o vapor, pelo que a composição do vapor difere da do líquido. Vaporizações e condensações repetidas enriquecem o componente mais volátil.

As equações coligativas de congelação e ebulição são mais simples porque normalmente tratam o soluto como não volátil. Quando ambos os componentes são voláteis, é necessária uma descrição completa do equilíbrio vapor–líquido.

Solutos que se associam podem dar i < 1

O fator de van ’t Hoff não se limita a valores superiores a um. Se as moléculas do soluto se associarem, por exemplo por dimerização, o número de partículas de soluto que se movem independentemente pode ficar abaixo do número de unidades de fórmula adicionadas, tornando o i efetivo inferior a 1.

Exercícios

Número de partículas

À mesma molalidade, qual reduz idealmente mais o ponto de congelação: glicose ou NaCl?

Solução

NaCl, porque se dissocia aproximadamente em duas partículas por unidade de fórmula.

Molalidade

Porque se prefere a molalidade à molaridade nos cálculos de ΔTf ?

Solução

A molalidade usa a massa do solvente, que é essencialmente independente da temperatura.

Osmose

O que é a pressão osmótica?

Solução

A pressão externa necessária para parar o fluxo líquido de solvente através de uma membrana semipermeável.