Aplicaciones de las propiedades coligativas PDF

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APLICACIONES DE LAS PROPIEDADES COLIGATIVAS

Asignatura: Química de las Disoluciones. Curso: 2º Grado (2011/12)

Índice Introducción Descenso de la Presión de Vapor Ascenso Ebulloscópico Descenso Crioscópico Presión Osmótica Propiedades Coligativas y Conducción Propiedades Coligativas y Plantas Propiedades Coligativas en la Calidad y Cocina de Alimentos Bibliografía

PARTES DEL TRABAJO -Resumen / Unir el trabajo (Word – PPT) (JOSUE) -Marco Teórico / Bibliografía (KAREN) -Aplicaciones / Objetivos (RAUL) (Ejercicios) -Conclusiones / Introducción (AUGUSTO)

FECHA DE ENTREGA (3/12) WORD – (6/12) PPT

Introducción Las propiedades coligativas son aquellas que no dependen de la naturaleza del soluto, sino de la cantidad del mismo. Por ejemplo, la conductividad y la viscosidad no son propiedades coligativas ya que si dependen de la naturaleza del producto. Si disolvemos azúcar en agua destilada, ésta disolución no va a conducir la electricidad, en cambio, una disolución de agua destilada y sal, sí conduce la electricidad. Las propiedades coligativas de una disolución siempre varían respecto a las del solvente puro en mayor o menor medida, tanto si se trata de sal como si se trata de azúcar. Estas propiedades tienen infinidad de aplicaciones químicas y físicas, especialmente en la determinación de pureza de la sustancia, ya que sus propiedades coligativas no serán las mismas si no son puros, sean cuales sean las impurezas. Además, como dependen de la cantidad de soluto con ellas, se podrá determinar la cantidad de impureza. No obstante, también están en infinidad de elementos y aplicaciones cotidianas de los que hablaremos más adelante. ¿Cuáles son las propiedades coligativas? Las propiedades coligativas son:    

El descenso de la presión de vapor. El aumento ebulloscópico. El descenso crioscópico La presión osmótica

Descenso de la Presión de Vapor La presión de vapor se puede definir como la fuerza ejercida por el equilibrio dinámico, que se forma entre los átomos o moléculas de un compuesto que entran en estado gaseoso y, vuelven a su estado original (líquido o sólido) a una determinada temperatura. Un disolvente puro tiene una presión de vapor concreta, sin embargo, al añadirle un soluto, esta presión desciende. La razón de este fenómeno es simple; el disolvente puro tiene un determinado área de intercambio de moléculas gaseosas y líquidas, con la atmósfera y este área está formado solamente por moléculas del disolvente. En cambio, cuando hay un soluto disuelto en este disolvente, lo encontraremos por todo su volumen, incluido el área en contacto con la atmósfera, lo cual hará que menos partículas del disolvente estén expuestas a la zona de formación de vapor. Esto provocará que menos partículas entren en estado gaseoso parcial que colabora en la presión de vapor. Pero la presencia de soluto no dificulta el retorno al estado original de las moléculas en estado gaseoso, por tanto, cuanto más soluto haya en la disolución, menos exposición del disolvente a la atmósfera, experimentando una reducción de su presión de vapor a medida que aumente la concentración del soluto. La fórmula que representa este fenómeno es:

DP = Pd • Xs Donde DP es la disminución de la presión de vapor, Pd es la presión del disolvente puro y Xs es la fracción molar del soluto. En el caso de que el soluto sea un electrolito, nos encontramos con que la propiedad se ve incrementada debido a que los electrolito se disocian formando dos iones y, por tanto, ocupan más espacio que podrían ocupar moléculas de disolvente en contacto con la atmósfera. Esta corrección de la propiedad se conoce como factor de Van’t Hoff y se representa con una i.

DP = Pd • Xs • i

Ascenso Ebulloscópico Aumentando la temperatura del compuesto, aumentamos su presión de vapor y, cuando a una determinada temperatura la presión de vapor es igual que la presión atmosférica, la sustancia entra en ebullición, y esa temperatura se trata del punto de ebullición. Pero no debemos olvidar que acabamos de afirmar que en una disolución, la presión de vapor es menor que en el disolvente original, por lo que la temperatura necesaria para que la presión de vapor de la disolución sea igual que la del disolvente, deberá ser mayor para compensar esa presión de vapor menor causada por el soluto. Por lo que también, cuanto más soluto, mayor deberá ser la temperatura para que la disolución pueda entra en ebullición. Por tanto, donde antes el disolvente entraba en ebullición a una temperatura determinada, la disolución no entrará por tener una presión de vapor menor; necesitará una temperatura mayor. La fórmula para representar esta variación es:

DTe = ke • m Donde DTe es la variación del punto de ebullición, ke es la constante ebulloscópica para cada soluto y m la molalidad de la disolución. De nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a la presión de vapor afecta por tanto a esta propiedad:

DTe = ke • m • i

Descenso Crioscópico Es similar a la ebullición. Si se reduce la temperatura de un disolvente lo suficiente, se producirá la congelación cuando la presión de vapor del líquido es igual a la presión de vapor del sólido. Por lo que el punto de congelación de un solvente, será más alto que el de la disolución. Esto se puede explicar teniendo en cuenta que la presión de vapor del sólido de la disolución, también se verá afectado por la presencia del soluto, haciendo que tenga una presión de vapor más baja y, por tanto, necesitando una temperatura menor para que la disolución líquida tenga la misma presión de vapor que su sólido y se congele. La variación del punto de congelación se deduce de esta fórmula:

D Tc = kc • m Donde DTc es la variación del punto de congelación, kc es la constante crioscópica para cada soluto y m la molalidad de la disolución. De nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a la presión de vapor afecta por tanto a esta propiedad:

DTc = kc • m • i

Presión Osmótica La ósmosis se define como un fenómeno en el cual, el solvente se desplaza de disoluciones menos concentradas a disoluciones más concentradas, a través de una membrana semipermeable que no permite el paso del soluto hasta que la concentración en ambos lados sea igual, momento que se conoce como equilibrio osmótico. En el equilibrio osmótico el agua que vuelve a la solución menos concentrada es igual al agua que va a la disolución más concentrada, debido a la presión osmótica ejercida por la columna de solvente. En la ósmosis, el solvente atraviesa una membrana que las partículas disueltas no pueden, haciendo así que la cantidad de solvente en un lado sea mayor, pero la concentración se equilibra.

En la imagen se puede apreciar que cuando se alcanza el equilibrio, el aumento de la altura de la solución en un lado crea una presión igual a la presión con la que entra el solvente por ósmosis; esto detiene el flujo. A esta presión necesaria para detener el flujo se le llama presión osmótica. De no existir solutos no existiría presión osmótica, ya que el solvente no necesitaría desplazarse para igualar concentraciones. Por tanto, cuanto mayor cantidad de soluto haya, mayor será la presión osmótica creada por la columna de solvente cuando atraviese la membrana para igualar las concentraciones, hasta que la presión osmótica se lo impida. La presión osmótica se calcula por esta fórmula: π = MRT Donde π es presión osmótica, M la molaridad de la solución, R es 0.08206atmL/Kmol y T la temperatura en Kelvins. De nuevo, si el soluto es electrolítico de la misma manera que afecta a las otras propiedades, también afecta a ésta, ya que un electrolito al disociarse en sus iones, aumenta la salinidad de la solución y la cantidad de agua que atraviesa la membrana: π = MRT • i

Propiedades Coligativas y Conducción Podría parecer que las propiedades coligativas no tienen ningún propósito o utilidad en nuestro día a día, pero participan en muchas actividades aunque no lo parezca. Una de las actividades que guarda más relación con las propiedades coligativas es la conducción, más concretamente el mantenimiento del motor y las carreteras, sin el cual seríamos incapaces de utilizar nuestros automóviles por las vías sin que hubiese un problema de refrigeración o un accidente por deslizamiento. ¿Qué problemas pueden surgir en la vía que las propiedades coligativas solucionen? Existen zonas de la tierra donde en ciertas épocas, o en la mayoría del año, padecen unas temperaturas por debajo de los 0ºC. En estos sitos se presencian nevadas, o si no han alcanzado los 0ºC, lluvias que al darse temperaturas tan bajas, congelan el agua de la lluvia o hacen que se mantenga la nieve. Estas condiciones meteorológicas forman capas de nieve y hielo que pueden ser peligrosas. No fueron tan problemáticas hasta que en los años treinta, con la expansión del automóvil, se necesitaron soluciones para el hielo y nieve en las vías, ya que por ella circulan los vehículos que, además de ser muy pesados, van a mucha velocidad que puede traer graves consecuencias. Los problemas vienen debido a la pérdida de adherencia provocada por la presencia del hielo que hace que los vehículos deslicen, haciendo muy difícil la frenada y la maniobrabilidad, pudiendo causar así muchos accidentes. Por ello se toman medidas contra estas trampas climáticas. La más común es el vertido de sal sobre las carreteras heladas. ¿Cómo puede la sal ayudar con este problema? Ya mencionamos mientras introducíamos las propiedades coligativas, que el punto de congelación de una sustancia pura era mayor que el de una disolución de ésta. Por ello, en las carreteras heladas, al verter la sal, se humedece formando una disolución de agua y sal que no se congela a 0ºC sino a temperaturas más bajas. De esta manera se disuelve el hielo de las carreteras quedando solo agua salada que no congelará a menos que desciendan mucho las temperaturas. La sal más usada para este proceso es el cloruro sódico (NaCl), posiblemente por su abundancia y efectividad.

Para la distribución de la sal, se utilizan camiones especiales en las épocas del año conflictivas y se echa la sal directamente a las carreteras o en forma de disolución muy concentrada en agua. No obstante, se están desarrollando nuevos métodos para la distribución de la sal a base de tanques con líquidos anticongelantes que utilizan aspersores en el suelo, o elementos de la vía que disparen agua y que, a la vez, detecten los descensos de temperatura críticos y la formación de hielo. De esta manera, las ruedas de los coches podrán contribuir a la distribución de las disoluciones anticongelantes. Se piensa que estas medidas son especialmente importantes en las salidas de túneles puesto que, en los túneles, los coches pueden circular a mayor velocidad, por la ausencia de hielo en la vía, y pueden olvidarse de reducir la velocidad al salir del túnel y volver a encontrarse con el hielo. Sin embargo, estas medidas tienen su impacto ecológico, ya que se invierten toneladas de sal, y el agua salada de las carreteras puede acabar en zonas de plantas y causar ciertos problemas de los que hablaremos más adelante. ¿Qué problemas tienen lugar en el coche que necesiten de las propiedades coligativas? Los motores de los coches utilizan el combustible para obtener energía mediante una combustión. Sin embargo, la energía que se obtiene no es toda cinética sino que gran parte se pierde en forma de calor. Ese calor producido en las explosiones del motor aumenta enormemente la temperatura del sistema, provocando: dilataciones que ciertos componentes del coche no pueden resistir, temperaturas que aumentan excesivamente la presión, el calor podría hacer que los lubricantes perdiesen sus características o que, simplemente, reducirse la eficacia del motor. Por ello, desde que se inventaron los medios de transporte a motor, se ha necesitado mecanismos para enfriarlos. En un comienzo se inventaron dispositivos que utilizasen el aire como refrigerador, sin embargo, con el paso de los años se ha pensado en líquidos para refrigerar.

¿Qué relación guardan las propiedades coligativas y los refrigerantes?

El líquido refrigerante se encarga de absorber el máximo calor posible, impidiendo así, que se caliente el motor en exceso y manteniendo una temperatura óptima de trabajo. Sin embargo, no vale un líquido cualquiera. Conviene que no se evapore con facilidad para que las partes del vehículo que se calientan estén en total contacto con el líquido refrigerante. Si este entrase en fase gaseosa muy rápidamente, dejaría más fácilmente de estar en contacto y absorbería calor menos eficazmente. Por se empezaron a usar líquidos en lugar del aire. Al comienzo, se usó agua por su facilidad de adquisición entre otras condiciones, pero su punto de congelación no es lo suficientemente bajo y su punto de ebullición no es lo suficientemente alto. Además, el agua tiene la desventaja de corroer los metales. Incluso ciertas sales del agua sin destilar impiden la correcta absorción de calor. Por ello, se necesitaba un soluto que conservase o aumentase la capacidad de absorber calor, que no incite a la corrosión o incluso la prevenga, y que disminuya el punto de congelación y aumente el de ebullición. Hoy en día, se utilizan ácidos orgánicos de cadena larga porque cumplen las condiciones mencionadas y, además, son biodegradables. Sin embargo, a nosotros nos interesa la propiedad coligativa que se consigue con este soluto; el ascenso crioscópico y el descenso crioscópico. El ascenso crioscópico permite que el agua entre en fase gaseosa más tarde, permitiéndola absorber más calor en forma líquida que empapa mejor las zonas a refrigerar. El descenso crioscópico le da el nombre de anticongelante a estas disoluciones, ya que en lugares de bajas temperaturas, estos líquidos refrigerantes se podrían congelar y resultar inservibles a la hora de conducir, como la presencia de un soluto hace que la disolución tenga una temperatura de congelación menor, no se congela a la temperatura a la que se congelaría si fuese agua pura.

Propiedades Coligativas y Plantas Seguramente, una de las propiedades coligativas cruciales para la vida es la presión osmótica que es especialmente importante en plantas. Las plantas son organismos fundamentales para la vida como fuente de alimentación y como generadores de oxígeno por fotosíntesis. Pero muchas plantas no poseen un esqueleto interno como nosotros, no obstante, tienen cierta rigidez que proviene del agua dentro de sus células. ¿Cómo es que las plantas no necesitan un tejido que les permita ser rígidos sino que pueden simplemente valerse de sus células? Esto no es cierto para todas las plantas; las leñosas como los árboles usan lignina, pero las plantas herbáceas no tienen ni tejidos ni sustancias que les aporte rigidez. Estas plantas usan sus propias células como columna que las sostenga; pero qué diferencia tanto a las células de las plantas de las nuestras para que ellas no necesiten elementos óseos por ejemplo. Las células de la planta cuentan unas membranas semi-permeables en el reborde y un límite más rígido pero permeable llamado pared celular. Por tanto las células de las plantas son capaces de modificar su salinidad o concentración de soluto y, por ello, el agua por ósmosis tenderá a entrar dentro de ella el solvente, en estos casos agua, hasta que el tamaño de la célula entre en contacto con la pared celular. Entonces, la pared celular se deformará ligeramente, pero al alcanzar su máxima deformación, se generará una presión confinante sobre el borde de la célula. En este punto es imposible que absorba más agua ya que la presión que haga el agua para entrar será igual a la que realiza la pared para evitar que entre. En aquel momento se alcanza un equilibrio gracias a la presión realizada por la pared, una presión osmótica. ¿Cómo aporta este proceso rigidez a las plantas? El agua dentro de la célula se encuentra a una presión elevada resultando en que la célula esté más dura que de costumbre. A este estado se le llama turgente. Este fenómeno de turgencia ocurre gracias a la presión osmótica.

La diferencia de concentración es importante, por lo que es importante la presencia de soluto para que el agua de la tierra sea de concentración menor que la del citoplasma (líquido de la célula) celular. Para esto, la planta utiliza sales electrolíticas o moléculas orgánicas de manera que su molaridad sea mayor que la del agua del sustrato. ¿Cómo llega el agua del sustrato a las células de la planta? Estas plantas herbáceas, la mayoría, obtienen su agua del suelo a través de las raíces, y para que el agua entre en la raíz, requiere que esta tenga una salinidad mayor para que tenga lugar un proceso osmótico. Luego, célula tras célula, el agua las llenará y, gracias a la presión osmótica, se pondrán turgentes y tendrán un aspecto saludable. Por ello las plantas languidecen cuando se las somete a un periodo sin agua ya que no podrán absorber suficiente agua. Con una presión osmótica baja las células ceden a la gravedad. Por tanto las células que estaban turgentes son como un globo lleno de aire, aire que ejerce una presión en las paredes del globo, pero como cuando vacías el aire del globo que se queda flácido como sin fuerza, la planta también pierde su rigidez. ¿Qué otras funciones realizan las plantas con la presión osmótica? Por otro lado, las plantas se valen de la presión osmótica para otra función. El agua de las raíces debe llegar a la totalidad de la planta para que pueda realizar la fotosíntesis. Este transporte de agua tiene lugar a través de un canal circulatorio de la planta llamado xilema. Pero esta masa de agua debe ascender y necesita una fuerza que la empuje hacia arriba, y ahí entra en juego la presión osmótica. Será la presión osmótica la que impulse el agua hacia las hojas pero para esto, debe de haber una absorción intensa desde las raíces de manera que se necesite una gran columna de agua para igualar el intercambio. Como es necesario una gran absorción, se acumulan importantes cantidades de glucosa, formada en la fotosíntesis, en las raíces, de manera que una diferencia de concentración tan grande, provoque que sea necesaria una gran cantidad de agua para alcanzar el equilibrio, lo cual también repercutirá en una presión osmótica muy grande para impedir la continua absorción de agua. Incluso la membrana de las raíces puede absorber algunas sales con el agua, impidiendo así que el agua del sustrato se vuelva demasiado salada, y poder mantener así esa presión radical. Esta presión radical es medible haciendo un corte y conectando un tubo con agua que, debido a la presión osmótica que ejerce la columna de agua absorbida, empezará a desplazar el agua del vidrio observándose así, que existe una presión osmótica radical. En general, este proceso, con ayuda de la transpiración, lo usan las plantas para proporcionar a sus hojas el agua necesaria para la fotosíntesis. Es más, en el caso de que el medio sea excesivamente húmedo y el agua absorbida sea excesiva, las plantas poseen un mecanismo para reducir la presión radical. Este

sistema consiste en secretar al exterior una disolución salina o de agua y glucosa que aumentará la concentración de sales en el medio y reducirá la diferencia de concentraciones entre las raíces y el sustrato. A este proceso se denomina gutación. Esto reducirá la presión radical y osmótica reduciendo la absorción de agua. Intervenciones del ser humano que afectan a este proceso. Como bien hemos dicho, las plantas dependen de que la concentración de las sales o azucares dentro de las células sea mayor, de manera que, por ósmosis, el agua tienda a ir hacia dentro de la célula. Por esto es un grave problema cierto proceso para apagar incendios. Cuando hay incendios muy grandes, se recurre a enormes helicópteros con enormes tanque colgantes que llenan de agua. Lo conveniente sería usar agua de lagos pero, en ocasiones, el mar está más cerca y el tiempo apremia. Entonces, el helicóptero recoge agua del mar para apagar el incendio y vierte el agua salada en la zona del incendio. Tras finalizar el incendio, esa agua salada sobrante con la sal que ha quedado, es absorbida ...