Propiedades coligativas de las soluciones. Punto de congelación

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Dentro de las propiedades coligativas de las soluciones se puede estudiar el punto de congelación o el descenso del punto de congelación de la solución. Recordemos que el punto de ebullición, es la temperatura a la cual la fase líquida y sólida, tienen igual presión de vapor.

Punto de congelación

El punto de congelación de una solución disminuye cuando posee mayor cantidad de solutos no volátiles disueltos. Si a una muestra de agua de determinado volumen, se le agrega una cantidad de soluto, esta ya no se congelará a 0 °C sino a una temperatura menor.

El descenso del punto de congelación se debe directamente al descenso de la presión de vapor de una solución, por lo que al agregar cualquier cantidad de soluto no volátil a la solución disminuye la presión de vapor y las soluciones se congelan a temperaturas menores.

La crioscopía es la rama de la química que se encarga del estudio del descenso del punto de congelación de un solvente puro como consecuencia de un soluto. Se denomina entonces descenso crioscópico a la diferencia entre los puntos de congelación de un solvente y de una solución a una presión constante determinada, la cual depende directamente de la concentración del soluto y no de su naturaleza pero sí de la naturaleza del solvente empleado.

Al estudiar la figura 1, la cual compara las presiones de vapor de una solución y de un solvente puro a diferentes temperaturas, notamos diferentes fenómenos:

• Las presiones de vapor para la disolución en cualquier temperatura son menores a las presiones de vapor del solvente puro (agua).
• Los puntos de ebullición del solvente puro y de la solución difieren en un aumento de temperatura, mientras que sus puntos de congelación difieren en una disminución de temperatura, lo cual indica que para las disoluciones del solvente con un soluto no volátil, el punto de ebullición se eleva y el punto de congelación disminuye.
• El solvente puro alcanza su punto de ebullición a una presión y temperatura determinada, la disolución debe utilizar mayor energía para llegar hasta su punto de ebullición, contrariamente a lo que sucede con sus puntos de congelación, de esto se concluye que a mayor adición de soluto a la solución, mayor será su punto de ebullición, menor será su presión de vapor y menor su punto de congelación.

Figura 1. Elevación del punto de ebullición y descenso del punto de congelación de una solución. Tomado de: http://propicolquimica.galeon.com/disminucion_co.html

Según las leyes de Raoult, la disminución del punto de congelación es directamente proporcional al número de moles de la sustancia disuelta:

ΔTc = To - Tc = Kc Ml

, donde ΔTc es el descenso o variación del punto de congelación de la solución, Tc es el punto de congelación de la solución, To es el punto de congelación del solvente puro, Kc es la constante crioscópica molal de un solvente dado, y Ml la molalidad de la solución. En la tabla 1, se muestran algunas constantes crioscópicas molales para diferentes tipos de solventes, indicando que, por ejemplo, para el caso del fenol, un mol de soluto no volátil y no electrolítico disuelto en 1 kg de acetona genera una disminución del punto de congelación de 7,27 °C, es decir, que la solución no congelará a 42 °C sino a 34, 73 °C.

Tabla 1. Comparación del punto de congelación y sus constantes crioscópicas de solventes dados.

Estudiemos ahora las diferentes situaciones problemáticas que puedan presentarse al calcular el punto de congelación de una solución dada y su descenso.

1. ¿Cuál es el punto de congelación de una solución y su descenso cuando se disuelven 5 gramos de azúcar (glucosa, C₆ H₁₂ O₆) en 1500 gramos de agua?

• El primer paso para realizar un problema es escribir los datos:
  gsto: 5 g de C₆ H₁₂ O₆ ; gste: 1.500 g de H2O ; Tc: ¿? ; ΔTc: ¿?
• Notamos que no se tiene el número de moles de soluto, por lo que es necesario calcularlo para hallar la molalidad, aplicando la fórmula del número de moles, utilizándose los gramos del soluto con el peso molecular. Asimismo, transforme los gramos del solvente en kilogramos.
  
  Ve a la tabla periódica e investiga la masa del carbono (C) del oxígeno (O), del hidrógeno (H), y obtén el pm. Recuerde tomar en cuanta el número de átomos de cada elemento para efectuar dicho cálculo.
  pm C₆ H₁₂ O₆: ¿?
  
  

  

• En función a los datos calculados se procede a hallar la molalidad de la solución, quedándonos:
  
  

  

• Calculemos ahora nuestras incógnitas utilizando las fórmulas propuestas para el punto de congelación y su descenso:
  
  

  

2. ¿Cuál es el peso molecular de 1,12 gramos de una sustancia que ha sido disuelta en 180 gramos de agua congelada a – 0,118 °C?

• El primer paso para realizar un problema es escribir los datos:
  gsto: 1,12 g de sustancia desconocida ; gste: 180 g de H₂O; Tc: – 0,118 °C
  
• Se sabe que el peso molecular es la relación entre los gramos de solutos y su número de moles (g/mol), se tiene los gramos de soluto más no el número de moles. A su vez, se conoce que la molalidad es una magnitud que relaciona el número de moles con los kilogramos de solvente, se tienen los kilogramos de solvente más no el número de moles. El razonamiento anterior nos indica que se necesita calcular el número de moles de soluto para poder hallar el peso molecular de la sustancia desconocida. Se comienza entonces calculando la molalidad a partir de las fórmulas conocidas, quedándonos:
  
  

  

• Despejando al peso molecular de la fórmula nos queda:
  
  

  

• Se calcula entonces el descenso del punto de congelación para obtener la molalidad: