Proprietà colligative: tensione di vapore

In questo appunto vengono descritte le proprietà colligative relative alla tensione di vapore, innalzamento ebullioscopico e abbassamento crioscopico attraverso le definizioni fondamentali e presentazione dei concetti di base di chimica per la comprensione degli argomenti in esame.

Le proprietà colligative

Tutte le soluzione godono di proprietà colligative, cioè quelle proprietà di una soluzione che non dipendono dalla natura del soluto in una soluzione, ma dalla natura del solvente, dalla concentrazione di soluto e del solvente. Esse sono rispettate solo dalle soluzioni ideali, che non esistono in natura, ma alle quali ci si avvicina tanto più una soluzione viene diluita. Ricapitolando, le soluzioni come già sappiamo sono miscele omogenee, formate da particelle di soluto disperse tra quelle di solvente. Le proprietà del solvente in soluzione sono diverse dal solvente puro, esse dipendono dal numero di particelle di soluto che vengono prodotte in soluzione e non dal tipo di soluto presente in soluzione.
Le proprietà colligative sono le proprietà di una soluzione che dipendono solo dal numero di particelle di soluto in soluzione.
Le proprietà colligative vengono raggruppate in tre differenti proprietà, le quali sono riportate qui di seguito:

• Abbassamento della tensione di vapore;
• Innalzamento del punto di ebollizione (Innalzamento ebullioscopico);
• Abbassamento del punto di congelamento(Abbassamento crioscopico);
• Osmosi e pressione osmotica.

Il concetto di tensione di vapore

La tensione di vapore è la pressione esercitata dalle molecole di solvente evaporate sulla soluzione.
Se trattiamo un solvente puro, come l’acqua, la sua tensione di vapore sarà altissima, perché non si tratta di una soluzione e la concentrazione di soluto è pari a 0. Difatti l’evaporazione del solvente, dell’acqua in questo caso, non viene ostacolata dalle molecole del soluto che si dispongo superficialmente alla soluzione. Se invece aggiungessimo un soluto (come per esempio il sale nell’acqua della pasta), allora la tensione di vapore diminuisce enormemente in quanto la concentrazione di soluto aumenta (non consideriamo solo il solvente puro ma l’intera soluzione). In questo caso diminuisce perché l’evaporazione delle molecole di solvente è contrastata dalle molecole di soluto, che si dispongono superficialmente e non permettono la fuoriuscita di molecole di solvente. Osservato questo deduciamo che tanto più è concentrata una soluzione, tanto più la sua tensione di vapore sarà minore. La tensione di vapore è tanto minore quanto è maggiore la concentrazione.
Il primo chimico che cercò di studiare questo fenomeno fu Rauolt, i quali studi possono essere riassunti ad un espressione algebrico-matematica:

Dove

è la tensione di vapore della soluzione (che è una pressione);
Dove è tensione di vapore del solvente alla stessa temperatura
Dove è frazione molare del solvente, ovvero il rapporto tra le moli del solvente e la somma delle moli di tutta la soluzione.

I fenomeni di evaporazione ed ebollizione

Le particelle dei liquidi sono libere di muoversi in quanto presentano forze di coesione di medio grado. Il passaggio di stato da liquido ad aeriforme, se avviene a temperatura inferiore a quella di ebollizione, prende il nome di evaporazione. Può avvenire a qualsiasi temperatura e consente alle particelle superficiali di staccarsi tra loro e mescolarsi all’aria. Se la temperatura è più elevata avviene più velocemente. La velocità di evaporazione dipende anche dalla superficie: maggiore è la superficie più velocemente avviene l’evaporazione.
La tendenza che ha un liquido ad evaporare si definisce tensione di vapore. Essa è diversa per ogni liquido e rappresenta la pressione che viene esercitata dalle particelle di liquido che sono passate allo stato gassoso, inoltre dipende dalla temperatura.
L’ebollizione invece riguarda tutta la massa del liquido e non solo la superficie, infatti all’interno del liquido si formano delle bolle di vapore che salgono in superficie. Il calore dato al liquido fa aumentare il disordine esistente tra le particelle del liquido, facendole separare. Il calore quindi permette ai legami tra le particelle di rompersi.

Abbassamento della tensione di vapore

La tensione di vapore come già sappiamo, esprime la pressione esercitata da un vapore in equilibrio con il suo liquido, ad una certa temperatura.
Se in un solvente sciogliamo un soluto non volatile (significa che in quelle condizioni non passa allo stato di vapore) la tensione di vapore della soluzione è minore della tensione di vapore del solvente puro. Quindi la presenza di un soluto non volatile ha fatto abbassare la tensione di vapore del solvente volatile.
Dato che l’entità dell’abbassamento è una proprietà colligativa dipende dalla concentrazione del soluto, quindi più concentrata sarà la soluzione più bassa sarà la tensione di vapore.
La tensione di vapore di una soluzione (P) si può calcolare grazie alla legge di Raoult, che esprime la proporzionalità diretta tra la tensione di vapore di una soluzione e la frazione molare del solvente.
Se conosciamo la tensione di vapore del solvente puro (P°) e la frazione molare del solvente (X) possiamo applicare la seguente legge riportata qui di seguito:

L’innalzamento ebullioscopico

L’aumento del punto di ebollizione prende il nome di innalzamento ebullioscopico.
Il punto di ebollizione di un liquido è la temperatura alla quale la sua tensione di vapore eguaglia la pressione soprastante.
Abbiamo visto che l’aggiunta di un soluto non volatile in un solvente volatile abbassa la tensione di vapore del solvente, ne consegue che ne aumenta il punto di ebollizione.
Maggiore è la concentrazione della soluzione più alta deve essere la temperatura per raggiungere il punto di ebollizione, come si può vedere anche dalla legge di Raoult: l’innalzamento del punto di ebollizione .
è direttamente proporzionale al numero di moli di soluto presenti in una certa quantità di solvente. Qui di seguito viene riportata la relazione matematica:

Dove

è la costante ebullioscopica molalità della soluzione.
La costante ebullioscopica di un solvente, per definizione, è l’innalzamento del punto di ebollizione quando una mole di particelle di soluto è disciolta in 1 Kg di solvente.

L’abbassamento crioscopico

L’abbassamento del punto di congelamento prende il nome di abbassamento crioscopico.
Se aggiungiamo del soluto ad un solvente, la temperatura alla quale esso congela sarà inferiore di quella del solvente puro.
Ciò avviene perché le molecole del solvente, per la presenza di quelle del soluto, hanno maggiore difficoltà a formare la struttura ordinata che è tipica dei solidi.
L’abbassamento crioscopico è direttamente proporzionale alla concentrazione del soluto. Qui di seguito viene riportata la relazione matematica:

Dove

è la costante crioscopica molalità della soluzione Si definisce costante crioscopica di un solvente, l’abbassamento del punto di congelamento quando una mole di particelle di soluto è disciolta in 1 Kg di solvente.