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
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
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.
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
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.
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 por la tierra y por ello, la salinidad del agua
del medio será mayor que la de dentro de las plantas que necesiten absorber esa
agua, por lo que el agua, abandonará las raíces hasta que el medio y las
células estén en equilibrio, impidiendo así que las células puedan aprovechar
el fenómeno de la presión osmótica.
Por otro lado, tenemos el caso del ya
mencionado deshielo en las carreteras por medio de sal. Cuando ese hielo se
disuelve en agua con sal puede desplazarse hasta zonas con vegetación o ser
arrastrado por las lluvias a zonas vegetadas. Esto provocaría la mencionada
salinización de los suelos y la misma consecuencia mencionada.
Propiedades Coligativas en la Calidad y Cocina de Alimentos
Durante la producción de alimentos existen
ciertas estratagemas no muy legales para incrementar los beneficios, se trata
de diluir ciertos productos en los que no se pueda notar la dilución. Esto se
realiza porque el agua es un producto barato mientras que el fabricado no lo es.
Por ello, si se le añade agua sin que se note realmente en la coloración, por
ejemplo, fabricarán mayor cantidad por menos precio, facilitando su venta al
mismo obteniendo mayor beneficio de menos cantidad.
Los
encargados de verificar la calidad y pureza de estos productos se valen de
métodos relacionados con las propiedades coligativas para descubrir si se trata
de un intento de engaño al cliente o el producto no ha sido alterado.
¿Cómo Participan las
Propiedades Coligativas en la
Determinación de la
Pureza ?
Cuando hablamos de productos líquidos que
contengan un porcentaje de agua podemos comprobar a que temperatura a la que
congelan o entran en ebullición a base de enfriarlos o calentarlos y medir la temperatura.
Encontrando así su temperatura de congelación o ebullición. Con esto y lo
conocido de las propiedades coligativas sabemos que concentración de soluto hay
en el producto.
Por tanto, si los productos analizados
contienen más agua, se podrá apreciar rápidamente. Productos como el aceite, no
son diluidos porque al ser inmiscibles, se notaría rápidamente que se trata de
dos líquidos distintos y que el aceite no es puro, pero productos alcohólicos,
ácidos (para laboratorios o vinagres), zumos o lácteos, podrían contener más
agua de la que afirman, ya que en estos casos el agua se combina con estos
productos puros o disoluciones de una manera que a primera vista puede no
apreciarse.
En cambio en esta otra no pierde casi nada el
color y en las primeras diluciones no se aprecia casi el cambio.
Por eso, con líquidos transparentes o
fuertemente coloreados, es prácticamente imposible saber si han sido diluidos a
simple vista.
Por ello, conociendo los puntos de ebullición
y congelación de los productos con su concentración habitual, podemos
calentarlos o congelarlos, y ver a que temperatura ocurre, pudiendo saber si
contienen más o menos agua que la prueba previa.
También se pueden fijar mínimos de
concentración midiendo la temperatura a la que entran en ebullición, o congelan
disoluciones con la cantidad mínima que se cree que debería tener de un
producto. Evitando así la fabricación de productos que contengan excesos o
defectos de lo que se pretende vender.
Por ejemplo, para los laboratorios, es muy
importante conocer con bastante exactitud la concentración de los reactivos
comerciales que compran para poder conocer con precisión las cantidades que
obtienen o necesitan para las reacciones, siendo este el método para evitar ser
engañados.
Por otro lado, más alimenticio, la leche
tiene una temperatura de congelación entre
-0,53 y -0,55, si la temperatura de congelación es mayor que esta esa
leche muestreada, tiene una concentración del soluto menor, por consiguiente,
una concentración mayor de agua de la que debía, debe haber sido aguada.
Otro ejemplo para un defecto de soluto, podría ser la fabricación de
bebidas alcohólicas sin alcohol o con una concentración de alcohol menor. Por
ejemplo, si quisieran vender un producto afirmando que tiene menos alcohol para
que se consumiera más. Estos productos deberían de tener un punto de ebullición
más bajo que otros productos con la misma concentración de alcohol e igual si
afirman que han fabricado una cerveza sin alcohol, por ejemplo, debería variar
el punto de congelación lo suficiente para asemejarse a una disolución con los
productos indicados para la fabricación. También podrán probar el porcentaje de
alcohol de la bebida.
Es más, este sistema podría servir para comprobar
la pureza del agua que dice ser potable, mineral o la calidad de un destilador de agua.
Si el punto de ebullición supera los 100 grados o congela a menos de cero,
significará que posee ciertas impurezas y, si por casualidad hubiese sales
minerales, asegurarse de que estuviesen en la proporción correcta.
También en esto puede ayudar la densidad. conociendo la densidad del alimento "puro" si tiene agregado de impurezas o agua, la densidad va a cambiar
Propiedades Coligativas en la Cocina
En la cocina las propiedades tienen unas
interacciones prácticamente anecdóticas, casuales o de trucos culinarios
caseros. Relacionado con las ollas, se puede ver que si se guisa con agua con
sal en la olla, comenzará a hervir a mayor temperatura que 100ºC , lo cual podría ser
perjudicial para un plato o beneficioso, ya que se cocina a mayores
temperaturas, más rápido.
El descenso crioscópico se aprovecha también
a la hora de limpiar la escarcha que se forma en los congeladores con el paso
del tiempo. Añadiendo sal a esta escarcha formada por agua congelada, se deshelará
más rápido y será más sencillo retirar la escarcha fundida.
Un truco conocido está relacionado con mantener las bebidas frías.
Se trata de que si vas a llenar un
conteniente con bebidas que deban estar frías, lo normal es meterlas en hielo con
agua de manera que se mantuviesen frías, pero pudiesen estar sueltas para ser
recogidas. Pero como la temperatura del agua es mayor que la del hielo, tenderá
a estabilizarse y, por tanto, tardará relativamente poco en calentarse. El truco
usado es usar agua salada muy fría con hielos, de esa manera, conseguirás que las
bebidas estén en un medio frío durante más tiempo, ya que los hielos se disolverán
por razones coligativas de descenso crioscópico no por razones relacionadas con
la temperatura. El agua salada aguantará temperaturas menores que cero grados y
tardará más en calentarse, manteniéndolas frías más tiempo.