Proprietà colligative delle soluzioni

Considerando il caso delle soluzioni solido-liquido, si è osservato che esse manifestano alcune proprietà chimico-fisiche che dipendono esclusivamente dal numero di particelle di soluto presenti nel solvente, mentre sono indipendenti dalla natura del soluto. In quanto collegate alla concentrazione della soluzione, tali proprietà sono dette colligative, e riguardano i seguenti fenomeni: l'abbassamento della tensione di vapore; l'innalzamento del punto di ebollizione; l'abbassamento del punto di congelamento; la pressione osmotica.

Abbassamento della tensione di vapore

In una soluzione la tensione di vapore del solvente viene diminuita dalla presenza di un soluto e tale abbassamento è proporzionale alla concentrazione di soluto espressa come frazione molare (legge di Raoult):

dove ΔP è l'abbassamento della tensione di vapore, X_soluto, è la frazione molare del soluto e P_o è la tensione di vapore del solvente puro. Questo comportamento è spiegabile se si considera che in una soluzione solo una parte delle particelle è costituita da solvente, mentre la parte restante è costituita dalle particelle di soluto, la cui tensione di vapore (se non è volatile) è praticamente trascurabile; di conseguenza le molecole di solvente hanno minore probabilità di evaporare rispetto a quanto accade nel solvente puro (tale probabilità, inoltre, è tanto minore quanto maggiore è la quantità di soluto disciolto nella soluzione).

Innalzamento del punto di ebollizione

L'aumento della temperatura di ebollizione di una soluzione rispetto al solvente puro, o innalzamento ebullioscopico, è una conseguenza dell'abbassamento della tensione di vapore della soluzione. L'innalzamento del punto di ebollizione è proporzionale alla molalità della soluzione:

dove ΔT_eb è l'innalzamento ebullioscopico K_eb è una costante detta costante ebullioscopica e m è la concentrazione molale della soluzione (nel caso dell'acqua tale costante vale 0,52, per cui ogni soluto presente nella concentrazione di 1 mol per 1000 g di acqua provoca un innalzamento di 0,52 °C del punto di ebollizione).

Abbassamento del punto di solidificazione

La diminuzione della temperatura di solidificazione di una soluzione rispetto al solvente puro, o abbassamento crioscopico, è una conseguenza dell'abbassamento della tensione di vapore, ed è proporzionale alla molalità della soluzione:

dove ΔT_c è l'abbassamento crioscopico, K_c è una costante detta costante crioscopica molale e m è la concentrazione molale della soluzione (la costante crioscopica dell'acqua vale 1,86: 1 mol di soluto disciolta in 1000 g di acqua provoca un abbassamento di 1,86 °C del punto di congelamento).

Pressione osmotica

Quando si interpone tra una soluzione e il solvente puro una membrana semipermeabile, che si lascia attraversare dalle piccole molecole del solvente (per esempio, acqua), ma non da quelle del soluto (per esempio, un sale), si osserva il fenomeno dell'osmosi: le molecole di solvente fluiscono spontaneamente dal solvente puro alla soluzione, che in tal modo viene progressivamente diluita. Il processo prosegue fino a che si crea una situazione di equilibrio: l'eccesso di solvente nella soluzione fa sì che in questo si crei una pressione (detta idrostatica nel caso dell'acqua), misurata dal dislivello h tra i due liquidi, che si oppone a ogni ulteriore passaggio di solvente. La pressione esercitata dalla colonna di soluzione di altezza h è uguale alla pressione osmotica, π, della soluzione. Esiste una relazione quantitativa tra pressione osmotica e concentrazione del soluto. Se le soluzioni sono diluite è valida una legge del tutto analoga a quella dei gas ideali:

dove n = numero di moli del soluto, V = volume della soluzione, R = costante universale dei gas e T = temperatura assoluta.

Proprietà colligative delle soluzioni di elettroliti

A causa della dissociazione elettrolitica, le proprietà colligative (dipendenti soltanto dal numero di particelle di soluto, siano esse molecole o ioni) risultano per questo tipo di soluzioni molto più pronunciate di quanto sarebbe prevedibile in base alla concentrazione molale del soluto.

Per esempio, una soluzione, 1 m di cloruro di sodio (NaCl) dovrebbe manifestare un abbassamento crioscopico ΔT_c = −1,86 °C. Invece, a causa della dissociazione del sale la soluzione risulta circa 2 m e quindi ΔT_c = 3,72 °C.