Proprietà colligative: ripassa le formule e i concetti principali

Uno degli argomenti più importanti della chimica fisica sono le proprietà colligative. Quest’ultime, infatti, possono fornirti informazioni fondamentali sul comportamento delle soluzioni.

Se pensi di avere bisogno di un ripasso sulle formule e sui concetti principali che regolano tali proprietà, non preoccuparti: questo è il momento perfetto per poter rinfrescare la memoria 🧠
In questa guida, ti daremo tutte le informazioni che stavi cercando riguardo le proprietà colligative, così da darti più sicurezza sulle conoscenze chimiche.

Preparati a immergerti in un mondo di soluzioni e di concentrazioni, riscoprendo l’importanza di questi concetti nella tua formazione scientifica. Qui troverai tutto quello di cui hai bisogno per poter ripassare le proprietà colligative 🧪

Le propietà colligative e la solubilità

Si definisce solubilità, in campo chimico, la quantità massima di soluto che è possibile disciogliere in uno specifico volume di solvente a una temperatura fissata.

Infatti, per convenzione è stato stabilito che la solubilità va espressa in grammi di soluto disciolti all’interno di 100 grammi di solvente, a una temperatura prestabilita.

Le soluzioni possono essere sia sature, sia insature. Ma cosa le differenzia?

Si definisce satura quella soluzione che è in grado di raggiungere la concentrazione massima di soluto che può contenere in condizioni di equilibrio 🧘
Invece, nel caso in cui la quantità di soluto è più elevata, si va a generare una parte di soluto depositato, ovvero che non è in grado di sciogliersi. È quello che, in gergo, viene chiamato corpo di fondo 🧪

Al contrario, parliamo di soluzione insatura se al suo interno troviamo una quantità totale di soluto più bassa rispetto alla solubilità.

Ma analizziamo insieme un esempio che può aiutarti a chiarire questa differenza. Prendiamo il caso del classico sale da cucina, anche conosciuto come cloruro di sodio (NaCl).

La sua solubilità è di 35,7 grammi/100 millilitri di acqua a una temperatura di 20 °C. Quando una soluzione ha al suo interno una quantità più bassa rispetto ai suddetti 35,7 g di NaCl la definiamo insatura. Se, invece, ne contiene 35,7 g o più è considerata satura.

Soluzione, soluto e solvente in chimica

Dopo aver chiarito cosa si intende per solubilità, prima di passare nel cuore di questa guida, ovvero le proprietà colligative, è bene chiarire alcuni concetti: cosa significano soluzione, soluto e solvente in chimica ⚗️

La soluzione non è altro che un mix tra due o più sostanze. Quest’ultime possono trovarsi allo stato liquido, gassoso o solido. Possono essere

• semplici se contengono un solvente e un soluto 🧑‍🔬
• complesse se sono formate da più soluti 🧪

Ma cosa si intende con quest’ultimo termine? Con soluto intendiamo la sostanza che troviamo in concentrazioni minori all’interno di una soluzione.
Infine, il solvente è la sostanza che si trova esattamente nel medesimo stato di aggregazione della soluzione ⚛️

Per comprendere più a fondo la differenza tra questi ultimi due termini, ovvero solvente e soluto, prendiamo nuovamente come esempio il sale da cucina sciolto all’interno dell’acqua.

Il sale rappresenta il soluto, mentre l’acqua il solvente. Se misceli questi due elementi, otterrai una soluzione liquida. In questo caso, è proprio l’acqua a trovarsi nello stesso stato di aggregazione della soluzione 🤝

Quando ciò avviene, il soluto viene identificato con la sostanza presente in una quantità minore.
Tuttavia, se la soluzione è composta da elementi che hanno egual numero di molecole e stesso stato di aggregazione, è indifferente quale delle due sostanze viene identificata con il solvente e con il soluto.

Proprietà colligative: le caratteristiche principali

Le proprietà colligative non sono altro che le proprietà fisiche delle soluzioni e dipendono esclusivamente dal numero totale di particelle disperse, qualsiasi sia la loro natura specifica ⚛️

In poche parole, nel momento in cui un soluto viene disciolto all’interno di un solvente per dar vita a una soluzione, le particelle che lo compongono vanno a interferire con le proprietà stesse del solvente, così da originare diverse variazioni misurabili.

Come vedremo fra poco, le principali proprietà colligative sono quattro:

• abbassamento della tensione di vapore 💨
• abbassamento crioscopico 🥶
• innalzamento ebullioscopico 🌡
• pressione osmotica 🗜

Ad esempio, una soluzione acquosa di glucosio e una di fruttosio che contengono lo stesso numero di particelle presentano lo stesso valore di:

• congelamento 🧊
• ebollizione 🫧
• pressione ⚛️

In soluzione diluita, ciascuna delle proprietà colligative dipende dalla frazione molare del soluto e ciò è espresso dalla formula:

∆y = costante ∙ X_soluto

Precisiamo che le prime tre sono strettamente legate fra di loro. Questo perché se in una soluzione il soluto non è volatile in acqua, si verifica un abbassamento della tensione di vapore che genera un abbassamento crioscopico e un innalzamento ebullioscopico 🧪

Ecco perché quando ci troviamo di fronte a un soluto non volatile possiamo riscontrare un cambiamento delle proprietà colligative della soluzione.

L’abbassamento della tensione di vapore

La prima delle quattro proprietà colligative che andremo ad analizzare è l’abbassamento della pressione di vapore.

Nel caso di una sostanza che si scioglie in un liquido, questa occupa uno spazio intermolecolare tra le varie particelle solventi.

Ciò fa in modo che il vapore di solvente in equilibrio contenga un quantitativo minore di particelle di solvente, rispetto a quello del vapore puro. Ecco perché la pressione di vapore della soluzione è più bassa rispetto a quella del solvente puro 🗜

Tale fenomeno è spiegato dalla legge di Raoult, che afferma che la pressione parziale di un componente in una soluzione è direttamente proporzionale alla frazione molare di quella componente.

Cosa significa? In poche parole, che più alta è la concentrazione di soluto in una soluzione, più bassa sarà la pressione di vapore della stessa 💨

Devi anche sapere che questa proprietà colligativa ha delle implicazioni pratiche molto importanti, specialmente nella cottura degli alimenti.

Se aggiungi del sale all’acqua in cui stai cuocendo la pasta, la sua pressione di vapore diminuirà e, di conseguenza, il punto di ebollizione sarà più elevato 🍝
Inoltre, tale proprietà viene sfruttata anche in ambito industriale, come nei processi di distillazione e di estrazione di sostanze chimiche.

L’abbassamento crioscopico

Passiamo all’abbassamento crioscopico, ovvero quel fenomeno specifico che avviene nel momento in cui si aggiunge un soluto a un solvente, riducendo il punto di congelamento della soluzione rispetto al solvente puro.

Ma perché ciò avviene? Essenzialmente, in quanto il soluto si comporta come una sorta di ostacolo per le molecole di solvente, diminuendone le capacità di dar vita a una rete cristallina nel corso del processo di congelamento ❄️

Questo determina che la soluzione avrà bisogno di una temperatura più bassa rispetto a quella del solvente puro per potersi solidificare.

L’equazione di Clausius-Clapeyron ci restituisce la formula dell’abbassamento crioscopico

∆T = Kf * m

dove:

• ∆T rappresenta l’abbassamento del punto di congelamento (calcolato in Kelvin) 🌡
• Kf è la costante crioscopica del solvente (che troviamo in Kelvin chilogrammi per mole) 🧠
• m rappresenta la molalità della soluzione (che calcoliamo in moli di soluto per chilogrammo di solvente) ⚗️

La costante crioscopica dipende dalla natura chimica del solvente e ci consente di ottenere la quantità precisa di abbassamento del punto di congelamento che si ha con una molalità di 1 mol/kg.

Come abbiamo già visto per l’abbassamento di tensione del vapore, anche l’abbassamento crioscopico influisce in tante applicazioni pratiche, soprattutto nel settore alimentare, nello specifico nella produzione di sorbetti e gelati 🍦

In quest’ultimo caso, infatti, l’aggiunta di zucchero o di altre tipologie di soluti è determinante per ottenere la consistenza desiderata.

L’innalzamento ebullioscopico

Il cambiamento della temperatura di ebollizione di una soluzione rispetto a quella del solvente puro è detta innalzamento ebullioscopico.

Tale fenomeno avviene perché la quantità di soluto in una soluzione riduce la pressione di vapore solvente. Ciò determina il bisogno di innalzare la temperatura per farlo evaporare.

Anche in questo caso, esiste una formula che descrive in modo preciso l’innalzamento ebullioscopico, ovvero

ΔTe = Keb * m

dove:

• ΔTe si rappresenta l’innalzamento della temperatura di ebollizione 🌡
• Keb è una costante molare specifica del solvente 📚
• m è la molalità del soluto in soluzione 🧪

Le applicazioni pratiche di questo fenomeno sono diverse, ma le più significative sono quelle che si riscontrano in cucina.

Ad esempio, se aggiungi il sale nell’acqua che stai facendo bollire, cresce l’innalzamento ebullioscopico e si abbassa, di conseguenza, il tempo di cottura.

Infine, tale proprietà è alla base del funzionamento di specifici sistemi di raffreddamento ad acqua come, ad esempio, i radiatori che troviamo nelle comuni automobili.

La pressione osmotica

Infine, parliamo della quarta proprietà colligativa, ovvero la pressione osmotica, che si verifica quando si ha una soluzione che contiene al suo interno una concentrazione diversa di soluto rispetto a quella del solvente 📊

In tali condizioni, le molecole di solvente si spostano attraverso una particolare membrana semipermeabile e passano dalla soluzione più diluita a quella più concentrata.

L’obiettivo di questo spostamento è quello di dare equilibrio alla concentrazione di soluto da tutte e due le sezioni della membrana. La pressione che si genera da questo movimento di solvente è nota come pressione osmotica, che puoi calcolare usando la formula di van’t Hoff

Π = iMRT

dove:

• Π identifica la pressione osmotica 🗜
  i è il coefficiente di van’t Hoff (che si riferisce al numero di particelle in soluzione) 🧠
• M è la molarità del soluto ⚛️
• R è la costante dei gas 💨
• T è la temperatura assoluta 🌡

Le applicazioni pratiche della pressione osmotica sono svariate, sia nel settore chimico che biologico.
Per farti un esempio, è determinante per il corretto funzionamento delle cellule, dato che consente di regolare l’equilibrio idrico tramite le membrane cellulari 🧬

Inoltre, viene utilizzata in diversi processi industriali, come la conservazione degli alimenti o la produzione di bevande gassate.

Esercizi con le proprietà colligative

Mettiamoci alla prova con alcuni esercizi.

Domanda 1: Quanti grammi di glucosio C₆H₁₂O₆ è necessario sciogliere in 1 kg di acqua per avere lo stesso innalzamento ebullioscopico causato da 1 mol di saccarosio? 🌡

Soluzione: consideriamo che 1 mol di saccarosio contiene 6,023 ∙ 10²³ particelle, esattamente come 1 mol di glucosio.

Calcoliamo che 1 mol di glucosio ha un peso corrispondente a: m = n * MM = 1 mol * 180 g/mol= 180 g ✍️

Domanda 2: Una soluzione è ottenuta sciogliendo 5 g di saccarosio C₁₂H₂₂O₁₁, in 100 g di acqua. Calcola la sua tensione di vapore a 20 gradi, sapendo che, alla stessa temperatura, la tensione di vapore del solvente è pari a 17,54 mmHg 💨

Soluzione: consideriamo la formula P_soluzione= P_solvente ∙ X_solvente

Come prima cosa troviamo la frazione molare del solvente:

• n_saccarosio= 5 g/ 342 g/mol = 0,0146 mol
• n_acqua= 100 g/ 18 g/mol = 5,549 mol
• n_{moli totali} = 0,0146 mol + 5,549 mol = 5,564 mol

Sostituiamo i valori e otteniamo X_solvente= 5,549 mol /5,564 mol = 0,99 ✍️

Domanda 3: Cosa accade se 2 kg di acqua contengono 15 g di NaCl? L’aggiunta di sale provoca un innalzamento ebullioscopico. Quale è il valore dell’innalzamento ebullioscopico in questione? 📊

Soluzione: consideriamo la formula ∆T_eb= k_eb * m  e calcoliamo

1. n_NaCl= 15 g / 58,44 g/mol = 0,25 mol
2. molalità m = n_NaCl / m_solvente 👉 m = 0,25 mol / 2 kg = 0,13 m
3. Per calcolare l’innalzamento ebullioscopico, si applica la formula, tenendo conto che la dissociazione di 1 mol di NaCl produce 2 mol di ioni.

Dunque otteniamo ∆T_eb= (0,51 ^०C kg/mol ) ∙ 0,13 m ∙ 2 = 0,13 ^०C ✍️

Proprietà colligative: ripasso veloce con ADT

Come puoi vedere, conoscere le proprietà dell soluzioni chimiche ti aiuta a capire meglio la materia e a risolvere gli esercizi senza difficoltà 🧠

Per ripassare in modo approfondito le proprietà colligative e tutti gli argomenti di chimica per il test facendo un po’ di pratica con gli esercizi, c’è Futura 💯

In più, se durante lo studio ti sorgono dubbi o domande, non esitare a chiedere spiegazioni o consigli. Unisciti alla nostra community Telegram con più di 6000 studenti per confrontati su esercizi e argomenti del test di ammissione 💬

• Instagram
• YouTube
• TikTok
• Telegram