La ley de Raoult y las soluciones ideales y no ideales

La química a menudo explora cómo diferentes sustancias interactúan entre sí. Un aspecto fundamental de este estudio es entender las soluciones, que son mezclas homogéneas de dos o más sustancias. Una solución generalmente consiste en un solvente y uno o más solutos. Una parte particularmente interesante de estudiar soluciones es comprender cómo sus propiedades se ven afectadas cuando los componentes se mezclan. Esto nos lleva a la ley de Raoult y los conceptos de soluciones ideales y no ideales.

La ley de Raoult

La ley de Raoult es un principio que describe cómo la presión de vapor de un solvente se ve afectada por la presencia de un soluto no volátil. En términos simples, proporciona una forma de calcular la presión de vapor de una solución. Según la ley de Raoult, la presión de vapor parcial de cada componente en una solución es directamente proporcional a su fracción molar.

Expresión matemática de la ley de Raoult

Para una solución que contiene un componente volátil (como un solvente), la presión de vapor (P) se da por:

P = P 0 * X

• P es la presión de vapor de la solución.
• _{P 0} es la presión de vapor del solvente puro.
• X es la fracción molar del solvente en la solución.

Para entenderlo mejor, considere un ejemplo. Supongamos que tenemos un solvente A cuya presión de vapor neta es de 100 mmHg. Si la fracción molar del solvente se reduce a 0.8 en la solución, entonces según la ley de Raoult, la presión de vapor de la solución se convierte en 80 mmHg:

P = 100 mmHg * 0.8 = 80 mmHg

Solución ideal

Las soluciones ideales son aquellas que obedecen perfectamente la ley de Raoult. Se caracterizan por el hecho de que las interacciones entre diferentes moléculas son exactamente las mismas que las interacciones entre moléculas similares. En otras palabras, las fuerzas adhesivas (entre diferentes componentes) son iguales a las fuerzas cohesivas (dentro del mismo componente).

Características de una solución ideal

• No hay cambio en la entalpía al mezclar (ΔH_mix = 0).
• No hay cambio en el volumen al mezclar (ΔV_mix = 0).
• La presión de vapor de una solución es exactamente predecible a partir de la ley de Raoult.

Ejemplo de una solución ideal

Considere una mezcla de benceno y tolueno. La estructura molecular y las fuerzas intermoleculares de estas dos sustancias son muy similares. Como resultado, su mezcla se comporta muy cerca de una solución ideal.

_C6H6) Tolueno (C₇H₈)

Soluciones no ideales

Sin embargo, la mayoría de las soluciones reales no exhiben un comportamiento ideal. Estas son llamadas soluciones no ideales. En soluciones no ideales, las interacciones entre diferentes moléculas difieren de las interacciones entre moléculas similares. Esto puede resultar en desviaciones de la ley de Raoult.

Tipos de desviaciones

Desviación positiva

La desviación positiva de la ley de Raoult ocurre cuando la presión de vapor de la solución es mayor de lo esperado. Esto se debe a que las fuerzas adhesivas entre diferentes moléculas son más débiles que las fuerzas cohesivas dentro de las mismas moléculas. Un ejemplo típico de esto es una mezcla de etanol y acetona.

Desviación negativa

La desviación negativa ocurre cuando la presión de vapor de la solución es menor de lo esperado. Esto se debe a que las fuerzas adhesivas son más fuertes que las fuerzas cohesivas. El agua y el ácido clorhídrico forman una solución con una desviación negativa de la ley de Raoult.

Ejemplo del mundo real de una solución no ideal

Tome el ejemplo de una solución de etanol y agua. Estas moléculas interactúan entre sí a través de enlaces de hidrógeno. En una mezcla de etanol y agua, los enlaces de hidrógeno entre moléculas disímiles son más fuertes, lo que lleva a una desviación negativa.

Predicción del comportamiento de la solución

Entender si una solución exhibirá un comportamiento ideal o no ideal es importante para predecir cómo actuará una solución bajo diferentes condiciones. En muchas aplicaciones industriales, este conocimiento permite a químicos e ingenieros diseñar procesos y productos de manera más eficaz.

Aplicaciones de la ley de Raoult

La ley de Raoult es importante para calcular las propiedades complejas de las soluciones, incluyendo:

• Disminución de la presión de vapor
• Aumento del punto de ebullición
• Disminución del punto de congelación
• Presión osmótica

Aumento del punto de ebullición

Cuando se agrega un soluto no volátil a un solvente, el punto de ebullición de la solución resultante es mayor que el punto de ebullición del solvente puro. Esto puede describirse mediante la ecuación:

ΔT b = k b * m

• ΔT b es el aumento del punto de ebullición.
• K b es el constante ebulioscópica.
• m es la molalidad de la solución.

Este fenómeno se utiliza en soluciones anticongelantes para automóviles y en la cocina para modificar el punto de ebullición y de congelación.

Disminución del punto de congelación

De manera similar, el punto de congelación de la solución es más bajo que el punto de congelación del solvente puro. Es una práctica común en la eliminación de hielo de las carreteras utilizando sal para disminuir el punto de congelación de la nieve y el hielo.

Conclusión

La ley de Raoult proporciona una comprensión fundamental de cómo los componentes en una solución interactúan para afectar sus propiedades. Las soluciones ideales obedecen exactamente esta ley, mientras que las soluciones no ideales se desvían debido a las diferencias en las interacciones moleculares. Al entender estos principios, podemos predecir y manipular mejor cómo se comportarán las soluciones en una variedad de contextos, desde aplicaciones industriales hasta fenómenos cotidianos.

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