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Agua y disoluciones



AGUA Y DISOLUCIONES
EL AGUA
El agua es la biomolécula mas abundante, y también la mas importante (Figura 1).
La vida, tal como se la conoce en el planeta Tierra, se desarrolla siempre en un medio acuoso. Incluso en los seres no acuaticos el medio interno es esencialmente hídrico. De ahí que la búsqueda de vida en otros planetas esté siempre supeditada a la presencia de agua. El agua reúne una serie de características que la convierten en un disolvente único e insustituible en la biosfera. En cuanto a las propiedades físicas del agua, hay que destacar: • El diagrama de fases muestra que el agua permanece en estado líquido en un amplio rango de temperaturas (entre 0 ºC y 100 ºC) (Figura 2). Surgen así formas de vida muy variadas, desde los organismos psicrófilos, que pueden vivir a temperaturas próximas a 0º C hasta los termófilos, que viven en aguas termales a 70-80º C (Figura 3) o en las chimeneas hidrotermales submarinas. La anómala variación de la densidad con la temperatura (densidad maxima a 4º C) determina que el hielo flote en el agua, actúe como aislante térmico y en consecuencia, posibilite el mantenimiento de la gran masa de agua de los océanos, que alberga la mayor parte de la biosfera, en fase líquida, a 4º C (Figuras 4 y 5). Su elevada constante dieléctrica permite la disociación de la mayoría de las sales inorganicas en su seno (Figura 6). Su caracter dipolar hace que las moléculas deagua se orienten en torno a las partículas polares o iónicas, formando una envoltura de solvatación, lo que se traduce en una modificación de las propiedades de estas partículas (Figura 7). Su calor específico y calor de vaporización elevados permiten que el calor liberado en reacciones bioquímicas exotérmicas sea facilmente absorbido y/o eliminado con pequeña variación de la temperatura del individuo (Figuras 8 y 9).





• •



Con respecto a las propiedades químicas del agua, hay que señalar: • Su gran capacidad de formación de enlaces de hidrógeno (4 por molécula). Cada molécula de agua tiene dos atomos de H susceptibles de ser cedidos y dos dobletes electrónicos capaces de aceptar otros tantos atomos de H (Figura 10). Por lo tanto, el agua líquida, al igual que el hielo puede establecer enlaces en cualquier dirección del espacio, formando una malla tridimensional, que determina, ademas de alguna de las propiedades físicas enumeradas (su maxima densidad a 4 ºC y sus elevados puntos de fusión y de ebullición) (Figura 11), su Pagina 1 de 11

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capacidad para solubilizar moléculas con grupos polares y los mecanismos de muchas reacciones hidrolíticas. • Su capacidad de disociación y la rapida emigración de los iones resultantes (H+ y OH-), lo que determina la importancia crítica del pH en muchos procesos biológicos (Figura 12).

DISOLUCIONES
La inmensa mayoría delas reacciones bioquímicas se desarrollan en el seno del agua y se rigen por las leyes físico-químicas de las disoluciones acuosas. Las disoluciones constituyen un caso particular de las dispersiones. Se define una dispersión como la interposición mecanica de las partículas de una sustancia en el seno de otra. En toda dispersión se suele distinguir entre una fase continua, en general la mas abundante, que se llama fase dispersante, y otra u otras discontinuas, mas escasas, llamadas fases dispersas (Figura 13). En función del tamaño de las partículas dispersas, las dispersiones pueden ser (Figura 14): • Dispersiones groseras: se componen de partículas con un diametro de mas de 1000 Å. Son partículas invisibles a simple vista, pero visibles al microscopio, que dan turbidez u opacidad a la dispersión. Sirven como ejemplos los glóbulos rojos de la sangre, las gotas de grasa en la leche o las partículas de arcilla en agua de río. Estas dispersiones sedimentan espontaneamente y la velocidad de sedimentación puede acelerarse por centrifugación. Por su considerable tamaño, las partículas groseras no atraviesan membranas permeables, dialíticas o semipermeables. Disoluciones coloidales: estan formadas por partículas de diametro comprendido entre 10 y 1000 Å. Son partículas invisibles a simple vista o con microscopio óptico. Son estables a la gravedad y sólo sedimentan mediante centrifugación a altas velocidades(ultracentrifugación). Las partículas coloidales atraviesan membranas permeables (papel de filtro, filtro de arcilla), pero son retenidas por membranas dialíticas (celofan, colodión). Un ejemplo son las proteínas de la leche. Disoluciones verdaderas: el diametro de la partícula dispersa es menor de 10 Å. No son visibles al microscopio óptico, y estan en el límite de resolución del microscopio electrónico. Son estables a la gravedad y a la centrifugación. Mediante la ultracentrifugación a altas velocidades se pueden conseguir separaciones parciales. Estas partículas atraviesan las membranas permeables y dialíticas, pero no las semipermeables (pergamino, membranas biológicas). Un ejemplo es la disolución de sales, azúcares o aminoacidos en la sangre o en la leche.





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FORMAS DE EXPRESAR LA CONCENTRACIÓN
Al hablar de disoluciones verdaderas nos referiremos a la fase continua (dispersante) como disolvente, y a la fase discontinua (dispersa) como soluto. Hay multitud de formas para expresar la concentración de soluto y disolvente (Figura 15). Entre las mas usadas se encuentran: • • • • • • • • • % en peso (%) es el número de gramos de soluto en 100 g de disolución. g/100 ml es el número de gramos de soluto en 100 ml de disolución. Volumen/Volumen (v/v) es el número de ml de soluto por ml de disolvente. Fracción molar del soluto (Xs) es el número demoles de soluto por mol de disolución. Fracción molar del disolvente (Xd) es el número de moles del disolvente por mol de disolución. Molalidad (m) es el número de moles de soluto por Kg de disolvente. Osmolalidad (im) es el número de osmoles de soluto por Kg de disolvente. Molaridad (c, M) es el número de moles de soluto por litro de disolución. Normalidad (N) es el número de equivalentes de soluto por litro de disolución.

Veamos un ejemplo. Supongamos que disponemos de una disolución de glicerol (peso molecular = 92 g) en agua (peso molecular = 18 g) cuya concentración en glicerol es del 64% (en peso) y cuya densidad es 1,165 g/ml. Las densidades del glicerol y del agua son, respectivamente 1,261 g/ml y 1 g/ml. Tratemos de expresar esta concentración de todas las formas que hemos citado. El tanto por ciento en peso (%) significa que en 100 g de la mezcla hay 64 g de glicerol. El resto (36 g) sera de agua. Para expresar la concentración del glicerol en g/100 ml de disolución, hay que utilizar el valor de la densidad para calcular el peso de 100 ml de la disolución. Como la densidad de la disolución es 1,165 g/ml, 100 ml de disolución pesaran 116,5 g. El 64% de es peso correspondera al glicerol, de manera que en 100 ml de disolución habra 74,56 g de glicerol. Para expresar la concentración en forma v/v hay que calcular el volumen que ocupa cada uno de los componentes de la mezcla. Para ello, debemosutilizar los datos de la densidad del glicerol y del agua. Así, Vagua = 36 g / 1 g/ml = 36 ml y Vglicerol = 64 g / 1,261 g/ml

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= 50,75 ml. Según esto, la concentración del glicerol expresada en volumen/volumen sera 50,75:36 o, simplificando: 1,41:1 (v/v). La fracción molar del soluto (Xs) se obtiene dividiendo el número de moles de soluto entre el número de moles totales (soluto + disolvente) que hay en la disolución. En 100 g de disolución hay 64 g de glicerol (PM = 92). Hay, por lo tanto, 64/92 = 0 moles de glicerol. Analogamente, en 100 g de disolución hay 36 g de agua (PM = 18). Por lo tanto, 36 g de agua corresponden a 2 moles de agua. El número total de moles de la disolución es 2 moles de agua + 0 moles de glicerol = 2,7 moles. La fracción molar del soluto sera 0 / 2,7 = 0,26. La fracción molar del disolvente (Xd) es 2 / 2 = 0,74. Se comprueba facilmente que Xs + Xd = 1. La molalidad (m) es el número de moles de soluto por Kg de disolvente puro. En este caso sabemos que hay 64 g de soluto en 36 g de disolvente. Por regla de tres se calcula que en 1000 g de disolvente habra 1777 g de glicerol. Dividiendo esta cantidad por el peso molecular del glicerol (92) se obtiene que el valor de la molalidad m = 19 . En este caso, la molaridad es equivalente a la osmolalidad porque el glicerol no es una molécula disociable. La molaridad (M) indica elnúmero de moles de soluto por litro de disolución. Como ya hemos calculado antes, en 100 ml de disolución hay 74,56 g de glicerol, lo que equivale a 745,6 g/l. Dividiendo 745,6 g por el peso molecular (92) se obtiene el número de moles por litro M = 8,1. Este valor coincide con el valor de normalidad, ya que en el caso del glicerol un mol es lo mismo que un equivalente. NORMALIDAD Y PESO EQUIVALENTE Algunos acidos y bases pueden liberar o captar mas de un H+ por molécula. Así, el H2SO4 puede liberar 2 H+ y el Ca(OH)2 puede liberar 2 OH-. Se denomina peso equivalente a la cantidad de sustancia que puede liberar, captar o sustituir un mol de H+. Un mol puede tener varios equivalentes, nunca al revés. El acido sulfúrico tiene dos equivalentes, y el acido fosfórico (H3PO4) tiene tres. Para determinar el peso equivalente de una sustancia se divide el peso molecular entre la valencia
Peq = Peso molecular Valencia Se define la normalidad de una disolución al nº de equivalentes de soluto por litro de disolución. Por lo tanto, el número de equivalentes de una disolución sera igual a: nº de equivalentes = Normalidad × Volumen En una reacción acido-base se llega al punto de neutralización cuando acido y base han reaccionado estequiométricamente, es decir, cuando el nº de equivalentes de acido

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que han reaccionado es igual al nº de equivalentes de base que hanreaccionado. Se cumple por tanto que: N · V = N' · V' donde N y N' son las normalidades de la disolución de acido y base respectivamente, y V y V' son los volúmenes de acido y base que han reaccionado, respectivamente.

PROPIEDADES DE LAS DISOLUCIONES VERDADERAS
En general, forman disoluciones verdaderas las sustancias con un peso molecular inferior a 104 dalton. Algunas de las propiedades de las disoluciones verdaderas dependen de la naturaleza del soluto (color, sabor, densidad, viscosidad, conductividad eléctrica, etc.). Otras propiedades dependen de la naturaleza del disolvente, aunque pueden ser modificadas por el soluto (tensión superficial, índice de refracción, viscosidad, etc.). Sin embargo, hay otras propiedades que sólo dependen de la concentración del soluto y no de la naturaleza de sus moléculas. Estas son las llamadas propiedades coligativas.

PROPIEDADES COLIGATIVAS
Las propiedades coligativas no guardan ninguna relación con el tamaño ni con cualquier otra propiedad de los solutos. Sólo dependen del número de partículas que se encuentran en la disolución y son consecuencia del efecto que provocan las partículas del soluto sobre la presión de vapor del disolvente. Las propiedades coligativas son cuatro

• • • •

descenso de la presión de vapor del disolvente puro elevación ebulloscópica descenso crioscópico presión osmótica.

1.- DESCENSO RELATIVO DE LA PRESIÓN DE VAPOR DELDISOLVENTE
Se define la presión de vapor de una sustancia (sólida o líquida) como la presión que ejerce su vapor cuando esta en equilibrio con esa misma sustancia (en estado líquido o sólido). La presión de vapor depende de la temperatura y esta relacionada con la tendencia que muestran las moléculas a abandonar el estado líquido y es un índice de la velocidad de evaporación (Figuras 16a, b, c y d).

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La presión de vapor de un disolvente desciende cuando se le añade un soluto no volatil (Figura 17). Este efecto es el resultado de dos factores: • •
la disminución del número de moléculas del disolvente en la superficie libre la aparición de fuerzas atractivas entre las moléculas del soluto y las moléculas del disolvente, que dificulta su paso a vapor

Cuanto mas soluto añadimos, menor es la presión de vapor observada. La formulación matematica de este hecho viene expresada por la observación de Raoult de que el descenso relativo de la presión de vapor del disolvente en una disolución es proporcional a la fracción molar del soluto (Figura 18). Si representamos por P la presión de vapor del disolvente, P' la presión de vapor de la disolución y Xs la fracción molar del soluto, la ley de Raoult se expresa:

ΔP = P-P' = Xs P P
de donde se obtiene que :

1- P' = Xs 1- P' = 1- Xd P P con lo que: P' = Xd P Esta fórmula nos permite enunciar la ley de Raoult: lapresión de vapor de la disolución es igual a la presión de vapor del disolvente por la fracción molar del disolvente en la disolución. Esta fórmula tiene validez para todas las disoluciones verdaderas. Cuando se trabaja con disoluciones diluidas como las biológicas, cuya molalidad oscila entre 0 y 0 , se puede utilizar una fórmula aproximada. Si por ejemplo, la molalidad (m) es de 0,4 tenemos 0,4 moles de soluto en 1000 g de agua, o lo que es lo mismo, 0,4 moles de soluto por cada 55,5 moles de agua, ya que 1000 g de agua (peso molecular = 18) son 55,5 moles:
m = 0,4
0,4 moles soluto 0,4 = 1 Kg disolvente 55,5 moles de agua

Por otro lado, la fracción molar del soluto (Xs) es:
Xs = y por lo tanto, 0,4 m = ≈ m = 0,018 m 0,4 + 55,5 m + 55,5 55,5

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ΔP = Xs ≈ 0,018 m P De acuerdo con esta fórmula, el descenso relativo de la presión de vapor es proporcional a la molalidad, si la disolución es diluída.

2.- ELEVACIÓN EBULLOSCÓPICA
La temperatura de ebullición de un líquido es aquélla a la cual su presión de vapor iguala a la atmosférica (Figura 19). Cualquier disminución en la presión de vapor (como al añadir un soluto no volatil) producira un aumento en la temperatura de ebullición (Figura 20). La elevación de la temperatura de ebullición es proporcional a la fracción molar del soluto. Este aumento en la temperatura de ebullición (ΔTe) es proporcional ala concentración del soluto: ΔTe = Ke m La constante ebulloscópica Ke es característica de cada disolvente (no depende de la naturaleza del soluto) y para el agua su valor es 0 ºC/mol/Kg (Figura 21). Esto significa que una disolución molal de cualquier soluto no volatil en agua manifiesta una elevación ebulloscópica de 0 º C.

DESCENSO CRIOSCÓPICO
La congelación se produce cuando la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del sólido. La temperatura de congelación de las disoluciones es mas baja que la temperatura de congelación del disolvente puro (Figuras 22, 23 y 24). Llamando ΔTc al descenso crioscópico y m a la concentración molal del soluto, se cumple que: ΔTc = Kc m siendo Kc la constante crioscópica del disolvente. Para el agua, este valor es 1 ºC/mol/Kg (Figura 25). Esto significa que las disoluciones molales (m = 1) de cualquier soluto en agua congelan a -1 º C.

PRESIÓN OSMÓTICA
La presión osmótica es la propiedad coligativa mas importante por sus aplicaciones biológicas, pero antes de entrar de lleno en el estudio de esta propiedad es necesario revisar los conceptos de difusión y de ósmosis: •

Difusión es el proceso mediante el cual las moléculas del soluto tienen a alcanzar una distribución homogénea en todo el espacio que les es accesible, lo que se

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consigue al cabo de cierto tiempo. Así, alponer en contacto dos disoluciones acuosas, por ejemplo, de NaCl y KNO3, los solutos difunden por todo el volumen de la disolución hasta alcanzar la homogeneidad. Ósmosis es la difusión de líquidos a través de membranas. Supongamos dos disoluciones de NaCl de distinta concentración, separadas por una membrana semipermeable que permite el paso del agua pero no de la sal (Figura 26). El agua atraviesa la membrana, pasando de la disolución mas diluida a la mas concentrada. El equilibrio se alcanza cuando la presión hidrostatica de la columna de líquido que se forma iguala a la tendencia del agua a atravesar la membrana. Es un equilibrio dinamico, es decir, que no cesa el flujo de agua. Lo que ocurre es que el flujo de agua en un sentido es igual al flujo de agua en sentido contrario, con lo que el sistema esta en equilibrio.

Se define la presión osmótica como la presión mecanica que hay que aplicar para evitar la entrada de agua cuando dos disoluciones de distinta concentración estan separadas por una membrana semipermeable. También es una medida de la tendencia a diluirse que presenta una disolución separada del disolvente puro por una membrana semipermeable (Figura 27). Esta tendencia se debe a la existencia de una diferencia en la presión de vapor entre las dos disoluciones. No es una presión mecanica ejercida por el soluto sobre las paredes de la vasija, sino un efecto de la entrada deldisolvente.

Un soluto ejerce presión osmótica al enfrentarse con el disolvente sólo cuando es incapaz de atravesar la membrana que los separa. Por ejemplo, frente a una membrana impermeable al NaCl y permeable a la glucosa, sólo la sal ejercera presión osmótica. En Biología, al hablar de disolvente nos referimos al agua, pero los solutos pueden ser muy variados: coloidales (proteínas, polisacaridos) y verdaderos (de tipo molecular: glucosa, urea; o de tipo salino: NaCl, KHCO3). Las membranas se clasifican en cuatro grupos fundamentales (Figura 28):
• • • •

impermeables: no son atravesadas ni por solutos ni por el disolvente semipermeables no permiten el paso de ningún tipo de solutos, pero sí del agua dialíticas son permeables al agua y a los solutos verdaderos, pero no a los solutos coloidales permeables permiten el paso del disolvente, de solutos verdaderos y de solutos coloidales; sólo impiden el paso a las dispersiones groseras

Las leyes que regulan los valores de la presión osmótica para disoluciones muy diluídas (como las que se manejan en Biología) son analogas a las leyes de los gases. Se conocen con el nombre de su descubridor Van t'Hoff, y se expresan mediante la siguiente fórmula: π = m R T, donde π representa la presión osmótica, R es la constante universal de los gases y T la temperatura absoluta. Según esta fórmula

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• •

Para unadisolución dada, la presión osmótica es proporcional a la temperatura absoluta. A igualdad de temperatura, la presión osmótica es proporcional a la concentración molal del soluto. La presión osmótica es independiente de la naturaleza del soluto y del disolvente y depende únicamente de la concentración de partículas de soluto (moléculas, iones o atomos) por Kg de disolvente.

El fenómeno de difusión a través de membranas es especialmente importante en Biología, ya que las membranas biológicas condicionan el paso de solutos y/o disolvente hacia el interior o el exterior de las células. La membrana del eritrocito puede considerarse como una membrana semipermeable, que permite el paso del agua, pero no de las sales (Figura 29): • Si el eritrocito se introduce en agua destilada, el agua atravesara la membrana hacia el citoplasma, con lo que aumenta el volumen celular, distendiendo la membrana hasta que llega un punto en que ésta se rompe. Este fenómeno se conoce con el nombre de hemolisis, y se produce tanto en agua como en disoluciones hipotónicas (de menor presión osmótica que el medio interno del eritrocito). Si el eritrocito se encuentra en un medio hipertónico (de mayor presión osmótica que el medio interno del eritrocito), el agua sale del eritrocito hacia el exterior, con lo cual su volumen disminuye, y la membrana se retrae, de forma que ofrece al microscopio un aspecto estrellado. El plasma sanguíneo esun medio isotónico (de igual presión osmótica que el medio interno del eritrocito) en el que el eritrocito permanece inalterable, ya que el disolvente atraviesa la membrana en igual proporción en ambos sentidos.





Este es un ejemplo clasico del efecto de las variaciones de presión osmótica del medio sobre el volumen celular y la concentración del citoplasma. Es por tanto vital para la integridad de la célula que la presión osmótica del medio intersticial sea constante.

RELACIONES ENTRE LAS PROPIEDADES COLIGATIVAS
La presión osmótica y las demas propiedades coligativas de las disoluciones diluídas guardan una relación de proporcionalidad con la molalidad de la disolución.
Por lo tanto, si despejamos el valor de m en cada fórmula podemos relacionar todas las propiedades coligativas de las disoluciones entre sí: m = Xs = ΔP/P = ΔTe = ΔTc = π 0,018 0,018 0 1,86 R T De esta forma, basta conocer un sólo dato para deducir inmediatamente todos los demas. Esta fórmula sólo es aplicable en el caso de que el disolvente sea el agua. Cuando se trata de otro disolvente, los descensos de la presión de vapor y los valores de las constantes crioscópicas y ebulloscópicas seran distintos.

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DISOLUCIONES MOLECULARES Y DISOLUCIONES IÓNICAS
Muchas sustancias químicas, al disolverse en agua dan lugar a tantas partículas como moléculas las integran. Se dice queestas sustancias forman disoluciones moleculares y obedecen con cierto rigor las leyes de las propiedades coligativas. Sirven como ejemplo la mayoría de las sustancias organicas: alcoholes, aldehídos, cetonas, éteres, ésteres, amidas, azúcares, etc. A veces se forman asociaciones moleculares y el número real de partículas dispersas puede resultar menor que el de moléculas teóricas. Así ocurre con el acido acético concentrado y con el metanal disuelto en agua. En estos casos, las propiedades coligativas observadas arrojan concentraciones menores que las teóricamente predecibles. Otras sustancias, al disolverse en agua, se disocian originando un número de partículas mayor que el número de moléculas teóricas. El caso mas importante lo constituyen las sustancias electrolíticas (las sales, los acidos y las bases). Como cada molécula se disocia en varias partículas (generalmente, iones), las propiedades coligativas detectan una concentración de soluto aparentemente mayor que la previsible. Así, mientras que una disolución uno molal de urea congelara a -1,86 º C, una disolución molal de NaCl congelara a -3,72 º C. Las leyes de las propiedades coligativas siguen siendo validas siempre que la molalidad se multiplique por un factor corrector: el coeficiente de Van t´Hoff (i). Este coeficiente informa del número de partículas en que se ha disociado la molécula de soluto. Si la disociación es completa, elelectrolito se considera fuerte, y el coeficiente i es practicamente igual a ν, el número de iones en que se disocia cada molécula. Son electrolitos fuertes la mayoría de las sales y los acidos y bases fuertes. Así, en el caso del NaCl ν = 2, para el H2SO4 ν = 3 y para el Ba(OH)2 ν = 3. Por tanto, al estudiar las propiedades coligativas de los electrolitos fuertes se sustituye el valor de m por im (o νm)

im =ν m = Xs = Δ P/P = Δ Te = Δ Tc = π 0,018 0,018 0,52 1,86 R T En Medicina se utiliza frecuentemente el concepto de osmolalidad. Un osmol es un mol de partículas, es decir, la cantidad de partículas que produce los mismos efectos osmóticos que un mol no disociado. Así, en las disoluciones moleculares habra tantos osmoles como moles, y en los electrolitos fuertes la osmolalidad sera igual a la molalidad multiplicada por ν
En los electrolitos débiles la disociación es parcial y se comportan de forma intermedia entre los solutos moleculares y los electrolitos fuertes. Por lo tanto, en una disolución de electrolitos débiles se encuentran ademas de los iones libres moléculas neutras sin disociar. En disoluciones de acido acético, por ejemplos, se establece un equilibrio entre moléculas sin disociar, iones acetato y protones:

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CH3COOH

CH3COO- + H+

Se llama grado de disociación α a la fracción de mol disociada. El equilibrio que se establece se rige por laley de acción de masas (LAM). Si los iones formados que figuran en el segundo miembro del equilibrio se ponen en el numerador, la constante de equilibrio se llama constante de disociación del electrolito. En el caso del acético (AcH) esta constante sería:

K=

Ac- H+ AcH

Llamando α al grado de disociación y c a la concentración molar, en el equilibrio tendríamos las siguientes concentraciones por litro: CH3COOH c (1-α) CH3COO- + H+ αc αc

con lo que la constante de disociación queda: K=
2 (α c)2 =c α (1-α) c 1-α

Las leyes de propiedades coligativas de los electrolitos débiles también requieren la corrección del factor de Van t´Hoff, siendo i = 1 + α. Por tanto, en este caso, la osmolalidad sería: m (1 + α):
im = m (1+α) = ΔP/P = ΔTc = ΔTe = π 0,018 0,52 1,86 R T

Resumiendo todo lo anterior, podemos utilizar la fórmula de las propiedades coligativas incluyendo el coeficiente de Van t´Hoff i en todos los casos, sin mas que recordar que este coeficiente representa el número de partículas originadas por cada molécula de soluto. Como se observa en la tabla de la Figura 30: • • • • si el soluto esta formado por moléculas independientes (α = 0), i = 1 si el soluto es un electrolito fuerte (α = 1), i = ν si el soluto es un electrolito débil, i depende de α, i = 1+ (ν - 1) α si la sustancia forma asociaciones de moléculas, i < 1

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