CONCENTRACIÓ QUÍMICA: EXPRESSIÓ, UNITATS, MOLALITAT - QUIMICA - 2025

La concentració química és la mesura numèrica de la quantitat relativa de solut en una solució. Aquesta mesura expressa una relació de l'solut respecte a una quantitat o volum de l'solvent o de la solució en unitats de concentració. El terme «concentració» es vincula amb la quantitat de solut present: una solució estarà més concentrada com més solut posseeixi.

Aquestes unitats poden ser físiques quan es pren en compte les magnituds de massa i / o el volum dels components de la solució o químiques, quan la concentració de l'solut ve expressada en funció de les seves moles o equivalents, prenent com a referència el nombre d'Avogadro.

By Leiem, from Wikimedia Commons

Així, mitjançant l'ús dels pesos moleculars o atòmics, i el nombre d'Avogadro, és possible convertir les unitats físiques en químiques a l'hora d'expressar la concentració de determinat solut. Per tant, totes les unitats poden convertir per a una mateixa solució.

Solucions diluïdes i concentrades

Com pot advertir si una concentració està molt diluïda o concentrada? A primer cop d'ull per la manifestació de qualsevol de les seves propietats organolèptiques o químiques; és a dir, aquelles que perceben els sentits o que poden mesurar-se.

A la imatge superior es mostra una dilució d'una concentració de dicromat de potassi (K ₂ Cr ₂ O ₇), la qual exhibeix un color ataronjat. D'esquerra a dreta es pot apreciar com el color disminueix la seva intensitat a mesura que es dilueix la concentració, afegint més solvent.

Aquesta dilució permet obtenir d'aquesta manera una concentració diluïda a partir d'una concentrada. El color (i altres propietats "ocultes" en el seu si ataronjat) canvia de la mateixa manera com ho fa la seva concentració, ja sigui amb les unitats físiques o químiques.

Però, quines són les unitats químiques de concentració? Entre elles es troben la molaritat o concentració molar d'una solució, la qual relaciona els mols de solut pel volum total de la solució en litres.

També es té la molalitat o anomenada igualment com a concentració molal, la qual es refereix als mols de solut però que es contenen en una quantitat estandarditzada d'el solvent o dissolvent que és exactament un quilogram.

Aquest dissolvent pot ser pur o si la solució conté més d'un dissolvent la molalitat serà els mols de l'solut per quilogram de la barreja de dissolvents.

I la tercera unitat de concentració química és la normalitat o concentració normal d'una solució que expressa el nombre d'equivalents químics de l'solut per litre de la solució.

La unitat en què s'expressa la normalitat és en equivalents per litre (Eq / L) i en medicina la concentració dels electròlits de el sèrum humà s'expressa en mil·liequivalents per litre (mEq / L).

Formes d'expressar la concentració

La concentració d'una solució es pot denotar de tres maneres principals, tot i que aquestes tinguin una gran varietat de termes i unitats en si, que puguin utilitzar-se per expressar la mesura d'aquest valor: la descripció qualitativa, la notació quantitativa i la classificació en termes de solubilitat.

Depenent de l'llenguatge i context en el qual s'està treballant, s'escollirà una de les tres maneres per expressar la concentració d'una mescla.

Descripció qualitativa

Utilitzada principalment en llenguatge informal i no-tècnic, la descripció qualitativa de la concentració d'una barreja s'expressa en forma d'adjectius, els quals indiquen de manera generalitzada el nivell de concentració que posseeix una solució.

D'aquesta manera, el nivell mínim de concentració segons la descripció qualitativa és el d'una solució «diluïda», i el màxim és el de «concentrada».

Es parla de dissolucions diluïdes quan una solució posseeix una proporció molt baixa de solut en funció de l'volum total de la solució. Si es desitja diluir una solució, s'ha d'agregar una major quantitat de solvent o buscar la manera de reduir el solut.

Ara, es parla de solucions concentrades quan aquestes tenen una alta proporció de solut en funció de l'volum total de solució. Per concentrar una solució s'ha d'agregar més solut, o bé reduir la quantitat de solvent.

En aquest sentit, es fa dir descripció qualitativa a aquesta classificació, no només perquè no té mesuraments matemàtiques sinó per la seva qualitat empírica (es pot atribuir a trets visuals, olors i sabors, sense necessitat de proves científiques).

Classificació per solubilitat

La solubilitat d'una concentració denota la capacitat màxima de solut que posseeix una dissolució, depenent de condicions com temperatura, pressió i les substàncies que estan dissoltes o en suspensió.

Les solucions poden classificar-se en tres tipus segons el seu nivell de solut dissolt a l'hora del mesurament: dissolucions insaturats, saturats i sobresaturades.

- Les solucions insaturats són aquelles que contenen una quantitat menor de solut de la qual pot dissoldre la solució. En aquest cas, la solució no ha arribat a la seva concentració màxima.

- Les solucions saturades són aquelles en les que s'ha dissolt la màxima quantitat de solut possible en el solvent a una temperatura específica. En aquest cas hi ha un equilibri entre les dues substàncies i la solució no pot acceptar més solut (ja que passarà a precipitar).

- Les solucions sobresaturades tenen més solut de què la solució acceptaria en condicions d'equilibri. Això s'aconsegueix a l'escalfar una solució saturada, afegint més solut de l'normal. Un cop freda no precipitarà el solut automàticament, però qualsevol pertorbació pot causar aquest efecte per la seva inestabilitat.

notació quantitativa

A l'hora d'estudiar una solució per emprar-se en l'àmbit tècnic o científic, es requereix d'una precisió mesura i expressada en unitats, les quals descriuen la concentració segons els seus valors exactes de massa i / o volum.

És per això que hi ha una sèrie d'unitats utilitzades per expressar la concentració d'una solució en la seva notació quantitativa, les quals es divideixen en físiques i químiques, i que al seu torn tenen les seves pròpies subdivisions.

Les unitats de concentracions físiques són aquelles de «concentració relativa», les quals s'expressen en funció de percentatges. Hi ha tres maneres d'expressar les concentracions percentuals: percentatges de massa, percentatges en volum i percentatges de massa-volum.

En canvi, les unitats de concentracions químiques es basen en les quantitats molars, equivalents per gram, parts per milió i altres característiques de l'solut respecte a la solució.

Aquestes unitats són les més comunes per la seva alta precisió a l'hora de mesurar concentracions, i per això solen ser les que es desitja conèixer per treballar amb dissolucions químiques.

Unitats de concentració

Com s'ha descrit en les seccions prèvies, a l'hora de caracteritzar quantitativament la concentració d'una solució, els càlculs s'han de regir per les unitats existents per a tal fi.

Així mateix, les unitats de concentració es divideixen en aquelles de concentració relativa, les de concentracions diluïdes, aquelles basades en mols, i altres addicionals.

Unitats de concentració relativa

Les concentracions relatives són aquelles expressades en percentatges, com es va nomenar a la secció anterior. Aquestes unitats es divideixen en el percentatge massa-massa, el percentatge volum-volum i el percentatge massa-volum, i es calculen de la següent manera:

-% massa = massa de solut (g) / massa de dissolució total (g) x 100

-% volum = volum de solut (ml) / volum de dissolució total (ml) x 100

-% massa / volum = massa de solut (g) / volum de dissolució total (ml) x 100

En aquest cas, per calcular la massa o volum de dissolució total s'ha de sumar la massa o volum de l'solut amb el de l'solvent.

Unitats de concentració diluïda

Les unitats de concentració diluïda són aquelles que s'utilitzen per a expressar aquelles concentracions molt petites que es troben en forma de traces dins d'una solució diluïda; l'ús més comú que se li presenta a aquestes unitats és per trobar traces d'un gas dissolt en un altre, com ho agents que contaminen l'aire.

Aquestes unitats s'indiquen en forma de parts per milió (ppm), parts per bilió (ppb), i parts per trilió (ppt), i s'expressen de la següent manera:

- ppm = 1 mg solut / 1 L solució

- ppb = 1 mg solut / 1 L solució

- ppt = 1 ng solut / 1 L solució

En aquestes expressions mg és igual a mil·ligrams (0,001 g), mg és igual a micrograms (0,000001 g) i ng és igual a nanograms (0,000000001 g). Aquestes unitats també poden ser expressades en funció de volum / volum.

Unitats de concentració en funció a mols

Les unitats de concentració basades en mols són aquelles de la fracció molar, el percentatge molar, la molaritat i la molalitat (aquestes dues últimes es descriuen millor a la fi de l'article).

La fracció molar d'una substància és la fracció de totes les seves molècules (o àtoms) constituents en funció de les molècules o àtoms totals. Es calcula de la següent manera:

X _A = nombre de mols de la substància A / nombre total de mols en solució

Aquest procediment es repeteix per a les altres substàncies en solució, tenint en compte que la suma de X _A + X _B + X _C… ha de ser igual a un.

El percentatge molar es treballa de manera semblant a X _A, només que en funció a percentatge:

Percentatge molar d'A = X _A x 100%

A la secció final es parlarà sobre molaritat i molalitat de forma detallada.

Formalitat i normalitat

Finalment, hi ha dues unitats de concentració que actualment es troben en desús: la formalitat i la normalitat.

La formalitat d'una solució representa el nombre de pes-fórmula-gram per litre de solució total. S'expressa com:

F = Nº PFG / L solució

En aquesta expressió PFG és igual a el pes de cada àtom de la substància, expressat en grams.

En canvi, la normalitat representa el nombre d'equivalents de solut dividits entre els litres de solució, com s'expressa a continuació:

N = equivalents grams de solut / L solució

En aquesta expressió els equivalents grams de solut poden calcular pel nombre de mols H ⁺, OH ^- o altres mètodes, depenent de el tipus de molècula.

molaridad

La molaritat o concentració molar d'un solut és la unitat de concentració química que expressa o relaciona els mols de el solut (n) que estan continguts en un (1) litre (L) de la solució.

La molaritat es designa amb la lletra majúscula M i per determinar els mols de el solut (n) es divideixen els grams de el solut (g) entre el pes molecular (PM) de l'solut.

Així mateix, el pes molecular PM d'el solut s'obté de la sumatòria dels pesos atòmics (PA) o massa atòmica dels elements químics, considerant la proporció en què es combinen per a conformar el solut. Així, diferents soluts tenen els seus propis PM (encara que no sempre sigui aquest el cas).

Aquestes definicions es resumeixen en les següents fórmules que s'empren per a realitzar els càlculs corresponents:

Molaridad: M = n (mols de solut) / V (litre de solució)

Nombre de mols: n = g de solut / PM de solut

exercici 1

Calculi la Molaridad d'una solució que aquesta preparada amb 45 g de Ca (OH) ₂ dissolts en 250 ml d'aigua.

El primer que s'ha de calcular és el pes molecular de Ca (OH) ₂ (hidròxid de calci). Segons la seva fórmula química el compost el constitueixen un catió calci i dues anions oxidrilos. Aquí el pes d'un electró menys o addicional a les espècies és menyspreable, de manera que es prenen els pesos atòmics:

Font: Gabriel Bolívar

El nombre de mols de l'solut serà llavors:

n = 45 g / (74 g / mol)

n = 0,61 mols de Ca (OH) ₂

S'obtenen 0,61 mols de el solut però és important recordar que aquests mols jeuen dissolts en 250 ml de solució. Com la definició de Molaridad és moles en un litre o 1000 ml, s'ha de llavors realitzar una simple regla de tres per calcular els mols que estan en 1000 ml d'aquesta solució

Si en 250 ml de solució hi ha => 0,61 mols de solut

En 1000 ml de solució => x Quants mols hi ha?

x = (0.61 mol) (1000 ml) / 250 ml

X = 2,44 M (mol / L)

Un altre camí

L'altra forma d'obtenir els mols per aplicar la fórmula requereix que es portin els 250 ml a litres, aplicant també una regla de tres:

Si 1000 ml => són 1 litre

250 ml => x Quants litres són?

x = (250 ml) (1 L) / 1000 ml

x = 0,25 L

Substituint llavors en la fórmula de Molaridad:

M = (0.61 mol de solut) / (0.25 L de solució)

M = 2,44 mol / L

exercici 2

Què vol dir que una solució d'HCl sigui 2.5 M?

La solució d'HCl és 2.5 molar, és a dir que un litre de la mateixa té dissolt 2.5 mols d'àcid clorhídric.

normalitat

La normalitat o concentració equivalent, és la unitat de concentració química de les solucions que es designa amb la lletra N majúscula. Aquesta unitat de concentració indica la reactivitat el solut i és igual a el nombre d'equivalents de solut (Eq) entre el volum de la solució expressat en litres.

N = Eq / L

El nombre d'equivalents (Eq) és igual als grams de solut entre el pes equivalent (PEQ).

Eq = g solut / pet

El pes equivalent, o també conegut com a equivalent gram, es calcula a l'obtenir el pes molecular de l'solut i dividir-lo entre un factor equivalent que per a efectes de resumir en l'equació es diu delta zeta (ΔZ).

Petit = PM / ΔZ

càlcul

El càlcul de la normalitat va tenir una variació molt específica en el factor equivalent o ΔZ, el qual així mateix depèn de el tipus de reacció química en la qual participi el solut o espècie reactiva. Es pot esmentar alguns casos d'aquesta variació a continuació:

-Quan es tracta d'un àcid o base, ΔZ o el factor equivalent, serà igual a el nombre d'ions hidrogen (H ⁺) o oxhidrilo OH ^- que tingui el solut. Per exemple, l'àcid sulfúric (H ₂ SO ₄) té dos equivalents pel fet que posseeix dos protons àcids.

-Quan es tracta de reaccions d'oxido-reducció ΔZ es correspondrà amb el nombre d'electrons que intervenen en el procés d'oxidació o de reducció segons sigui el cas específic. Aquí entra en joc el balanceig de les equacions químiques i l'especificació de la reacció.

-Així mateix, aquest factor equivalent o ΔZ es correspondrà amb el nombre d'ions que precipiten en les reaccions classificades com de precipitació.

exercici 1

Determinar la Normalitat de 185 g de Na ₂ SO ₄ que es troben en 1.3 L de solució.

Es calcularà primer el pes molecular de l'solut d'aquesta solució:

Font: Gabriel Bolívar

El segon pas és calcular el factor equivalent o ΔZ. En aquest cas com el sulfat de sodi és una sal es considerarà la valència o càrrega de l'catió o metall Na ⁺, la qual es multiplicarà per 2, que és el subíndex de la fórmula química de la sal o de l'solut:

Na ₂ SO ₄ => ΔZ = València Catió x Subíndex

ΔZ = 1 x 2

Per obtenir el pes equivalent se substitueix en la seva respectiva equació:

Petit = (142,039 g / mol) / (2 Eq / mol)

Petit = 71,02 g / eq

I llavors es pot procedir a calcular el nombre d'equivalents, novament recorrent a un altre simple càlcul:

Eq = (185 g) / (71,02 g / eq)

Nombre d'equivalents = 2,605 Eq

Finalment, amb totes les dades necessàries ara es calcula la normalitat substituint d'acord a la seva definició:

N = 2,605 Eq / 1,3 L

N = 2,0 N

molalitat

La molalitat es designa amb la lletra minúscula mi és igual als mols de solut que estan presents en un (1) quilogram de l'solvent. També és denominada com a concentració molal i es calcula mitjançant la fórmula següent:

m = mols de solut / kg de dissolvent

Mentre la Molaridad estableix la relació dels mols de solut continguts en un (1) litre de la solució, la molalitat relaciona els mols de solut que hi ha en un (1) quilogram de dissolvent.

En aquells casos que la solució està preparada amb més d'un solvent la molalitat expressés igual els mols de l'solut per quilogram de la barreja dels dissolvents.

exercici 1

Determinar la molalitat d'una solució que va ser preparada a l'barrejar 150 g de sacarosa (C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁) amb 300 g d'aigua.

Es determina primer el pes molecular de la sacarosa per procedir a calcular els mols de el solut d'aquesta solució:

Font: Gabriel Bolívar

Es calcula el nombre de mols de la sacarosa:

n = (150g sacarosa) / (342,109 g / mol)

n = 0,438 mols de sacarosa

Després es porten els grams de dissolvent a quilograms per poder aplicar la fórmula final.

Substituint llavors:

m = 0,438 mols de sacarosa / 0,3 quilograms d'aigua

m = 1,46 mol C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ / kg H ₂ O

Encara que en l'actualitat hi ha un debat sobre l'expressió final de la molalitat, aquest resultat també pot expressar-se com:

1,26 m C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ o 1,26 molal

Es considera com avantatjós en algunes ocasions expressar la concentració de la solució en termes de molalitat, ja que les masses de l'solut i de l'solvent no pateixen fluctuacions lleus o canvis inaparentes per efectes de la temperatura o pressió; com sí que passa en les solucions amb solut gasós.

A més, s'assenyala que aquesta unitat de concentració referida a un solut específic és inalterada per l'existència d'altres soluts en la dissolució.

Recomanacions i notes importants sobre la concentració química

El volum de la solució sempre és més gran que el de l'solvent

A mesura que es van resolent els exercicis de solucions sorgeix l'error d'interpretar el volum d'una solució com si fos el de l'solvent. Per exemple, si es dissol un gram de xocolata en pols en un litre d'aigua, el volum de la solució no és igual a el de el litre d'aigua.

Per què no? Perquè el solut sempre ocuparà espai entre les molècules de solvent. Quan el solvent té molta afinitat pel solut, el canvi de volum després de la dissolució pot ser irrisori o menyspreable.

Però, si no és així, i encara més si la quantitat de solut és gran, el canvi de volum s'ha de prendre en compte. Sent d'aquesta manera: Vsolvente + Vsoluto = Vsolución. Només en solucions diluïdes o on les quantitats de solut siguin petites és vàlid Vsolvente = Vsolución.

Aquest error s'ha de tenir molt en ment sobretot quan es treballa amb soluts líquids. Per exemple, si en lloc de dissoldre xocolata en pols es dissol mel en alcohol, llavors el volum de la mel agregada tindrà efectes notables sobre el volum total de la solució.

Per tant, en aquests casos cal sumar el volum de l'solut a el de l'solvent.

Utilitat de la Molaridad

-El conèixer la Molaridad d'una solució concentrada permet realitzar els càlculs de dilució emprant la senzilla fórmula M1V1 = M2V2, on M1 es correspon amb la Molaridad inicial de la solució i M2 la Molaridad de la solució que es desitja preparar a partir de la solució amb M1.

-Coneixent la Molaridad d'una solució es pot calcular fàcilment la Normalitat de la mateixa mitjançant la fórmula següent: Normalitat = nombre d'equivalent x M

Les fórmules no es memoritzen però sí les unitats o definicions

No obstant això, de vegades la memòria falla a l'hora de voler recordar totes les equacions pertinents als càlculs de concentracions. Per això resulta de molta utilitat tenir molt clara la definició de cada concepte.

A partir de la definició s'escriuen les unitats fent ús dels factors de conversió per expressar aquelles que corresponguin al que es vol determinar.

Per exemple, si es té la molalitat i es vol convertir-la a normalitat es procedeix com segueix:

(Mol / kg solvent) x (kg / 1000g) (g solvent / ml) (ml solvent / ml solució) (1000ml / L) (Eq / mol)

Cal notar que (g solvent / ml) és la densitat de l'solvent. El terme (ml solvent / ml solució) es refereix a quant volum de la solució correspon realment a l'solvent. En molts exercicis aquest últim terme és igual a 1, per raons pràctiques, encara que mai és totalment cert.

referències

1. Introductory Chemistry- 1 ^st Canadian Edition. Quantitative Units of Concentration. Chapter 11 Solutions. Pres de: opentextbc.ca
2. Wikipedia. (2018). Equivalent Concentration. Pres de: en.wikipedia.org
3. PharmaFactz. (2018). What is molarity? Pres de: pharmafactz.com
4. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning, pàg 101-103, 512, 513.
5. Aqueous Solutions-Molarity. Pres de: chem.ucla.edu
6. Quimicas.net (2018). Exemples d'Normalitat. Recuperat de: quimicas.net.