Concentración

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Estos vasos, que contienen un tinte rojo, demuestran cambios cualitativos en la concentración. Las soluciones a la izquierda están más diluídas, comparadas con las soluciones más concentradas de la derecha.

La concentración es la magnitud fisico-química que nos permite conocer la proporción entre el soluto y el disolvente en una disolución. En el SI se emplean las unidades mol·m^-3. Cada sustancia tiene una solubilidad que es la cantidad máxima de soluto que puede mantenerse en disolución, y depende de condiciones como la temperatura, presión, y otras substancias disueltas o en suspensión. En química, para expresar cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución se emplean distintas unidades: molaridad, normalidad, molalidad, formalidad, porcentaje en peso, porcentaje en volumen, fracción molar, partes por millón, partes por billón, partes por trillón, etc. También se puede expresar cualitativamente empleando términos como diluido, para bajas concentraciones, o concentrado, para altas.

Contenido

1 Molaridad
2 Molalidad
3 Masa por volumen
4 Porcentaje en masa
5 Porcentaje en volumen
6 Formalidad
7 Normalidad
- 7.1 Normalidad ácido-base
- 7.2 Normalidad red-ox
8 Concentraciones pequeñas
9 Conversiones útiles
10 Otras formas de indicar la concentración
- 10.1 Densidad
- 10.2 Nombres propios
11 Véase también

Molaridad

La molaridad (M), o concentración molar, es el número de moles de soluto por cada litro de disolución. Por ejemplo, si se disuelven 0,5 moles de soluto en 1000 mL de disolución, se tiene una concentración de ese soluto de 0,5 M (0,5 molar). Para preparar una disolución de esta concentración habitualmente se disuelve primero el soluto en un volumen menor, por ejemplo 300 mL, y se traslada esa disolución a un matraz aforado, para después enrasarlo con más disolvente hasta los 1000 mL.

$M =\frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{litros de disolución}}$

Es el método más común de expresar la concentración en química, sobre todo cuando se trabaja con reacciones químicas y relaciones estequiométricas. Sin embargo, este proceso tiene el inconveniente de que el volumen cambia con la temperatura.

Se representa también como: M = n / V, en donde "n" son los moles de soluto y "V" es el volumen de la disolución expresado en litros.

Molalidad

La molalidad (m) es el número de moles de soluto por kilogramo de disolvente (no de disolución). Para preparar disoluciones de una determinada molalidad, no se emplea un matraz aforado como en el caso de la molaridad, sino que se puede hacer en un vaso de precipitados y pesando con una balanza analítica, previo peso del vaso vacío para poderle restar el correspondiente valor.

$m = \frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{kg de solvente}}$

La principal ventaja de este método de medida respecto a la molaridad es que como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la molalidad no está en función del volumen, es independiente de la temperatura y la presión, y puede medirse con mayor precisión.

Es menos empleada que la molaridad pero igual de importante.

Masa por volumen

Se pueden usar también las mismas unidades que para medir la densidad aunque no conviene confundir ambos conceptos. La densidad de la mezcla es la masa de la disolución dividida por el volumen de ésta, mientras que la concentración en dichas unidades es la masa de soluto dividida por el volumen de la disolución. Se suelen usar gramos por litro (g/l) y a veces se expresa como «% m/v».

$% \mbox{ en masa/volumen} =\frac{\mbox{masa de soluto (g)}}{\mbox{volumen de disolución (ml)}}\cdot 100$

Porcentaje en masa

Se define como la masa de soluto (sustancia que se disuelve) por cada 100 unidades de masa de la disolución:

$\% \mbox{masa} = \frac{\mbox{m de soluto}}{\mbox{m de disolución}} \cdot 100$

Por ejemplo, si se disuelven 20 gramos de azúcar en 80 ml de agua, el porcentaje en masa será: 100•20/(80+20)=20% o, para distinguirlo de otros porcentajes, 20% p/p (en inglés, w/w).

Porcentaje en volumen

Expresa el volumen de soluto por cada cien unidades de volumen de la disolución. Se suele usar para mezclas líquidas o gaseosas, en las que el volumen es un parámetro importante a tener en cuenta. Es decir, el porcentaje que representa el soluto en el volumen total de la disolución. Suele expresarse simplificadamente como «% v/v».

$\ % \mbox{ volumen} = \frac{\mbox{v del soluto}}{\mbox{v de disolución}}\cdot 100$

Por ejemplo, si se tiene una disolución del 20% en volumen (20% v/v) de alcohol en agua quiere decir que hay 20 ml de alcohol por cada 100 ml de disolución.

La graduación alcohólica de las bebidas se expresa precisamente así: un vino de 12 grados (12°) tiene un 12% (v/v) de alcohol.

Formalidad

La formalidad (F) es el número de peso-fórmula-gramo por litro de disolución.

F = nº PFG / volumen (litro disolución)

El número de peso-fórmula-gramo tiene unidad de g / PFG.

Normalidad

$N=\frac{n_{sto}}{V_{sc}}$

La normalidad (N) es el número de equivalentes (n) de soluto (sto) por litro de disolución (sc). El número de equivalentes se calcula dividiendo la masa total por la masa de un equivalente: $n = m / m e q$ , o bien como el producto de la masa total y la cantidad de equivalentes por mol, dividido por la masa molar: $n={m\cdot v}/{m_{eq}}$ .

Normalidad ácido-base

Es la normalidad de una disolución cuando se la utiliza para una reacción como ácido o como base. Por esto suelen titularse utilizando indicadores de pH.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}\cdot{H^{+}}$ para un ácido, o $n={moles}\cdot{OH^{-}}$ para una base.

Donde:

n es la cantidad de equivalentes.
moles es la cantidad de moles.
H⁺ es la cantidad de protones cedidos por una molécula del ácido.
OH^– es la cantidad de hidroxilos cedidos por una molécula de la base.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}\cdot{H^{+}}$ para un ácido, o $N={M}\cdot{OH^{-}}$ para una base.

Donde:

N es la normalidad de la disolución.
M es la molaridad de la disolución.
H⁺ es la cantidad de protones cedidos por una molécula del ácido.
OH^– es la cantidad de hidroxilos cedidos por una molécula de la base.

Ejemplos:

Una disolución 1 M de HCl cede 1 M de H⁺, por lo tanto, es una disolución 1 N.
Una disolución 1 M de Ca(OH)₂ cede 2 M de OH^–, por lo tanto, es una disolución 2 N.

Normalidad red-ox

Es la normalidad de una solución cuando se la utiliza para una reacción como agente oxidante o como agente reductor. Como un mismo compuesto puede actuar como oxidante o como reductor, suele indicarse si se trata de la normalidad como oxidante (N_ox) o como reductor (N_rd). Por esto suelen titularse utilizando indicadores redox.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}\cdot{e^{-}}$ .

Donde:

n es la cantidad de equivalentes.
moles es la cantidad de moles.
e^– es la cantidad de electrones intercambiados en la semirreacción de oxidación o reducción.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}\cdot{e^{-}}$ .

Donde:

N es la normalidad de la disolución.
M es la molaridad de la disolución.
e^–: Es la cantidad de electrones intercambiados en la semirreacción de oxidación o reducción.

Ejemplos:

En el siguiente caso vemos que el anión nitrato en medio ácido (por ejemplo el ácido nítrico) puede actuar como oxidante, y entonces una disolución 1 M es 3 N_ox.

4 H⁺ + NO₃^– + 3 e^– ↔ NO + 2 H₂O

En el siguiente caso vemos que el anión ioduro puede actuar como reductor, y entonces una disolución 1 M es 1 N_rd.

2 I^– - 2 e^– ↔ I₂

En el siguiente caso vemos que el catión argéntico, puede actuar como oxidante, donde una solución 1 M es 1 N_ox.

1 Ag⁺ + 1 e^– ↔ Ag⁰

Concentraciones pequeñas

Para expresar concentraciones muy pequeñas, trazas de una sustancia muy diluida en otra, es común emplear las relaciones partes por millón (ppm), partes por "billón" (ppb) y partes por "trillón" (ppt). El millón equivale a 10⁶, el billón estadounidense, o millardo, a 10⁹ y el trillón estadounidense a 10¹².

Es de uso relativamente frecuente en la medición de la composición de la atmósfera terrestre. Así el aumento de dióxido de carbono en el aire debido al calentamiento global se suele dar en dichas unidades.

Las unidades que se usan con más frecuencia son las siguientes:

ppmm = μg × g^–1

ppmv = μg × ml^–1

ppbm = ng × g^–1

ppbv = ng × ml^–1

pptm = pg × g^–1

pptv = pg × ml^–1

*Nota: Se pone una v o una m al final según se trate de partes en volumen o en masa.

Sin embargo, a veces se emplean otras unidades. Por ejemplo, 1 ppm de CO₂ en aire podría ser, en algunos contextos, una molécula de CO₂ en un millón de moléculas de componentes del aire. Otro ejemplo: hablando de trazas en disoluciones acuosas, 1 ppm corresponde a 1 mg soluto/ kg disolución o, lo que es lo mismo, 1 mg soluto/ L disolución -ya que en estos casos, el volumen del soluto es despreciable, y la densidad del agua es 1 kg/L.

También se habla a veces de relaciones más pequeñas, por ejemplo "cuatrillón". Sin embargo son concentraciones excesivamente pequeñas y no se suelen emplear.

La IUPAC desaconseja el uso de estas relaciones (especialmente en el caso de masa entre volumen) y recomienda usar las unidades correspondientes. Es particularmente delicado el uso de ppb y ppt, dado el distinto significado de billón y trillón en los entornos estadounidense y europeo.

Conversiones útiles

Molalidad a fracción molar ( m→X_st )

$X_{st} = \frac{m}{\frac{1000}{P_{sv}}+m}$

Fracción molar a molalidad ( Xst→m ), y recordando que Xst + Xsv = 1

$m = \frac{1000 \cdot X_{st}}{P_{sv} \cdot X{sv}}$

Molalidad a molaridad ( m→M )

$M = \frac{1000 \cdot d \cdot m}{1000 + (m \cdot P_{st})}$

Molaridad a molalidad ( M→m )

$m = \frac{1000 \cdot M}{1000 \cdot d - M \cdot P_{st}}$

Porcentaje en peso a porcentaje peso en volumen

$%P/V =\ %P/P \cdot d$

Peso en volumen a molaridad

$M = \frac{%P/V \cdot 10}{P_{st}}$

Donde:

P_sv = Peso molar del disolvente (g/mol)
P_st = Peso molar del soluto (g/mol)
d = densidad (g/mL)
%P/P = Concentración en g soluto/100 g disolución
%P/V = Concentración en g soluto/100 mL disolución

Otras formas de indicar la concentración

Para ciertas disoluciones de uso muy frecuente (por ejemplo ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, etc.) se indica la concentración de otras formas:

Densidad

Si bien la densidad no es una forma de expresar la concentración, ésta es proporcional a la concentración (en las mismas condiciones de temperatura y presión). Por esto en ocasiones se expresa la densidad de la disolución en condiciones normales en lugar de indicar la concentración; pero se usa más prácticamente y con disoluciones utilizadas muy ampliamente. También hay tablas de conversión de densidad a concentración para estas disoluciones, aunque el uso de la densidad para indicar la concentración es una práctica que está cayendo en desuso.

Nombres propios

Algunas disoluciones se usan en una concentración determinada para algunas técnicas específicas. Y en estos casos suele usarse un nombre propio.

Ejemplos
Compuesto	Nombre	Densidad	Concentración
H₂SO₄	Gerber	1,820-1,825	91,00-92,25 % m/m
Alcohol isoamílico	Gerber	0,810-0,812

Véase también

Fracción molar

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Concentraci%C3%B3n"

Categorías: Magnitudes químicas | Propiedades químicas | Equilibrio químico

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