La concentració química és una mesura que descriu la quantitat de solut present en una solució en relació amb el dissolvent. És informació important per a diverses aplicacions en química, biologia, farmàcia i altres camps. En aquest context, les unitats de concentració i la molalitat són expressions que ens ajuden a quantificar amb precisió la quantitat de solut en una quantitat determinada de dissolvent. En aquest text, explorarem aquests conceptes i discutirem les seves aplicacions pràctiques.
Quina unitat s'utilitza per representar la molalitat en solucions químiques?
En química, la molalitat és una mesura de la concentració d'una solució en relació amb la quantitat de dissolvent present. La unitat utilitzada per representar la molalitat en solucions químiques és mol/kgAixò significa que la molalitat s'expressa en molècules del solut per quilogram de dissolvent. És important emfatitzar que la molalitat és diferent de molaritat, que s'expressa en mol / L i té en compte el volum de la solució en litres.
Com mesurar la concentració de substàncies: trobar la unitat de mesura correcta.
Per mesurar la concentració de substàncies en una solució, cal utilitzar la unitat de mesura correcta. La concentració química s'expressa de diverses maneres, com ara la molaritat, la molalitat, el percentatge en massa i altres. Cadascuna d'aquestes expressions té una unitat específica que s'ha d'utilitzar per garantir càlculs precisos.
Una de les unitats de mesura més comunes és la molaritat, que es representa en mol/L (mol per litre). Aquesta unitat indica la quantitat de solut present en 1 litre de solució. molalitat es representa en mol/kg (mol per quilogram) i indica la quantitat de solut en 1 quilogram de dissolvent.
Una altra manera d'expressar la concentració és mitjançant percentatge de massa, que indica la quantitat de solut en relació amb la massa total de la solució. Aquesta unitat es representa en % m/m (percentatge massa/massa) i es calcula dividint la massa del solut per la massa total de la solució, multiplicada per 100.
Per tant, quan es mesura la concentració de substàncies en una solució, és essencial saber la unitat de mesura correcta a utilitzar, ja sigui la molaritat, la molalitat, el percentatge en massa o una altra unitat específica. L'ús de la unitat correcta permet càlculs precisos i resultats fiables.
Diferents maneres de representar la concentració d'una solució.
Quan es tracta de solucions químiques, és crucial saber com expressar la concentració d'una substància. Hi ha diverses maneres de fer-ho, depenent de la situació i de la informació que volem comunicar.
Una de les maneres més comunes de representar la concentració d'una solució és mitjançant molaritatLa molaritat es defineix com la quantitat de solut present en un litre de solució. S'expressa en mol/L i s'utilitza àmpliament en laboratoris i en la indústria química.
Una altra manera d'expressar la concentració d'una solució és mitjançant molalitatLa molalitat es defineix com la quantitat de solut present en un quilogram de dissolvent. S'expressa en mol/kg i és útil en situacions on la temperatura de la solució pot variar.
A més de la molaritat i la molalitat, també podem utilitzar percentatge de massa per representar la concentració d'una solució. El percentatge en massa es calcula mitjançant la relació entre la massa del solut i la massa total de la solució, multiplicada per 100.
És important familiaritzar-se amb aquestes diferents maneres d'expressar la concentració d'una solució, ja que cadascuna és útil en situacions específiques. Saber triar la millor representació pot facilitar els càlculs i garantir resultats més precisos en experiments químics.
Significat de molalitat: una mesura de la concentració d'una solució en mols de solut per quilogram de dissolvent.
El terme molalitat s'utilitza en química per representar la concentració d'una solució, calculada com el nombre de mols de solut per quilogram de dissolvent. En altres paraules, la molalitat indica la quantitat de solut present en relació amb la quantitat de dissolvent en una solució.
Per determinar la molalitat d'una solució, simplement dividiu el nombre de mols de solut pel pes del dissolvent en quilograms. La unitat de mesura de la molalitat és mol/kg.
És important tenir en compte que la molalitat difereix de la molaritat, que representa la concentració en mols de solut per litre de solució. Mentre que la molaritat té en compte el volum total de la solució, la molalitat se centra en la massa del dissolvent.
És una eina fonamental per a diversos càlculs i anàlisis en química.
Concentració química: expressió, unitats, molalitat
A concentració química és la mesura numèrica de la quantitat relativa de solut en una solució. Aquesta mesura expressa una relació entre el solut i una quantitat o volum determinat de dissolvent o solució en unitats de concentració. El terme "concentració" està vinculat a la quantitat de solut present: una solució estarà més concentrada com més solut contingui.
Aquestes unitats poden ser físiques quan es consideren les magnituds de massa i/o volum dels components de la solució o productes químics, quan la concentració del solut s'expressa en termes dels seus mols o equivalent, amb referència al nombre d'Avogadro.
Així, utilitzant pesos moleculars o atòmics i el nombre d'Avogadro, és possible convertir unitats físiques en unitats químiques a l'hora d'expressar la concentració d'un solut determinat. Per tant, totes les unitats es poden convertir per a la mateixa solució.
Solucions diluïdes i concentrades
Com es pot saber si una concentració és massa diluïda o massa concentrada? A primera vista, per la manifestació de qualsevol de les seves propietats organolèptiques o químiques; és a dir, les que es poden percebre pels sentits o mesurar.
Una dilució d'una concentració de dicromat de potassi (K 2 Cr 2 O 7 ) es mostra a la imatge superior, que mostra un color taronja. D'esquerra a dreta, podeu veure com el color disminueix en intensitat a mesura que la concentració es dilueix afegint més dissolvent.
Aquesta dilució permet obtenir una concentració diluïda a partir d'un concentrat. El color (i altres propietats "amagades" al seu pit taronja) canvien de la mateixa manera que la seva concentració, amb unitats físiques o químiques.
Però quines són les unitats químiques de concentració? Entre elles hi ha la molaritat, o concentració molar d'una solució, que relaciona els mols de solut amb el volum total de la solució en litres.
També hi ha la molalitat o també coneguda com a concentració molal, que fa referència als mols de solut, però que estan continguts en una quantitat estandarditzada de dissolvent o solvent que és exactament un quilogram.
Aquest dissolvent pot ser pur o, si la solució conté més d'un dissolvent, la molalitat serà el nombre de mols de solut per quilogram de la mescla 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 del 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 d'electròlits en el sèrum humà s'expressa en mil·liequivalents per litre (mEq/L).
Maneres d'expressar la concentració
La concentració d'una solució es pot indicar de tres maneres principals, tot i que tenen una àmplia varietat de termes i unitats, que es poden utilitzar per expressar la mesura d'aquest valor: descripció qualitativa, notació quantitativa i classificació en termes de solubilitat.
Segons l'idioma i el context en què es treballa, es triarà una de les tres maneres d'expressar la concentració d'una mescla.
Descripció qualitativa
Utilitzada principalment en un llenguatge informal i no tècnic, la descripció qualitativa de la concentració d'una mescla s'expressa en forma d'adjectius, que generalment indiquen el nivell de concentració que té una solució.
Així, el nivell de concentració mínim segons la descripció qualitativa és el d'una solució "diluïda" i el màxim és el d'un "concentrat".
Es parla de solucions diluïdes quan una solució té una proporció de soluts molt baixa, depenent del volum total de la solució. Per diluir una solució, afegiu una quantitat més gran de dissolvent o trobeu una manera de reduir el solut.
Ara, parlem de solucions concentrades quan tenen una alta proporció de solut, depenent del volum total de la solució. Per concentrar una solució, cal afegir més solut o reduir la quantitat de dissolvent.
En aquest sentit, aquesta classificació s'anomena descripció qualitativa, no només perquè no té mesures matemàtiques, sinó per la seva qualitat empírica (es pot atribuir a característiques visuals, olors i sabors, sense necessitat d'evidència científica).
Classificació de la solubilitat
La solubilitat d'una concentració indica la capacitat màxima de solut que té una solució, depenent de condicions com la temperatura, la pressió i les substàncies dissoltes o en suspensió.
Les solucions es poden classificar en tres tipus, segons el nivell de solut dissolt en el moment de la mesura: solucions insaturades, saturades i sobresaturades.
– Les solucions insaturades són aquelles que contenen una quantitat de solut menor que la que la solució pot dissoldre. En aquest cas, la solució no ha assolit la seva concentració màxima.
– Les solucions saturades són aquelles en què la quantitat màxima possible de solut s'ha dissolt en el dissolvent a una temperatura específica. En aquest cas, hi ha equilibri entre ambdues substàncies i la solució no pot acceptar més solut (ja que precipitarà).
Les solucions sobresaturades contenen més solut del que la solució acceptaria en condicions d'equilibri. Això s'aconsegueix escalfant una solució saturada, afegint-hi més solut del normal. Un cop refredat, el solut no precipita automàticament, però qualsevol pertorbació pot causar aquest efecte a causa de la seva inestabilitat.
Notació quantitativa
Quan s'estudia una solució per a ser utilitzada en l'àmbit tècnic o científic, es requereix una precisió mesurada i expressada en unitats, que descriguin la concentració segons els seus valors exactes de massa i/o volum.
És per això que hi ha diverses unitats que s'utilitzen per expressar la concentració d'una solució en la seva notació quantitativa, que es divideixen en físiques i químiques i que, al seu torn, tenen les seves pròpies subdivisions.
Les unitats de concentració física són la "concentració relativa", que s'expressa com a percentatge. Hi ha tres maneres d'expressar les concentracions percentuals: percentatges de massa, percentatges de volum i percentatges de massa-volum.
En canvi, les unitats de concentracions químiques es basen en quantitats molars, equivalents per gram, parts per milió i altres característiques del solut en relació amb la solució.
Aquestes unitats són les més comunes per la seva alta precisió en la mesura de concentracions, i per això solen ser les que es volen saber quan es treballa amb solucions químiques.
Unitats de concentració
Com s'ha descrit a les seccions anteriors, quan es caracteritza quantitativament la concentració d'una solució, els càlculs s'han de regir per les unitats existents per a aquest propòsit.
De la mateixa manera, les unitats de concentració es divideixen en unitats de concentració relatives, unitats de concentració diluïdes, unitats basades en mols i unitats afegides.
Unitats de concentració relativa
Les concentracions relatives són les que s'expressen en percentatges, tal com s'ha indicat a la secció anterior. Aquestes unitats es divideixen en percentatge de massa, percentatge de volum i volum i es calculen de la manera següent:
-% massa = massa de solut (g) / massa total de dissolució (g) x 100
-% volum = volum de solut (ml) / volum total de solució (ml) x 100
-% massa / volum = massa de solut (g) / volum total de solució (ml) x 100
En aquest cas, per calcular la massa o el volum de la solució total, cal sumar la massa o el volum del solut a la del dissolvent.
Unitats de concentració diluïdes
Les unitats de concentració diluïdes són les que s'utilitzen per expressar aquelles concentracions molt petites que es troben en forma de traces dins d'una solució diluïda; l'ús més comú d'aquestes unitats és per trobar traces d'un gas dissolt en un altre, com ara agents que contaminen l'aire.
Aquestes unitats s'indiquen en forma de parts per milió (ppm), parts per bilió (ppb) i parts per bilió (ppt) i s'expressen de la següent manera:
– ppm = 1 mg de solut / 1 L de solució
– ppb = 1 μg de solut / 1 L de solució
– ppt = 1 ng de solut / 1 L de solució
En aquestes expressions, mg és igual a mil·ligrams (0,001 g), μg és igual a micrograms (0,000001 g) i ng és igual a nanograms (0,000000001 g). Aquestes unitats també es poden expressar en termes de volum/volum.
Unitats de concentració segons mols
Les unitats de concentració basades en mols són la fracció molar, el percentatge molar, la molaritat i la molalitat (les dues últimes es descriuen millor al final de l'article).
La fracció molar d'una substància és la fracció de totes les seves molècules (o àtoms) constituents en funció del nombre total de molècules o àtoms. Es calcula de la manera següent:
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 funciona de manera similar a X A , només en funció del percentatge:
Percentatge molar d'A = X A x 100%
A la secció final, parlarem detalladament de la molaritat i la molalitat.
Formalitat i normalitat
Finalment, hi ha dues unitats de concentració actualment en desús: la formalitat i la normalitat.
La formalitat d'una solució representa el nombre de grams de pes fórmula per litre de solució total. S'expressa com:
F = Núm. PFG/L Solució
En aquesta expressió, PFG és igual al pes de cada àtom de la substància, expressat en grams.
En canvi, la normalitat representa el nombre d'equivalents de solut dividit pels litres de solució, tal com s'expressa a continuació:
N = grams d'equivalents de solut / L de solució
En l'expressió anterior, els grams equivalents de solut es poden calcular mitjançant el nombre de mols H + , OH - o altres mètodes, depenent del tipus de molècula.
Molaritat
La molaritat o concentració molar d'un solut és la unitat de concentració química que expressa o es relaciona amb els mols de solut (n) continguts en un (1) litre (L) de la solució.
La molaritat es designa amb la lletra majúscula M i per determinar els mols de solut (n), els grams de solut (g) es divideixen pel pes molecular (PM) del solut.
De la mateixa manera, el pes molecular (PM) del solut s'obté de la suma dels pesos atòmics (PM) o massa atòmica dels elements químics, considerant la proporció en què es combinen per formar el solut. Així, els diferents soluts tenen el seu propi PM (tot i que no sempre és així).
Aquestes definicions es resumeixen en les fórmules següents que s'utilitzen per realitzar els càlculs corresponents:
Molaritat: M = n (mols de solut) / V (litre de solució)
Nombre de mols: n = g de solut / pes molecular del solut
Exercici 1
Calcula la molaritat d'una solució preparada amb 45 g de Ca(OH) 2 dissolt en 250 mL d'aigua.
El primer que cal calcular és el pes molecular del Ca(OH) 2 (hidròxid de calci). Segons la seva fórmula química, el compost consisteix en un catió de calci i dos anions hidroxil. Aquí, el pes d'un electró més petit o addicional a l'espècie és insignificant, per la qual cosa els pesos atòmics es calculen:
El nombre de mols de solut serà llavors:
n = 45 g / (74 g / mol)
n = 0,61 mols de Ca(OH) 2
S'obtenen 0,61 mols de solut, però és important recordar que aquests mols es dissolen en 250 mL de solució. Com que la definició de molaritat és mols en una litre o 1000 mL, s'ha de fer una simple regla de tres per calcular els mols que hi ha 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)
Altre camí
L'altra manera d'aconseguir els mols per aplicar la fórmula requereix que els 250 mL es converteixin a litres, aplicant també una regla de tres:
Si 1000 ml => és 1 litre
250 ml => x Quants litres són?
x = (250 mL) (1 L) / 1000 mL
x = 0,25 L
Substituint llavors a la fórmula de la molaritat:
M = (0,61 mol de solut) / (0,25 L de solució)
M = 2,44 mol/L
Exercici 2
Què significa que una solució d'HCl és 2,5 M?
La solució d'HCl és 2,5 molar, és a dir, un litre dissol 2,5 mols d'àcid clorhídric.
Normalitat
La normalitat o concentració equivalent és la unitat de concentració química de les solucions designada amb la lletra majúscula N. Aquesta unitat de concentració indica la reactivitat del solut i és igual al nombre d'equivalents del solut (Eq) en el volum de la solució expressat en litres.
N = Eq / L
El nombre d'equivalents (Eq) és igual als grams de solut en pes equivalent (PEq).
Eq = g solut / PEq
El pes equivalent, o també conegut com a equivalent en grams, es calcula obtenint el pes molecular del solut i dividint-lo per un factor equivalent que, amb la finalitat de resumir-lo en l'equació, s'anomena delta zeta (ΔZ).
PEq = PM / ΔZ
càlcul
El càlcul de la normalitat tindrà una variació molt específica en el factor equivalent, o ΔZ, que també depèn del tipus de reacció química en què participa el solut o l'espècie reactiva. A continuació es poden esmentar alguns exemples d'aquesta variació:
-Quan es tracta d'un àcid o d'una base, ΔZ o el factor equivalent serà igual al nombre d'ions d'hidrogen (H + ) o oxidril OH - que té el solut. Per exemple, l'àcid sulfúric (H 2 SO 4 ) té dos equivalents perquè té dos protons àcids.
-Quan es tracta de reaccions d'oxidació-reducció, ΔZ correspon al nombre d'electrons implicats en el procés d'oxidació o reducció, depenent del cas específic. Aquí entren en joc les equacions químiques d'equilibri i les especificacions de la reacció.
-A més, aquest factor equivalent o ΔZ correspondrà al nombre d'ions que precipiten en reaccions classificades com a precipitació.
Exercici 1
Determina la normalitat de 185 g de Na 2 SO 4 es troba en 1,3 L de solució.
Primer es calcularà el pes molecular del solut en aquesta solució:
El segon pas és calcular el factor equivalent o ΔZ. En aquest cas, com que el sulfat de sodi és una sal, es considerarà la valència o càrrega del catió o metall Na. + , que es multiplicarà per 2, que és el subíndex de la fórmula química de la sal o solut:
Na 2 SO 4 => ∆Z = Catió de valència x subíndex
∆Z = 1 x 2
Per obtenir el pes equivalent, es substitueix l'equació corresponent:
PEq = (142.039 g/mol)/(2 Eq/mol)
PEq = 71,02 g / Eq
I després podeu procedir a calcular el nombre d'equivalents, de nou utilitzant un altre càlcul simple:
Eq. = (185 g) / (71,02 g / Eq.)
Nombre d'equivalents = 2.605 eq.
Finalment, amb totes les dades necessàries, la normalitat es calcula substituint segons la seva definició:
N = 2,605 eq. / 1,3 L
N = 2,0 N
Molalitat
La molalitat es designa amb una lletra minúscula m i és igual als mols de solut presents en un (1) quilogram de dissolvent. També es coneix com a concentració molal i es calcula mitjançant la fórmula següent:
m = mols de solut / kg de dissolvent
Mentre que la molaritat estableix la proporció de mols de solut continguts en un (1) litre de solució, la molalitat relaciona els mols de solut que existeixen en un (1) quilogram de dissolvent.
En els casos en què la solució es prepara amb més d'un dissolvent, la molalitat expressa els mateixos mols de solut per quilogram de la mescla de dissolvents.
Exercici 1
Determineu la molalitat d'una solució preparada barrejant 150 g de sacarosa (C 12 H 22 0 11 ) amb 300 g d'aigua.
Primer es determina el pes molecular de la sacarosa per calcular els mols de solut en aquesta solució:
El nombre de mols de sacarosa es calcula:
n = (150 g de sacarosa) / (342.109 g/mol)
n = 0,438 mols de sacarosa
Els grams de dissolvent es converteixen a quilograms per aplicar la fórmula final.
Aleshores substituint:
m = 0,438 mols de sacarosa / 0,3 kg d'aigua
m = 1,46 mol C 12 H 22 0 11 / kg H 2 O
Tot i que actualment hi ha debat sobre l'expressió final de la molalitat, aquest resultat també es pot expressar com:
1,26 mC 12 H 22 0 11 o 1,26 molal
De vegades es considera avantatjós expressar la concentració d'una solució en termes de molalitat, ja que les masses del solut i del dissolvent no experimenten petites fluctuacions o canvis no transparents a causa dels efectes de la temperatura o la pressió, com en les solucions amb un solut gasós.
A més, cal tenir en compte que aquesta unitat de concentració referida a un solut específic no es veu alterada per l'existència d'altres soluts a la solució.
Recomanacions i notes importants sobre la concentració química
El volum de la solució sempre és més gran que el del dissolvent
A mesura que es resolen els exercicis de resolució, sorgeix l'error d'interpretar el volum d'una solució com si fos el mateix dissolvent. Per exemple, si es dissol un gram de cacau en pols en un litre d'aigua, el volum de la solució no és igual al d'un litre d'aigua.
Per què no? Perquè el solut sempre ocuparà espai entre les molècules del dissolvent. Quan el dissolvent té una forta afinitat pel solut, el canvi de volum després de la dissolució pot ser insignificant o insignificant.
Però si no, i encara més si la quantitat de solut és gran, cal tenir en compte el canvi de volum. Per tant: Vsolvent + Vsolut = Vsolució. Només en solucions diluïdes o en aquelles on les quantitats de solut són petites és vàlid Vsolvent = Vsolució.
Cal tenir en compte aquest error, sobretot quan es treballa amb soluts líquids. Per exemple, si en comptes de dissoldre cacau en pols, la mel es dissol en alcohol, el volum de mel afegit tindrà un impacte significatiu en el volum total de la solució.
Per tant, en aquests casos, el volum de solut s'ha d'afegir al volum de dissolvent.
Utilitat de la molaritat
– Conèixer la molaritat d'una solució concentrada permet realitzar càlculs de dilució utilitzant la fórmula simple M1V1 = M2V2, on M1 correspon a la molaritat inicial de la solució i M2 a la molaritat de la solució que s'ha de preparar a partir de la solució amb M1.
– Coneixent la molaritat d'una solució, podeu calcular fàcilment la seva normalitat utilitzant la fórmula següent: Normalitat = nombre d'equivalents x M
Les fórmules no es memoritzen, però les unitats o definicions sí.
Tanmateix, la memòria de vegades falla quan es volen recordar totes les equacions rellevants per als càlculs de concentració. Per fer-ho, és molt útil tenir una definició molt clara de cada concepte.
Segons la definició, les unitats s'escriuen utilitzant la Fatores de conversa per expressar les que corresponen al que es vol determinar.
Per exemple, si teniu la molalitat i voleu convertir-la a la normalitat, feu el següent:
(mol / kg dissolvent) x (kg / 1000 g) (g dissolvent / mL) (mL dissolvent / mL solució) (1000 mL / L) (Eq / mol)
Tingueu en compte que (g dissolvent/mL) és la densitat del dissolvent. El terme (mL dissolvent/mL solució) fa referència a la part del volum de la solució que correspon realment al dissolvent. En molts exercicis, aquest últim terme és igual a 1, per raons pràctiques, tot i que això mai és completament cert.
Referències
- Química Introductòria-1 st Edició canadenca. Unitats quantitatives de concentració. Solucions del capítol 11. Recuperat de: opentextbc.ca
- Viquipèdia (2018). Concentració equivalent. Recuperat de: en.wikipedia.org
- PharmaFactz (2018). Què és la molaritat? Recuperat de: pharmafactz.com
- Whitten, Davis, Peck i Stanley. Química (8a ed.). CENGAGE Learning, pàg. 101-103, 512, 513.
- Solucions aquoses - molaritat. Obtingut de: chem.ucla.edu
- Quimicas.net (2018). Exemples de normalitat. Recuperat de: quimicas.net.