Concentração Química: Expressão, Unidades, Molalidade

A concentração química é a medida numérica da quantidade relativa de soluto em uma solução. Esta medida expressa uma razão do soluto para uma quantidade ou volume do solvente ou solução em unidades de concentração. O termo “concentração” está ligado à quantidade de soluto presente: uma solução será mais concentrada quanto mais soluto possuir.

Essas unidades podem ser físicas quando se considera as magnitudes de massa e / ou volume dos componentes da solução ou produtos químicos, quando a concentração do soluto é expressa em função de suas moles ou equivalente, tendo como referência o número de Avogadro.

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Por Leiem [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Assim, através do uso de pesos moleculares ou atômicos e do número de Avogadro, é possível converter unidades físicas em químicas na hora de expressar a concentração de um determinado soluto. Portanto, todas as unidades podem ser convertidas para a mesma solução.

Soluções diluídas e concentradas

Como você pode saber se uma concentração está muito diluída ou concentrada? À primeira vista, pela manifestação de qualquer uma de suas propriedades organolépticas ou químicas; isto é, aqueles que percebem os sentidos ou que podem ser medidos.

Uma diluição de uma concentração de dicromato de potássio (K 2 Cr 2 O 7 ) é mostrada na imagem acima , que exibe uma cor laranja. Da esquerda para a direita, pode-se ver como a cor diminui sua intensidade à medida que a concentração é diluída, adicionando mais solvente.

Esta diluição permite assim obter uma concentração diluída a partir de um concentrado. A cor (e outras propriedades “ocultas” em seu peito laranja) muda da mesma maneira que sua concentração, com unidades físicas ou químicas.

Mas quais são as unidades químicas de concentração? Entre eles estão a molaridade ou concentração molar de uma solução, que relaciona as moles de soluto pelo volume total da solução em litros.

Há também a molalidade ou também conhecida como concentração molal, que se refere às moles de soluto, mas que estão contidas em uma quantidade padronizada de solvente ou solvente que é exatamente um quilograma.

Este solvente pode ser puro ou, se a solução contiver mais de um solvente, a molalidade será o número de mols do soluto por quilograma da mistura de solventes.

E a terceira unidade de concentração química é a normalidade ou concentração normal de uma solução que expressa o número de equivalentes químicos do soluto por litro da solução.

A unidade na qual a normalidade é expressa está em equivalentes por litro (Eq / L) e em medicina a concentração de eletrólitos no soro humano é expressa em miliequivalentes por litro (mEq / L).

Maneiras de expressar concentração

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A concentração de uma solução pode ser indicada de três maneiras principais, mesmo que possuam uma ampla variedade de termos e unidades, que podem ser usadas para expressar a medida desse valor: descrição qualitativa, notação quantitativa e classificação em termos de solubilidade.

Dependendo do idioma e do contexto em que você está trabalhando, uma das três maneiras de expressar a concentração de uma mistura será escolhida.

Descrição qualitativa

Utilizada principalmente em linguagem informal e não técnica, a descrição qualitativa da concentração de uma mistura é expressa na forma de adjetivos, que geralmente indicam o nível de concentração que uma solução possui.

Assim, o nível mínimo de concentração de acordo com a descrição qualitativa é o de uma solução “diluída” e o máximo é o de “concentrado”.

As soluções diluídas são referidas quando uma solução tem uma taxa de soluto muito baixa, dependendo do volume total da solução. Se você deseja diluir uma solução, adicione uma quantidade maior de solvente ou encontre uma maneira de reduzir o soluto.

Agora, falamos de soluções concentradas quando elas têm uma alta proporção de soluto, dependendo do volume total de solução. Para concentrar uma solução, você deve adicionar mais soluto ou reduzir a quantidade de solvente.

Nesse sentido, essa classificação é denominada descrição qualitativa, não apenas porque carece de medidas matemáticas, mas por causa de sua qualidade empírica (pode ser atribuída a características visuais, cheiros e sabores, sem a necessidade de evidências científicas).

Classificação de solubilidade

A solubilidade de uma concentração indica a capacidade máxima de soluto que uma solução possui, dependendo de condições como temperatura, pressão e substâncias dissolvidas ou suspensas.

As soluções podem ser classificadas em três tipos, de acordo com o nível de soluto dissolvido no momento da medição: soluções insaturadas, saturadas e supersaturadas.

– Soluções não saturadas são aquelas que contêm uma quantidade menor de soluto do que a solução pode dissolver. Nesse caso, a solução não atingiu sua concentração máxima.

– Soluções saturadas são aquelas em que a quantidade máxima possível de soluto foi dissolvida no solvente a uma temperatura específica. Neste caso, existe um equilíbrio entre ambas as substâncias e a solução não pode aceitar mais soluto (pois precipitará).

– As soluções supersaturadas têm mais soluto do que a solução aceitaria em condições de equilíbrio. Isto é conseguido aquecendo uma solução saturada, adicionando mais soluto que o normal. Depois de frio, o soluto não precipita automaticamente, mas qualquer perturbação pode causar esse efeito devido à sua instabilidade.

Notação quantitativa

Ao estudar uma solução a ser usada no campo técnico ou científico, é necessária uma precisão medida e expressa em unidades, que descrevam a concentração de acordo com seus valores exatos de massa e / ou volume.

É por isso que existem várias unidades usadas para expressar a concentração de uma solução em sua notação quantitativa, que são divididas em físicas e químicas e que, por sua vez, possuem subdivisões próprias.

As unidades de concentrações físicas são as de “concentração relativa”, que são expressas como uma porcentagem. Há três maneiras de expressar concentrações percentuais: porcentagens de massa, porcentagens de volume e porcentagens de volume de massa.

Em vez disso, as unidades de concentrações químicas são baseadas nas quantidades molares, equivalentes por grama, partes por milhão e outras características do soluto em relação à solução.

Essas unidades são as mais comuns devido à sua alta precisão na medição de concentrações, e é por isso que geralmente elas são as que você quer saber para trabalhar com soluções químicas.

Unidades de concentração

Conforme descrito nas seções anteriores, ao caracterizar quantitativamente a concentração de uma solução, os cálculos devem ser regidos pelas unidades existentes para esse fim.

Da mesma forma, as unidades de concentração são divididas em unidades de concentração relativa, unidades de concentração diluídas, unidades baseadas em moles e unidades adicionais.

Unidades de concentração relativa

As concentrações relativas são aquelas expressas em porcentagens, conforme indicado na seção anterior. Essas unidades são divididas em porcentagem de massa, porcentagem de volume e volume e são calculadas da seguinte forma:

-% massa = massa do soluto (g) / massa total de dissolução (g) x 100

-% volume = volume do soluto (ml) / volume total da solução (ml) x 100

-% massa / volume = massa do soluto (g) / volume total da solução (ml) x 100

Nesse caso, para calcular a massa ou o volume da solução total, a massa ou o volume do soluto deve ser adicionado ao do solvente.

Unidades de concentração diluídas

Unidades de concentração diluída são aquelas usadas para expressar aquelas concentrações muito pequenas que estão na forma de traços dentro de uma solução diluída; O uso mais comum dessas unidades é encontrar vestígios de um gás dissolvido em outro, como agentes que poluem o ar.

Essas unidades são indicadas na forma de partes por milhão (ppm), partes por bilhão (ppb) e partes por trilhão (ppt) e são expressas da seguinte forma:

– ppm = 1 mg de soluto / 1 L de solução

– ppb = 1 μg de soluto / 1 L de solução

– ppt = 1 ng de soluto / 1 L de solução

Nestas expressões, mg é igual a miligramas (0,001 g), μg é igual a microgramas (0,000001 g) e ng é igual a nanogramas (0,000000001 g). Essas unidades também podem ser expressas em função do volume / volume.

Unidades de concentração de acordo com as toupeiras

As unidades de concentração baseadas em moles são as da fração molar, porcentagem molar, molaridade e molalidade (as duas últimas são melhor descritas no final do artigo).

A fração molar de uma substância é a fração de todas as suas moléculas constituintes (ou átomos) em função do total de moléculas ou átomos. É calculado da seguinte forma:

X A = número de moles de substância A / número total de moles em solução

Este procedimento é repetido para as outras substâncias em solução, levando em consideração que a soma de X A + X B + X C … deve ser igual a um.

A porcentagem molar funciona de maneira semelhante a X A , apenas em função da porcentagem:

Porcentagem molar de A = X A x 100%

Na seção final, falaremos sobre molaridade e molalidade em detalhes.

Formalidade e normalidade

Finalmente, existem duas unidades de concentração atualmente em desuso: formalidade e normalidade.

A formalidade de uma solução representa o número de peso-fórmula-grama por litro de solução total. É expresso como:

F = Não. Solução PFG / L

Nesta expressão, PFG é igual ao peso de cada átomo da substância, expresso em gramas.

Em vez disso, normalidade representa o número de equivalentes de soluto dividido pelos litros de solução, conforme expresso abaixo:

N = gramas equivalentes de soluto / L solução

Na referida expressão, os gramas equivalentes de soluto podem ser calculados pelo número de moles H + , OH ou outros métodos, dependendo do tipo de molécula.

Molaridade

A molaridade ou concentração molar de um soluto é a unidade de concentração química que expressa ou relaciona as moles do soluto (n) contidas em um (1) litro (L) da solução.

A molaridade é designada pela letra maiúscula M e para determinar as moles do soluto (n), os gramas do soluto (g) são divididos pelo peso molecular (PM) do soluto.

Da mesma forma, o peso molecular PM do soluto é obtido a partir da soma dos pesos atômicos (PA) ou massa atômica dos elementos químicos, considerando a proporção em que eles se combinam para formar o soluto. Assim, diferentes solutos têm seu próprio PM (embora nem sempre seja esse o caso).

Essas definições são resumidas nas seguintes fórmulas usadas para executar os cálculos correspondentes:

Molaridade: M = n (moles de soluto) / V (litro de solução)

Número de moles: n = g de soluto / PM de soluto

Exercício 1

Calcule a molaridade de uma solução preparada com 45 g de Ca (OH) 2 dissolvido em 250 mL de água.

A primeira coisa a calcular é o peso molecular do Ca (OH) 2 (hidróxido de cálcio). De acordo com sua fórmula química, o composto consiste em um cátion de cálcio e dois ânions oxidrila. Aqui o peso de um elétron menor ou adicional à espécie é desprezível, portanto os pesos atômicos são calculados:

Concentração Química: Expressão, Unidades, Molalidade 3

Fonte: Gabriel Bolívar

O número de moles do soluto será então:

n = 45 g / (74 g / mol)

n = 0,61 moles de Ca (OH) 2

São obtidas 0,61 moles do soluto, mas é importante lembrar que estas moles estão dissolvidas em 250 mL de solução. Uma vez que a definição de molaridade é moles em um litro ou 1000 mL, uma regra simples de três deve ser feita para calcular as moles que estão em 1000 mL da referida solução.

Se em 250 mL de solução houver => 0,61 moles de soluto

Em 1000 mL de solução => x Quantas moles existem?

x = (0,61 mol) (1000 mL) / 250 mL

X = 2,44 M (mol / L)

Outra maneira

A outra maneira de obter as toupeiras para aplicar a fórmula requer que os 250 mL sejam levados a litros, aplicando também uma regra de três:

Se 1000 ml => é 1 litro

250 ml => x Quantos litros são?

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

x = 0,25 L

Substituindo então na fórmula Molarity:

M = (0,61 mol de soluto) / (0,25 L de solução)

M = 2,44 mol / L

Exercício 2

O que significa que uma solução de HCl é de 2,5 M?

A solução de HCl é de 2,5 molar, ou seja, um litro dissolveu 2,5 moles de ácido clorídrico.

Normalidade

Normalidade ou concentração equivalente é a unidade de concentração química das soluções designada pela letra N maiúscula. Esta unidade de concentração indica a reatividade do soluto e é igual ao número de equivalentes do soluto (Eq) entre o volume da solução expresso em litros.

N = Eq / L

O número de equivalentes (Eq) é igual a gramas de soluto entre o peso equivalente (PEq).

Eq = g soluto / PEq

O peso equivalente, ou também conhecido como equivalente em grama, é calculado obtendo-se o peso molecular do soluto e dividindo-o por um fator equivalente que, com o objetivo de resumir na equação, é chamado delta zeta (ΔZ).

PEq = PM / ΔZ

Cálculo

O cálculo da normalidade terá uma variação muito específica no fator equivalente ou ΔZ, que também depende do tipo de reação química em que a espécie soluta ou reativa participa. Alguns casos dessa variação podem ser mencionados abaixo:

-Quando é um ácido ou base, ΔZ ou o fator equivalente, será igual ao número de íons hidrogênio (H + ) ou oxidril OH que o soluto possui. Por exemplo, ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ) tem dois equivalentes porque tem dois protões acídicos.

-Quando se trata de reações de redução de óxido, ΔZ corresponderá ao número de elétrons envolvidos no processo de oxidação ou redução, dependendo do caso específico. O balanceamento de equações químicas e a especificação de reação entram em jogo aqui.

-Além disso, esse fator equivalente ou ΔZ corresponderá ao número de íons que precipitam em reações classificadas como precipitação.

Exercício 1

Determinar a normalidade de 185 g de Na 2 SO 4 encontrado em 1,3 L de solução.

O peso molecular do soluto desta solução será calculado primeiro:

Concentração Química: Expressão, Unidades, Molalidade 4

Fonte: Gabriel Bolívar

O segundo passo é calcular o fator equivalente ou ΔZ. Nesse caso, como o sulfato de sódio é um sal, será considerada a valência ou carga do cátion ou do metal Na + , que será multiplicado por 2, que é o subscrito da fórmula química do sal ou do soluto:

Na 2 SO 4 => ∆Z = cátion de Valência x subscrito

∆Z = 1 x 2

Para obter o peso equivalente, a equação correspondente é substituída:

PEq = (142.039 g / mol) / (2 Eq / mol)

PEq = 71,02 g / Eq

E então você pode prosseguir para calcular o número de equivalentes, novamente usando outro cálculo simples:

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

Número de equivalentes = 2.605 Eq

Finalmente, com todos os dados necessários, a normalidade é agora calculada substituindo de acordo com sua definição:

N = 2,605 Eq / 1,3 L

N = 2,0 N

Molalidade

A molalidade é designada pela letra minúscula m e é igual às moles de soluto presentes em um (1) quilograma do solvente. Também é conhecida como concentração molal e é calculada usando a seguinte fórmula:

m = moles de soluto / kg de solvente

Enquanto Molarity estabelece a proporção de mols de soluto contida em um (1) litro da solução, a molalidade relaciona as moles de soluto que existem em um (1) quilograma de solvente.

Nos casos em que a solução é preparada com mais de um solvente, a molalidade expressa as mesmas moles do soluto por quilograma da mistura de solventes.

Exercício 1

Determine a molalidade de uma solução que foi preparada misturando 150 g de sacarose (C 12 H 22 0 11 ) com 300 g de água.

O peso molecular da sacarose é primeiro determinado para proceder ao cálculo das moles do soluto desta solução:

Concentração Química: Expressão, Unidades, Molalidade 5

Fonte: Gabriel Bolívar

O número de mols de sacarose é calculado:

n = (150g de sacarose) / (342.109 g / mol)

n = 0,438 moles de sacarose

Os gramas de solvente são então levados a quilogramas para aplicar a fórmula final.

Substituindo então:

m = 0,438 moles de sacarose / 0,3 kg de água

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

Embora exista atualmente um debate sobre a expressão final da molalidade, esse resultado também pode ser expresso como:

1,26 m C 12 H 22 0 11 ou 1,26 molal

É considerado vantajoso, em algumas ocasiões, expressar a concentração da solução em termos de molalidade, uma vez que as massas do soluto e do solvente não sofrem pequenas flutuações ou mudanças não transparentes devido aos efeitos da temperatura ou pressão; como em soluções com soluto gasoso.

Além disso, note-se que esta unidade de concentração referida a um soluto específico não é alterada pela existência de outros solutos na solução.

Recomendações e notas importantes sobre a concentração química

O volume da solução é sempre maior que o do solvente

À medida que os exercícios da solução são resolvidos, surge o erro de interpretar o volume de uma solução como se fosse o solvente. Por exemplo, se um grama de chocolate em pó é dissolvido em um litro de água, o volume da solução não é igual ao de um litro de água.

Porque não? Porque o soluto sempre ocupará espaço entre as moléculas de solvente. Quando o solvente possui uma forte afinidade pelo soluto, a alteração no volume após a dissolução pode ser ridícula ou insignificante.

Mas, se não, e mais ainda se a quantidade de soluto for grande, a mudança de volume deve ser levada em consideração. Sendo assim: Vsolvent + Vsolute = Vsolution. Somente em soluções diluídas ou em que as quantidades de soluto são pequenas é válido o Vsolvent = Vsolution.

Este erro deve ser lembrado, especialmente ao trabalhar com solutos líquidos. Por exemplo, se em vez de dissolver o chocolate em pó, o mel é dissolvido em álcool, o volume de mel adicionado terá efeitos notáveis ​​no volume total da solução.

Portanto, nesses casos, o volume do soluto deve ser adicionado ao volume do solvente.

Utilidade da molaridade

– O conhecimento da molaridade de uma solução concentrada permite que os cálculos de diluição sejam realizados usando a fórmula simples M1V1 = M2V2, onde M1 corresponde à molaridade inicial da solução e M2 a molaridade da solução a ser preparada a partir da solução com M1.

– Conhecendo a molaridade de uma solução, você pode calcular facilmente sua normalidade usando a seguinte fórmula: Normalidade = número de equivalentes x M

As fórmulas não são memorizadas, mas as unidades ou definições são

No entanto, às vezes a memória falha quando você deseja se lembrar de todas as equações relevantes para os cálculos de concentração. Para isso, é muito útil ter uma definição muito clara de cada conceito.

A partir da definição, as unidades são gravadas usando os fatores de conversão para expressar aqueles que correspondem ao que você deseja determinar.

Por exemplo, se você possui a molalidade e deseja convertê-la para normal, faça o seguinte:

(mol / Kg de solvente) x (kg / 1000g) (g de solvente / mL) (mL de solvente / mL de solução) (1000mL / L) (Eq / mol)

Observe que (g de solvente / mL) é a densidade do solvente. O termo (mL de solvente / mL de solução) refere-se a quanto volume da solução realmente corresponde ao solvente. Em muitos exercícios, esse último termo é igual a 1, por razões práticas, embora nunca seja completamente verdadeiro.

Referências

  1. Introdutório Chemistry- 1 st Canadian Edition. Unidades Quantitativas de Concentração. Capítulo 11 Soluções. Retirado de: opentextbc.ca
  2. Wikipedia (2018). Concentração Equivalente Retirado de: en.wikipedia.org
  3. PharmaFactz (2018). O que é molaridade? Retirado de: pharmafactz.com
  4. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Química (8a ed.). CENGAGE Learning, p. 101-103, 512, 513.
  5. Soluções aquosas-molaridade. Retirado de: chem.ucla.edu
  6. Quimicas.net (2018). Exemplos de Normalidade. Recuperado de: quimicas.net.

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