Concentración de masa (química)

Término químico para la densidad de un componente en una mezcla.

En química , la concentración másica ρ _i (o γ _i ) se define como la masa de un constituyente m _i dividida por el volumen de la mezcla V. ^[1]

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}}$

Para una sustancia química pura, la concentración de masa es igual a su densidad (masa dividida por volumen); por tanto, la concentración másica de un componente en una mezcla puede denominarse densidad de un componente en una mezcla. Esto explica el uso de ρ (la letra griega minúscula rho ), el símbolo más utilizado para la densidad.

Definición y propiedades

El volumen V en la definición se refiere al volumen de la solución, no al volumen del solvente . Un litro de solución generalmente contiene un poco más o un poco menos de 1 litro de solvente porque el proceso de disolución hace que el volumen del líquido aumente o disminuya. A veces la concentración másica se llama título .

Notación

La notación común con la densidad de masa subraya la conexión entre las dos cantidades (la concentración de masa es la densidad de masa de un componente en la solución), pero puede ser una fuente de confusión, especialmente cuando aparecen en la misma fórmula sin diferenciarse por un símbolo adicional. (como un superíndice de estrella, un símbolo en negrita o varrho ).

Dependencia del volumen

La concentración másica depende de la variación del volumen de la solución debido principalmente a la expansión térmica. En pequeños intervalos de temperatura la dependencia es:

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {\rho _{i\left(T_{0}\right)}}{1+\alpha \Delta T}}}$

donde ρ _{i ( T 0 )} es la concentración másica a una temperatura de referencia, α es el coeficiente de expansión térmica de la mezcla.

Suma de concentraciones de masa - relación de normalización

La suma de las concentraciones másicas de todos los componentes (incluido el disolvente) da la densidad ρ de la solución:

${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}\,}$

Por tanto, para el componente puro, la concentración másica es igual a la densidad del componente puro.

Unidades

La unidad SI para la concentración de masa es kg/m ³ ( kilogramos / metro cúbico ). Esto es lo mismo que mg / mL y g/L. Otra unidad comúnmente utilizada es g/(100 ml), que es idéntica a g/dL ( gramo / decilitro ).

Uso en biología

En biología , el símbolo " % " a veces se utiliza incorrectamente para indicar la concentración de masa, también llamada "porcentaje de masa/volumen". Una solución con 1 g de soluto disuelto en un volumen final de 100 ml de solución se etiquetaría como "1%" o "1% m/v" (masa/volumen). La notación es matemáticamente defectuosa porque la unidad " % " sólo puede usarse para cantidades adimensionales. Por lo tanto, "solución porcentual" o "solución porcentual" son términos que es mejor reservar para "soluciones porcentuales en masa" (m/m = m% = soluto en masa/solución en masa total después de mezclar), o "soluciones en porcentaje en volumen" (v/v = v % = volumen de soluto por volumen de solución total después de mezclar). Ocasionalmente se siguen encontrando los términos muy ambiguos "solución porcentual" y "soluciones porcentuales" sin otros calificativos.

Este uso común de % para significar m/v en biología se debe a que muchas soluciones biológicas están diluidas y son a base de agua o una solución acuosa . El agua líquida tiene una densidad de aproximadamente 1 g/cm ³ (1 g/mL). Por tanto, 100 ml de agua equivalen aproximadamente a 100 g. Por lo tanto, una solución con 1 g de soluto disuelto en un volumen final de 100 ml de solución acuosa también puede considerarse 1% m/m (1 g de soluto en 99 g de agua). Esta aproximación se rompe a medida que aumenta la concentración de soluto (por ejemplo, en mezclas de agua y NaCl ). Las altas concentraciones de soluto a menudo no son fisiológicamente relevantes, pero ocasionalmente se encuentran en farmacología, donde todavía se encuentra la notación de masa por volumen. Un ejemplo extremo es la solución saturada de yoduro de potasio (SSKI), que alcanza una concentración en masa de yoduro de potasio del 100 "%" m/v (1 gramo de KI por 1 ml de solución) sólo porque la solubilidad de la sal densa de KI es extremadamente alta en agua, y la solución resultante es muy densa (1,72 veces más densa que el agua).

Aunque hay ejemplos de lo contrario, cabe destacar que las "unidades" de % p/v comúnmente utilizadas son gramos por mililitro (g/mL). A veces se piensa que las soluciones al 1% m/v son gramos/100 ml, pero esto resta importancia al hecho de que el % m/v es g/ml; 1  g de agua tiene un volumen de aproximadamente 1 ml (a temperatura y presión estándar) y se dice que la concentración másica es del 100%. Para preparar 10 ml de una solución acuosa de colato al 1% , se disuelven 0,1 gramos de colato en 10  ml de agua. Los matraces volumétricos son el material de vidrio más apropiado para este procedimiento, ya que pueden producirse desviaciones del comportamiento ideal de la solución con altas concentraciones de soluto.

En soluciones, la concentración de masa se encuentra comúnmente como la relación masa/[volumen de solución], o m/v. En soluciones acuosas que contienen cantidades relativamente pequeñas de soluto disuelto (como en biología), dichas cifras pueden "percentivizarse" multiplicando por 100 una proporción de gramos de soluto por ml de solución. El resultado se da como "porcentaje masa/volumen". Tal convención expresa la concentración másica de 1 gramo de soluto en 100 ml de solución, como "1 m/v %".

Cantidades relacionadas

Densidad del componente puro.

La relación entre la concentración de masa y la densidad de un componente puro (concentración de masa de mezclas de un solo componente) es:

${\displaystyle \rho _{i}=\rho _{i}^{*}{\frac {V_{i}}{V}}\,}$

donde ρ^∗
_yoes la densidad del componente puro, V _i el volumen del componente puro antes de mezclar.

Volumen específico (o volumen específico de masa)

El volumen específico es el inverso de la concentración másica sólo en el caso de sustancias puras, para las cuales la concentración másica es la misma que la densidad de la sustancia pura:

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}\ ={\frac {1}{\rho }}}$

Concentración molar

La conversión a concentración molar ci _viene dada por:

${\displaystyle c_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}}}}$

donde Mi es la masa molar _del constituyente i .

Fracción de masa

La conversión a fracción de masa w _i viene dada por:

${\displaystyle w_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}}$

Fracción molar

La conversión a fracción molar x _i viene dada por:

${\displaystyle x_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}{\frac {M}{M_{i}}}}$

donde M es la masa molar promedio de la mezcla.

Molalidad

Para mezclas binarias, la conversión a molalidad b _i viene dada por:

${\displaystyle b_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}(\rho -\rho _{i})}}}$

Variación espacial y gradiente.

Los valores de concentración (masiva y molar) diferentes en el espacio desencadenan el fenómeno de difusión .

Referencias

1. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de Oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "concentración masiva". doi :10.1351/libro de oro.M03713