Masa molar

En química , la masa molar ( $M$ ) (a veces llamada peso molecular o peso fórmula , pero consulte las cantidades relacionadas para su uso) de un compuesto químico se define como la relación entre la masa y la cantidad de sustancia (medida en moles ) de cualquier muestra del compuesto. ^{[1] La masa molar es una}propiedad global, no molecular, de una sustancia. La masa molar es un promedio de muchas instancias del compuesto, que a menudo varían en masa debido a la presencia de isótopos . Lo más común es que la masa molar se calcule a partir de los pesos atómicos estándar y, por lo tanto, es un promedio terrestre y una función de la abundancia relativa de los isótopos de los átomos constituyentes en la Tierra. La masa molar es apropiada para convertir entre la masa de una sustancia y la cantidad de una sustancia para cantidades globales.

La masa molecular (para compuestos moleculares) y la masa fórmula (para compuestos no moleculares, como las sales iónicas ) se utilizan comúnmente como sinónimos de masa molar, y difieren solo en las unidades ( daltons vs g/mol); sin embargo, las fuentes más autorizadas la definen de manera diferente. La diferencia es que la masa molecular es la masa de una partícula o molécula específica, mientras que la masa molar es un promedio de muchas partículas o moléculas.

La masa molar es una propiedad intensiva de la sustancia, que no depende del tamaño de la muestra. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad coherente de masa molar es kg/mol. Sin embargo, por razones históricas, las masas molares casi siempre se expresan en g/mol.

El mol se definió de tal manera que la masa molar de un compuesto, en g/mol, es numéricamente igual a la masa promedio de una molécula o unidad de fórmula, en daltons. Era exactamente igual antes de la redefinición del mol en 2019 , y ahora es solo aproximadamente igual, pero la diferencia es insignificante para todos los fines prácticos. Así, por ejemplo, la masa promedio de una molécula de agua es de aproximadamente 18,0153 daltons, y la masa molar del agua es de aproximadamente 18,0153 g/mol.

En el caso de los elementos químicos sin moléculas aisladas, como el carbono y los metales, la masa molar se calcula dividiendo por el número de moles de átomos. Así, por ejemplo, la masa molar del hierro es de aproximadamente 55,845 g/mol.

Desde 1971, el SI definió la "cantidad de sustancia" como una dimensión de medida separada . Hasta 2019, el mol se definía como la cantidad de sustancia que tiene tantas partículas constituyentes como átomos hay en 12 gramos de carbono-12 . Durante ese período, la masa molar del carbono-12 era exactamente 12 g/mol, por definición. Desde 2019, un mol de cualquier sustancia ha sido redefinido en el SI como la cantidad de esa sustancia que contiene un número exactamente definido de partículas.6.022 140 76 × 10 ²³ . La masa molar de un compuesto en g/mol es entonces igual a la masa de este número de moléculas del compuesto en gramos.

Masas molares de los elementos

La masa molar de los átomos de un elemento viene dada por la masa atómica relativa del elemento multiplicada por la constante de masa molar , M _u ≈ 1.000 000 × 10 ⁻³ kg/mol = 1 g/mol. Para muestras normales de la Tierra con una composición isotópica típica, el peso atómico se puede aproximar mediante el peso atómico estándar ^[2] o el peso atómico convencional.

{\begin{array}{lll}M({\ce {H}})&=1.00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=1.00797(7){\text{ g/mol}}\\M({\ce {S}})&=32.065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=32.065(5){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Cl}})&=35.453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=35.453(2){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Fe}})&=55.845(2)\times M_{\mathrm {u} }&=55.845(2){\text{ g/mol}}\end{matriz}}

Al multiplicar por la constante de masa molar se garantiza que el cálculo sea dimensionalmente correcto: las masas atómicas relativas estándar son cantidades adimensionales (es decir, números puros), mientras que las masas molares tienen unidades (en este caso, gramos por mol).

Algunos elementos se encuentran habitualmente en forma de moléculas , por ejemplo, _el_hidrógeno ( H2 ) , _el azufre ( S8 ), el cloro ( Cl2 ). La masa molar de las moléculas de estos elementos es la masa molar de los átomos multiplicada por el número de átomos de cada molécula:

{\begin{array}{lll}M({\ce {H2}})&=2\times 1.00797(7)\times M_{\mathrm {u} }&=2.01595(4){\text{ g/mol}}\\M({\ce {S8}})&=8\times 32.065(5)\times M_{\mathrm {u} }&=256.52(4){\text{ g/mol}}\\M({\ce {Cl2}})&=2\times 35.453(2)\times M_{\mathrm {u} }&=70.906(4){\text{ g/mol}}\end{array}}

Masas molares de compuestos

La masa molar de un compuesto se da por la suma de la masa atómica relativa $A r$ de los átomos que forman el compuesto multiplicada por la constante de masa molar : $M_{u}\aprox 1{\text{ g/mol}}$

M=M_{\rm {u}}M_{\rm {r}}=M_{\rm {u}}\sum _{i}{A_{\rm {r}}}_{i}.

Aquí, $M r$ es la masa molar relativa, también llamada peso fórmula. Para muestras normales de la Tierra con una composición isotópica típica, se puede utilizar el peso atómico estándar o el peso atómico convencional como aproximación de la masa atómica relativa de la muestra. Algunos ejemplos son: ${\begin{array}{ll}M({\ce {NaCl}})&={\bigl [}22.98976928(2)+35.453(2){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=58.443(2){\text{ g/mol}}\\[4pt]M({\ce {C12H22O11}})&={\bigl [}12\times 12.0107(8)+22\times 1.00794(7)+11\times 15.9994(3){\bigr ]}\times 1{\text{ g/mol}}\\&=342.297(14){\text{ g/mol}}\end{array}}$

Se puede definir una masa molar promedio para mezclas de compuestos. ^[1] Esto es particularmente importante en la ciencia de polímeros , donde generalmente hay una distribución de masa molar de polímeros no uniforme, de modo que diferentes moléculas de polímeros contienen diferentes números de unidades monoméricas . ^[3]^[4]

Masa molar media de mezclas

La masa molar promedio de las mezclas se puede calcular a partir de las fracciones molares $x$ $i$ de los componentes y sus masas molares $M$ $i$ : ${\overline {M}}$

{\overline {M}}=\sum _{i}x_{i}M_{i}.

También se puede calcular a partir de las fracciones de masa $w i$ de los componentes:

{\frac {1}{\overline {M}}}=\sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}.

A modo de ejemplo, la masa molar media del aire seco es de 28,96 g/mol. ^[5]

Cantidades relacionadas

La masa molar está estrechamente relacionada con la masa molar relativa ( $M r$ ) de un compuesto y con los pesos atómicos estándar de sus elementos constituyentes. Sin embargo, debe distinguirse de la masa molecular (que, de manera confusa, también se conoce a veces como peso molecular), que es la masa de una molécula (de cualquier composición isotópica individual ), y de la masa atómica , que es la masa de un átomo (de cualquier isótopo individual ). El dalton , símbolo Da, también se utiliza a veces como unidad de masa molar, especialmente en bioquímica , con la definición 1 Da = 1 g/mol, a pesar del hecho de que es estrictamente una unidad de masa (1 Da = 1 u =1.660 539 068 92 (52) × 10 ⁻²⁷ kg , según los valores recomendados por CODATA para 2022). ^[6]

Entre los términos obsoletos para la masa molar se encuentran la masa atómica gramo , que representa la masa, en gramos, de un mol de átomos de un elemento, y la masa molecular gramo, que representa la masa, en gramos, de un mol de moléculas de un compuesto. El término átomo-gramo era un término anterior para referirse a un mol de átomos, y el término molécula-gramo para referirse a un mol de moléculas. ^[7]

El peso molecular (PM) (para compuestos moleculares) y el peso fórmula (PF) (para compuestos no moleculares) son términos más antiguos para lo que ahora se denomina más correctamente masa molar relativa ( $M r$ ). ^[8] Esta es una cantidad adimensional (es decir, un número puro, sin unidades) igual a la masa molar dividida por la constante de masa molar . ^{[notas 1]}

Masa molecular

La masa molecular ( $m$ ) es la masa de una molécula dada: generalmente se mide en daltons (Da o u). ^[7] Diferentes moléculas del mismo compuesto pueden tener diferentes masas moleculares porque contienen diferentes isótopos de un elemento. Esto es distinto pero está relacionado con la masa molar, que es una medida de la masa molecular promedio de todas las moléculas en una muestra y generalmente es la medida más apropiada cuando se trata de cantidades macroscópicas (pesables) de una sustancia.

Las masas moleculares se calculan a partir de las masas atómicas de cada nucleido , mientras que las masas molares se calculan a partir de los pesos atómicos estándar ^[9] de cada elemento . El peso atómico estándar tiene en cuenta la distribución isotópica del elemento en una muestra dada (que generalmente se supone que es "normal"). Por ejemplo, el agua tiene una masa molar de18,0153(3) g/mol , pero las moléculas de agua individuales tienen masas moleculares que varían entre18.010 564 6863 (15) Da ( ¹ H ₂¹⁶ O ) y22,027 7364 ( 9 ) Da ( ^2H218O⁾_.

La distinción entre masa molar y masa molecular es importante porque las masas moleculares relativas se pueden medir directamente mediante espectrometría de masas , a menudo con una precisión de unas pocas partes por millón . Esto es lo suficientemente preciso como para determinar directamente la fórmula química de una molécula. ^[10]

Uso de la síntesis de ADN

El término peso de fórmula tiene un significado específico cuando se utiliza en el contexto de la síntesis de ADN: mientras que una nucleobase de fosforamidita individual que se añade a un polímero de ADN tiene grupos protectores y su peso molecular se expresa incluyendo estos grupos, la cantidad de peso molecular que finalmente se añade por esta nucleobase a un polímero de ADN se denomina peso de fórmula de la nucleobase (es decir, el peso molecular de esta nucleobase dentro del polímero de ADN, menos los grupos protectores). ^{[ cita requerida ]}

Precisión e incertidumbres

La precisión con la que se conoce una masa molar depende de la precisión de las masas atómicas a partir de las cuales se calculó (y muy ligeramente del valor de la constante de masa molar , que depende del valor medido del dalton ). La mayoría de las masas atómicas se conocen con una precisión de al menos una parte en diezmil, a menudo mucho mejor ^[2] (la masa atómica del litio es una notable y seria ^[11] excepción). Esto es adecuado para casi todos los usos normales en química: es más preciso que la mayoría de los análisis químicos y supera la pureza de la mayoría de los reactivos de laboratorio.

La precisión de las masas atómicas, y por tanto de las masas molares, está limitada por el conocimiento de la distribución isotópica del elemento. Si se requiere un valor más preciso de la masa molar, es necesario determinar la distribución isotópica de la muestra en cuestión, que puede ser diferente de la distribución estándar utilizada para calcular la masa atómica estándar. Las distribuciones isotópicas de los diferentes elementos de una muestra no son necesariamente independientes entre sí: por ejemplo, una muestra que ha sido destilada estará enriquecida con los isótopos más ligeros de todos los elementos presentes. Esto complica el cálculo de la incertidumbre estándar en la masa molar.

Una convención útil para el trabajo de laboratorio normal es citar las masas molares con dos decimales para todos los cálculos. Esto es más preciso de lo que se requiere habitualmente, pero evita errores de redondeo durante los cálculos. Cuando la masa molar es mayor que 1000 g/mol, rara vez es apropiado utilizar más de un decimal. Estas convenciones se siguen en la mayoría de los valores tabulados de masas molares. ^[12]^[13]

Medición

Las masas molares casi nunca se miden directamente. Se pueden calcular a partir de masas atómicas estándar y suelen figurar en catálogos químicos y en hojas de datos de seguridad (SDS). Las masas molares suelen variar entre:

1–238 g/mol para átomos de elementos naturales;

10–1000 g/mol para compuestos químicos simples ;

1000–5 000 000 g/mol para polímeros , proteínas , fragmentos de ADN , etc.

Si bien en la práctica las masas molares casi siempre se calculan a partir de los pesos atómicos, también se pueden medir en ciertos casos. Estas mediciones son mucho menos precisas que las mediciones espectrométricas de masas modernas de pesos atómicos y masas moleculares, y su interés es principalmente histórico. Todos los procedimientos se basan en propiedades coligativas y se debe tener en cuenta cualquier disociación del compuesto.

Densidad de vapor

La medición de la masa molar mediante la densidad del vapor se basa en el principio, enunciado por primera vez por Amedeo Avogadro , de que volúmenes iguales de gases en condiciones idénticas contienen cantidades iguales de partículas. Este principio está incluido en la ecuación del gas ideal :

pV=nRT,

donde $n$ es la cantidad de sustancia . La densidad de vapor ( $ρ$ ) viene dada por

\rho ={{nM} \over {V}}.

La combinación de estas dos ecuaciones da una expresión para la masa molar en términos de la densidad de vapor para condiciones de presión y temperatura conocidas :

M={{RT\rho } \over {p}}.

Depresión del punto de congelación

El punto de congelación de una solución es menor que el del disolvente puro , y la depresión del punto de congelación ( $Δ T$ ) es directamente proporcional a la concentración de la cantidad para soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante crioscópica ( $K f$ ) y es característica de cada disolvente. Si $w$ representa la fracción de masa del soluto en solución, y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar viene dada por

M={{wK_{\text{f}}} \over {\Delta T}}.\

Elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una solución de un soluto no volátil es mayor que el del disolvente puro , y la elevación del punto de ebullición ( $Δ T$ ) es directamente proporcional a la concentración de la cantidad para soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante ebulloscópica ( $K b$ ) y es característica de cada disolvente. Si $w$ representa la fracción de masa del soluto en solución, y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar está dada por

M={{wK_{\text{b}}} \over {\Delta T}}.\

Véase también

Mapa de moles (química)

Referencias

^ ab Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (1993). Cantidades, unidades y símbolos en química física , 2.ª edición, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8 . pág. 41. Versión electrónica.
^ ab Wieser, ME (2006), "Pesos atómicos de los elementos 2005" (PDF) , Química pura y aplicada , 78 (11): 2051–66, doi : 10.1351/pac200678112051
^ "Unión internacional de química pura y aplicada, comisión de nomenclatura macromolecular, nota sobre la terminología de las masas molares en la ciencia de los polímeros". Journal of Polymer Science: Polymer Letters Edition . 22 (1): 57. 1984. Bibcode :1984JPoSL..22...57.. doi :10.1002/pol.1984.130220116.
^ Metanomski, WV (1991). Compendio de nomenclatura macromolecular . Oxford: Blackwell Science . Págs. 47-73. ISBN. 0-632-02847-5.
^ La caja de herramientas de ingeniería Masa molecular del aire
^ "Valor CODATA: constante de masa atómica". physics.nist.gov . Consultado el 21 de junio de 2024 .
^ ab Oficina Internacional de Pesas y Medidas (2006), El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (8.ª ed.), pág. 126, ISBN 92-822-2213-6, archivado (PDF) del original el 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "masa molar relativa". doi :10.1351/goldbook.R05270
^ "Pesos atómicos y composiciones isotópicas de todos los elementos". NIST . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
^ "Pautas para autores: diseño de artículos". RSC Publishing . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
^ Greenwood, Norman N. ; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann . pág. 21. ISBN 978-0-08-037941-8.
^ Véase, por ejemplo, Weast, RC, ed. (1972). Handbook of Chemistry and Physics (53.ª ed.). Cleveland, Ohio: Chemical Rubber Co.
^ Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; Hibbert, D. Brynn (4 de enero de 2018). "Interpretación y propagación de la incertidumbre de los pesos atómicos estándar (Informe técnico de la IUPAC)". Química pura y aplicada . 90 (2): 395–424. doi : 10.1515/pac-2016-0402 . S2CID 145931362.

Notas

^ La definición técnica es que la masa molar relativa es la masa molar medida en una escala donde la masa molar de los átomos de carbono 12 no unidos , en reposo y en su estado electrónico fundamental, es 12. La definición más simple dada aquí es equivalente a la definición completa debido a la forma en que se define la constante de masa molar .

Enlaces externos

Calculadora de masa molar HTML5 Archivado el 25 de abril de 2017 en la aplicación web y móvil Wayback Machine .
Calculadora de masa molar en línea con la incertidumbre de M y todos los cálculos mostrados
Calculadora de masa molar en línea Calculadora de masa molar y composición elemental
Complemento de estequiometría para Microsoft Excel Archivado el 11 de mayo de 2011 en Wayback Machine para el cálculo de pesos moleculares, coeficientes de reacción y estequiometría. Incluye pesos atómicos promedio y pesos isotópicos.
Masa molar: curso de química de segundo nivel.