Concentración de masa (química)

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

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

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

En el caso de una sustancia química pura, la concentración másica es igual a su densidad (masa dividida por volumen); por lo tanto, la concentración másica de un componente de una mezcla puede denominarse densidad de un componente de una mezcla. Esto explica el uso de ρ (la letra griega minúscula rho ), el símbolo que se utiliza con más frecuencia para la densidad.

Definición y propiedades

El volumen V en la definición se refiere al volumen de la solución, no al volumen del disolvente . Un litro de solución suele contener un poco más o un poco menos de un litro de disolvente porque el proceso de disolución hace que el volumen del líquido aumente o disminuya. A veces, la concentración másica se denomina 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 diferenciarlas por un símbolo adicional (como un superíndice de estrella, un símbolo en negrita o varrho ).

Dependencia del volumen

La concentración de masa depende de la variación del volumen de la solución debido principalmente a la expansión térmica. En intervalos pequeños 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 de masa a una temperatura de referencia, α es el coeficiente de expansión térmica de la mezcla.

Suma de concentraciones de masa: relación normalizadora

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

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

Por lo tanto, para el componente puro, la concentración de masa es igual a la densidad del componente puro.

Unidades

La unidad del SI para la concentración de masa es kg/m3 ⁽ kilogramo / metro cúbico ). Es lo mismo que mg / mL y g/L. Otra unidad de uso común es g/(100 mL), que es idéntica a g/dL ( gramo / decilitro ).

Uso en biología

En biología y medicina , el símbolo " % " se usa ampliamente en un sentido inapropiado para denotar 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). Los nombres comunes de las soluciones de azúcar intravenosas, como D5W y D50W , reflejan esta convención. La notación es matemáticamente defectuosa porque la unidad " % " solo se puede usar para cantidades adimensionales. "Solución porcentual" o "solución porcentual" son términos que se reservan mejor para "soluciones de porcentaje de masa" (m/m = m% = masa de soluto/masa de solución total después de mezclar), o "soluciones de porcentaje de volumen" (v/v = v% = volumen de soluto por volumen de solución total después de mezclar). Los términos muy ambiguos "solución porcentual" y "soluciones porcentuales" sin otros calificadores, continúan encontrándose ocasionalmente.

Este uso común de % para significar m/v en biología se debe a que muchas soluciones biológicas son diluidas y basadas en agua, una solución acuosa . El agua líquida tiene una densidad de aproximadamente 1 g/cm ³ (1 g/mL). Por lo 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 a veces la notación de masa por volumen. Un ejemplo extremo es la solución saturada de yoduro de potasio (SSKI) que alcanza una concentración másica de yoduro de potasio de 100 "%" m/v (1 gramo de KI por 1 mL de solución) sólo porque la solubilidad de la sal densa KI es extremadamente alta en agua, y la solución resultante es muy densa (1,72 veces más densa que el agua).

Aunque existen ejemplos que indican lo contrario, se debe enfatizar que las "unidades" de % p/v que se usan comúnmente son gramos por mililitro (g/mL). A veces se piensa que las soluciones al 1% m/v son gramos/100 mL, pero esto resta valor 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 ocurrir desviaciones del comportamiento ideal de la solución con altas concentraciones de soluto.

En las soluciones, la concentración de masa se expresa comúnmente como la relación masa/[volumen de la solución], o m/v. En soluciones acuosas que contienen cantidades relativamente pequeñas de soluto disuelto (como en biología), dichas cifras se pueden "convertir en porcentaje" multiplicando por 100 la relación de gramos de soluto por ml de solución. El resultado se expresa como "porcentaje de masa/volumen". Esta convención expresa la concentración de masa 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 de masa sólo en el caso de sustancias puras, para las cuales la concentración de masa 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 c _i viene dada por:

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

donde M _i 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 (másica y molar) diferentes en el espacio desencadenan el fenómeno de difusión .

Referencias

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