Concentración molar

Medida de concentración de una sustancia química

La concentración molar (también llamada molaridad , concentración de cantidad o concentración de sustancia ) es una medida de la concentración de una especie química , en particular, de un soluto en una solución , en términos de cantidad de sustancia por unidad de volumen de solución. En química , la unidad más comúnmente utilizada para la molaridad es el número de moles por litro , ^que tiene el símbolo de unidad mol/L o mol / dm3 en unidades del SI. Una solución con una concentración de 1 mol/L se dice que es 1  molar , comúnmente designado como 1 M o 1  M. La molaridad a menudo se representa con corchetes alrededor de la sustancia de interés; por ejemplo, la molaridad del ion hidrógeno se representa como [H ⁺ ].

Definición

La concentración molar o molaridad se expresa más comúnmente en unidades de moles de soluto por litro de solución . ^[1] Para su uso en aplicaciones más amplias, se define como la cantidad de sustancia de soluto por unidad de volumen de solución, o por unidad de volumen disponible para la especie, representada por minúsculas : ^[2] ${\displaystyle c}$

${\displaystyle c={\frac {n}{V}}={\frac {N}{N_{\text{A}}\,V}}={\frac {C}{N_{\text{A}}}}.}$

Aquí, es la cantidad de soluto en moles, ^[3] es el número de partículas constituyentes presentes en el volumen (en litros) de la solución, y es la constante de Avogadro , definida desde 2019 como exactamente ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle N_{\text{A}}}$6.022 140 76 × 10 ²³  mol ⁻¹ . La relación es la densidad numérica . ${\displaystyle {\frac {N}{V}}}$ ${\displaystyle C}$

En termodinámica , el uso de la concentración molar no suele ser conveniente porque el volumen de la mayoría de las soluciones depende ligeramente de la temperatura debido a la expansión térmica . Este problema suele resolverse introduciendo factores de corrección de temperatura o utilizando una medida de concentración independiente de la temperatura, como la molalidad . ^[3]

La cantidad recíproca representa la dilución (volumen) que puede aparecer en la ley de dilución de Ostwald .

Formalidad o concentración analítica

Si una molécula o sal se disocia en solución, la concentración se refiere a la fórmula química original en solución, la concentración molar a veces se denomina concentración formal o formalidad ( F _A ) o concentración analítica ( c _A ). Por ejemplo, si una solución de carbonato de sodio ( Na ₂ CO ₃ ) tiene una concentración formal de c ( Na ₂ CO ₃ ) = 1 mol/L, las concentraciones molares son c ( Na ⁺ ) = 2 mol/L y c ( CO2−3) = 1 mol/L porque la sal se disocia en estos iones. ^[4]

Unidades

En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad coherente para la concentración molar es mol / m3 . Sin embargo, la mayoría de la literatura química utiliza tradicionalmente mol / dm3 , que es lo mismo que mol / ^L . Esta unidad tradicional suele denominarse molar y ^se denota con la letra M, por ejemplo:

1 mol / m3 = ¹⁰⁻³ mol / dm3 = 10−3 ^mol / ^L = ^{10−3 M = 1 mM = 1} mmol / L  .

El prefijo del SI " mega " (símbolo M) tiene el mismo símbolo. Sin embargo, el prefijo nunca se utiliza solo, por lo que "M" denota inequívocamente molar. Los submúltiplos, como "milimolar" (mM) y "nanomolar" (nM), consisten en la unidad precedida por un prefijo del SI :

Cantidades relacionadas

Concentración numérica

La conversión a concentración numérica viene dada por ${\displaystyle C_{i}}$

${\displaystyle C_{i}=c_{i}N_{\text{A}},}$

¿Dónde está la constante de Avogadro ? ${\displaystyle N_{\text{A}}}$

Concentración de masa

La conversión a concentración de masa se da por ${\displaystyle \rho _{i}}$

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

¿Dónde está la masa molar del constituyente ? ${\displaystyle M_{i}}$ ${\displaystyle i}$

Fracción molar

La conversión a fracción molar se da por ${\displaystyle x_{i}}$

${\displaystyle x_{i}=c_{i}{\frac {\overline {M}}{\rho }},}$

donde es la masa molar promedio de la solución, es la densidad de la solución. ${\displaystyle {\overline {M}}}$ ${\displaystyle \rho }$

Se puede obtener una relación más simple considerando la concentración molar total, es decir, la suma de las concentraciones molares de todos los componentes de la mezcla:

${\displaystyle x_{i}={\frac {c_{i}}{c}}={\frac {c_{i}}{\sum _{j}c_{j}}}.}$

Fracción de masa

La conversión a fracción de masa se da por ${\displaystyle w_{i}}$

${\displaystyle w_{i}=c_{i}{\frac {M_{i}}{\rho }}.}$

Molalidad

Para mezclas binarias, la conversión a molalidad es ${\displaystyle b_{2}}$

${\displaystyle b_{2}={\frac {c_{2}}{\rho -c_{1}M_{1}}},}$

donde el disolvente es la sustancia 1 y el soluto es la sustancia 2.

Para soluciones con más de un soluto, la conversión es

${\displaystyle b_{i}={\frac {c_{i}}{\rho -\sum _{j\neq i}c_{j}M_{j}}}.}$

Propiedades

Suma de concentraciones molares: relaciones normalizadoras

La suma de las concentraciones molares da la concentración molar total, es decir, la densidad de la mezcla dividida por la masa molar de la mezcla o, con otro nombre, el recíproco del volumen molar de la mezcla. En una solución iónica, la fuerza iónica es proporcional a la suma de las concentraciones molares de las sales.

Suma de productos de concentraciones molares y volúmenes molares parciales

La suma de los productos entre estas cantidades es igual a uno:

${\displaystyle \sum _{i}c_{i}{\overline {V_{i}}}=1.}$

Dependencia del volumen

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

${\displaystyle c_{i}={\frac {c_{i,T_{0}}}{1+\alpha \Delta T}},}$

donde es la concentración molar a una temperatura de referencia, es el coeficiente de expansión térmica de la mezcla. ${\displaystyle c_{i,T_{0}}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Ejemplos

• Se disuelven 11,6 g de NaCl en 100 g de agua. La concentración final de masa ρ (NaCl) es

  ρ (NaCl) = ⁠11,6 gramos/11,6 gramos + 100 gramos⁠ = 0,104 g/g = 10,4 %.

  El volumen de dicha solución es 104,3 ml (el volumen es directamente observable); su densidad se calcula en 1,07 (111,6 g/104,3 ml).

  Por lo tanto, la concentración molar de NaCl en la solución es

  c (NaCl) = ⁠11,6 gramos/58 g/mol⁠ / 104,3 ml = 0,00192 mol/ml = 1,92 mol/l.

  Aquí, 58 g/mol es la masa molar de NaCl.
• Una tarea típica en química es la preparación de 100 mL (= 0,1 L) de una solución de 2 mol/L de NaCl en agua. La masa de sal necesaria es

  m (NaCl) = 2 mol/L × 0,1 L × 58 g/mol = 11,6 g.

  Para crear la solución, se colocan 11,6 g de NaCl en un matraz aforado , se disuelven en un poco de agua y luego se agrega más agua hasta que el volumen total alcance 100 mL.
• La densidad del agua es de aproximadamente 1000 g/L y su masa molar es de 18,02 g/mol (o 1/18,02 = 0,055 mol/g). Por lo tanto, la concentración molar del agua es

  c ( _H2O ) = ⁠1000 g/l/18,02 g/mol⁠ ≈ 55,5 mol/L.

  Del mismo modo, la concentración de hidrógeno sólido (masa molar = 2,02 g/mol) es

  c (H2 ₎ = ⁠88 g/l/2,02 g/mol⁠ = 43,7 mol/L.

  La concentración de tetróxido de osmio puro (masa molar = 254,23 g/mol) es

  c (OsO4 ₎ = ⁠5,1 kg/l/254,23 g/mol⁠ = 20,1 mol/L.

• Una proteína típica en bacterias , como E. coli , puede tener alrededor de 60 copias y el volumen de una bacteria es de aproximadamente 10 ⁻¹⁵  L. Por lo tanto, la concentración numérica C es
  C = 60 / (10 ⁻¹⁵ L) = 6 × 10^16L − ¹ .
  La concentración molar es

  c = ⁠do/N / _A⁠ = ⁠6 × 10¹⁶ litros ^-1/6 × 10²³ moles ⁻¹⁠ = 10 ⁻⁷ mol/L = 100 nmol/L.

• Rangos de referencia para análisis de sangre , ordenados por concentración molar:
  

Véase también

• Molalidad
• Órdenes de magnitud (concentración molar)

Referencias

1. Tro, Nivaldo J. (6 de enero de 2014). Fundamentos de química introductoria (quinta edición). Boston. pág. 457. ISBN 9780321919052.OCLC 857356651  .{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
2. IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "cantidad concentración, c". doi :10.1351/goldbook.A00295
3. Kaufman, Myron (2002). Principios de termodinámica . CRC Press. pág. 213. ISBN 0-8247-0692-7.
4. Harvey, David (15 de junio de 2020). «2.2: Concentración». Chemistry LibreTexts . Consultado el 15 de diciembre de 2021 .

Enlaces externos

• Calculadora de concentración de solución molar
• Experimento para determinar la concentración molar de vinagre por titulación