Unidades de concentración de las soluciones
Fátima prepara tereré para toda la familia. Una jarra queda con una cucharada de azúcar y otra con cinco. Las dos son «tereré con azúcar», pero no saben igual. Para decir con precisión cuánto soluto hay en una solución, la química usa números: las unidades de concentración. En este apartado vas a aprender cuatro, y al final vas a poder pasar de una a otra.
Concentración: cuánto soluto hay
La concentración de una solución compara la cantidad de soluto con la cantidad de solución (o de solvente). Cuanto más soluto por la misma cantidad de solución, más concentrada está.
Recordá los nombres: la solución es la mezcla homogénea, el soluto es lo que se disuelve y el solvente es lo que disuelve (en el tereré, el azúcar es el soluto, el agua es el solvente y el conjunto es la solución).
$$\text{masa de solución} = \text{masa de soluto} + \text{masa de solvente}$$Hay varias unidades porque cada una sirve para algo distinto. Algunas usan masas (fáciles de pesar), otras usan moles (sirven para las reacciones).
| Unidad | Símbolo | Compara |
|---|---|---|
| Composición porcentual | % m/m | masa de soluto con masa de solución |
| Molaridad | $M$ | moles de soluto con litros de solución |
| Molalidad | $m$ | moles de soluto con kg de solvente |
| Normalidad | $N$ | equivalentes-gramo de soluto con litros de solución |
Composición porcentual
Indica cuántos gramos de soluto hay en cada $100\ \text{g}$ de solución. Es la unidad de las etiquetas: una lavandina «al 5 %» o un jugo «al 20 %».
$$\%\ \text{m/m} = \frac{\text{masa de soluto}}{\text{masa de solución}} \cdot 100$$La división da la fracción de la solución que es soluto. Al multiplicar por 100 pasamos esa fracción a «por cada 100».
Hay otras dos formas parecidas, que cambian lo que se mide:
-
% m/v: gramos de soluto por cada $100\ \text{mL}$ de solución.
-
% v/v: mL de soluto por cada $100\ \text{mL}$ de solución (para líquidos disueltos en líquidos).
Óscar disuelve $15\ \text{g}$ de sal en $135\ \text{g}$ de agua. Calculá el porcentaje en masa de la solución, es decir, los gramos de soluto por cada $100\ \text{g}$ de…
Óscar disuelve $15\ \text{g}$ de sal en $135\ \text{g}$ de agua. Calculá el porcentaje en masa de la solución, es decir, los gramos de soluto por cada $100\ \text{g}$ de solución.
Molaridad
Las reacciones ocurren entre cantidades de partículas, no de gramos. Por eso los químicos prefieren contar moles. La molaridad dice cuántos moles de soluto hay en un litro de solución:
$$M = \frac{n_{\text{soluto}}}{V_{\text{solución}}\ (\text{L})} \qquad n = \frac{\text{masa}}{\text{peso fórmula}}$$Una solución $2\ \text{M}$ tiene $2\ \text{mol}$ de soluto por cada litro de solución. Fijate que el volumen es de solución, no de solvente, y que va en litros.
Una solución de hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, contiene $20\ \text{g}$ de soluto en $500\ \text{mL}$ de solución. Calculá su molaridad. Datos: masas atómicas…
Una solución de hidróxido de sodio, $\text{NaOH}$, contiene $20\ \text{g}$ de soluto en $500\ \text{mL}$ de solución. Calculá su molaridad. Datos: masas atómicas $\text{Na}=23$, $\text{O}=16$, $\text{H}=1$.
Preparar, diluir y mezclar
Preparar una solución de molaridad conocida
De $M = n/V$ despejamos $n = M \cdot V$, y de ahí la masa a pesar: $\text{masa} = n \cdot \text{peso fórmula}$.
En el laboratorio se usa un matraz aforado (el de la figura anterior):
-
Calculá la masa de soluto y pesala en la balanza.
-
Disolvela en un vaso con un poco de agua destilada.
-
Pasá todo al matraz aforado, enjuagando el vaso para no perder soluto.
-
Completá con agua hasta la marca de aforo y agitá para homogeneizar.
Importa que el volumen final sea el pedido: no se agregan $250\ \text{mL}$ de agua, se completa hasta los $250\ \text{mL}$ de solución.
Dilución y mezcla
Al agregar solvente a una solución, el soluto sigue siendo el mismo: los moles no cambian, solo el volumen. Por eso:
$$n_{\text{inicial}} = n_{\text{final}} \quad\Rightarrow\quad M_1 \cdot V_1 = M_2 \cdot V_2$$Al mezclar dos soluciones del mismo soluto, se suman los moles y se suman los volúmenes (suponiendo volúmenes aditivos):
$$M_{\text{final}} = \frac{M_1 V_1 + M_2 V_2}{V_1 + V_2}$$Sofía necesita preparar $250\ \text{mL}$ de una solución de cloruro de sodio, $\text{NaCl}$, de concentración $0{,}2\ \text{M}$. Calculá cuántos gramos de $\text{NaCl}$…
Sofía necesita preparar $250\ \text{mL}$ de una solución de cloruro de sodio, $\text{NaCl}$, de concentración $0{,}2\ \text{M}$. Calculá cuántos gramos de $\text{NaCl}$ debe pesar y describí brevemente cómo prepararías la solución en el laboratorio. Datos: $\text{Na}=23$, $\text{Cl}=35{,}5$.
Rodrigo mezcla $100\ \text{mL}$ de una solución $2\ \text{M}$ de glucosa con $300\ \text{mL}$ de una solución $0{,}8\ \text{M}$ de la misma sustancia. Suponé que los…
Rodrigo mezcla $100\ \text{mL}$ de una solución $2\ \text{M}$ de glucosa con $300\ \text{mL}$ de una solución $0{,}8\ \text{M}$ de la misma sustancia. Suponé que los volúmenes son aditivos.
- a) Calculá la molaridad de la solución final.
- b) Calculá cuántos mililitros de agua habría que agregar a la solución final para que su concentración sea $0{,}5\ \text{M}$.
- c) Explicá por qué la cantidad de soluto en moles no cambia al diluir.
Molalidad
La molaridad usa el volumen de la solución, y el volumen cambia con la temperatura (el líquido se dilata). La molalidad usa la masa del solvente, que no depende de la temperatura:
$$m = \frac{n_{\text{soluto}}}{\text{masa de solvente (kg)}}$$Se mide en $\text{mol/kg}$. Observá la diferencia con la molaridad: acá el denominador es solo el solvente, en kilogramos.
Se disuelven $0{,}5\ \text{mol}$ de glucosa en $250\ \text{g}$ de agua. Calculá la molalidad de la solución, expresada en $\text{mol/kg}$ de solvente.
Se disuelven $0{,}5\ \text{mol}$ de glucosa en $250\ \text{g}$ de agua. Calculá la molalidad de la solución, expresada en $\text{mol/kg}$ de solvente.
Normalidad
Un mol de $\text{HCl}$ libera un mol de iones $\text{H}^+$, pero un mol de $\text{H}_2\text{SO}_4$ libera dos. Para comparar la «fuerza reactiva» de los ácidos conviene contar equivalentes.
La normalidad son los equivalentes-gramo de soluto por litro de solución:
$$N = \frac{\text{n.º de eq-g}}{V\ (\text{L})} \qquad N = M \cdot \theta$$La segunda fórmula es un atajo: como cada mol aporta $\theta$ equivalentes, la normalidad es $\theta$ veces la molaridad.
| Sustancia | $\theta$ | Relación |
|---|---|---|
| $\text{HCl}$ | 1 | $N = M$ |
| $\text{H}_2\text{SO}_4$ | 2 | $N = 2M$ |
| $\text{H}_3\text{PO}_4$ | 3 | $N = 3M$ |
| $\text{NaOH}$ | 1 | $N = M$ |
Una solución de ácido sulfúrico, $\text{H}2\text{SO}4$, se prepara disolviendo $49\ \text{g}$ del ácido en agua hasta completar $500\ \text{mL}$ de solución. Calculá: a)…
Una solución de ácido sulfúrico, $\text{H}_2\text{SO}_4$, se prepara disolviendo $49\ \text{g}$ del ácido en agua hasta completar $500\ \text{mL}$ de solución. Calculá:
- a) la molaridad;
- b) la normalidad, considerando que cada molécula libera dos iones $\text{H}^+$.
Datos: $\text{H}=1$, $\text{S}=32$, $\text{O}=16$.
Pasar de una unidad a otra
Las etiquetas de los frascos suelen dar % en masa y densidad, y el laboratorio pide molaridad. El puente es la densidad, que relaciona masa y volumen de la solución: $\rho = \text{masa}/V$.
Truco: elegí una base de cálculo, por ejemplo $1\ \text{L}$ (o $1.000\ \text{mL}$) de solución, y calculá paso a paso: masa de solución → masa de soluto → moles → molaridad.
Cuando el enunciado da masas de soluto y de solvente, se usan para el porcentaje y la molalidad. Para la molaridad hace falta el volumen de la solución: se obtiene de la masa total y la densidad, $V = \text{masa}/\rho$.
Un frasco de laboratorio indica: «solución de ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, al $36\ \%$ en masa, densidad $1{,}18\ \text{g/mL}$». Calculá la molaridad de esa…
Un frasco de laboratorio indica: «solución de ácido clorhídrico, $\text{HCl}$, al $36\ \%$ en masa, densidad $1{,}18\ \text{g/mL}$». Calculá la molaridad de esa solución. Datos: $\text{H}=1$, $\text{Cl}=35{,}5$.
Se prepara una solución disolviendo $9{,}8\ \text{g}$ de ácido fosfórico, $\text{H}3\text{PO}4$, en $200\ \text{g}$ de agua. La densidad de la solución resultante es…
Se prepara una solución disolviendo $9{,}8\ \text{g}$ de ácido fosfórico, $\text{H}_3\text{PO}_4$, en $200\ \text{g}$ de agua. La densidad de la solución resultante es $1{,}04\ \text{g/mL}$. Calculá:
- a) el porcentaje en masa;
- b) la molalidad;
- c) la molaridad;
- d) la normalidad, suponiendo que el ácido libera sus tres iones $\text{H}^+$.
Datos: $\text{H}=1$, $\text{P}=31$, $\text{O}=16$. Luego comparé la molaridad y la molalidad y explicá por qué sus valores no coinciden.
Volvé al principio: el tereré de Fátima es más dulce con cinco cucharadas porque tiene más soluto por cada litro de solución. Con una unidad de concentración, esa diferencia pasa a ser un número.