Concentración
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La concentración es la magnitud física que expresa la cantidad de un elemento o un compuesto por unidad de volumen. En el SI se emplean las unidades mol·m-3. Cada substancia tiene una solubilidad que es la cantidad máxima de soluto que puede disolverse en una disolución, y depende de condiciones como la temperatura, presión, y otras substancias disueltas o en suspensión.
En química, para expresar cuantitativamente la proporción entre un soluto y el disolvente en una disolución se emplean distintas unidades: molaridad, normalidad, molalidad, formalidad, porcentaje en peso, porcentaje en volumen, fracción molar, partes por millón, partes por billón, partes por trillón, etc. También se puede expresar cualitativamente empleando términos como diluido, para bajas concentraciones, o concentrado, para altas.
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Molaridad
La molaridad (M) es el número de moles de soluto por litro de disolución. Por ejemplo, si se disuelven 0,5 moles de soluto en 100 mL de disolución, se tiene una concentración de ese soluto de 5,0 M (5,0 molar). Para preparar una disolución de esta concentración normalmente se disuelve primero el soluto en un volumen menor, por ejemplo 30 mL, y se traslada esa disolución a un matraz aforado, para después rellenarlo con más disolvente hasta los 100 mL.
Es el método más común de expresar la concentración en química. Sin embargo, tiene el inconveniente de que el volumen cambia con la temperatura.
Molalidad
La molalidad (m) es el número de moles de soluto por kilogramo de disolvente. Para preparar disoluciones de una determinada molalidad en un soluto, no se emplea un matraz aforado como en el caso de la molaridad, sino que se puede hacer en un vaso de precipitados y pesando con una balanza analítica.
Es menos empleada que la molaridad, aunq puede medirse con mayor precisión y además no importan en este caso los cambios de temperatura. (El mol o molécula gramo es la unidad básica del Sistema Internacional de Unidades que mide la cantidad de sustancia; se representa con el símbolo mol. Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene la misma cantidad de partículas que átomos hay en 0,012 kg de carbono 12).
Formalidad
La formalidad (F) es el número de peso-fórmula-gramo por litro de solución.
F = # PFG / volumen (litro solución)
El número de peso-fórmula-gramo tiene unidad de gr. / PFG.
Normalidad
La normalidad (N) es el número de equivalentes de soluto por litro de disolución.
Un equivalente de una sustancia se puede expresar de la siguiente forma:
- equivalente = (moles de la sustancia) / n
Siendo n el número de partículas que ésta cede o acepta, denominado valencia. En sustancias que participan en reacciones ácido-base n es el número de H+ o OH- que puede ceder, por ejemplo para el HCl n = 1 y para el Ca(OH)2 n = 2. Para reacciones rédox, n es el número de electrones implicados en la reacción. Cuando n = 1, la normalidad coincide con la molaridad.
Como n depende del proceso que tenga lugar, el uso de la normalidad está desaconsejado, aunque todavía sigue bastante extendido.
Fracción molar
La fracción molar de un soluto S (Xsoluto) es la relación entre el número de moles del soluto y el número total de moles de la disolución, usada frecuentemente para gases. Se define como:
- Xsoluto=nsoluto/ntotal,
siendo nsoluto el número de moles del soluto S, y ntotal el número total de moles de todos los solutos en disolución.
Como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando estas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la fracción molar no está en función del volumen, esta es independiente de la temperatura y la presión. A demás cabe notar que en los gases ideales la variación del volumen será proporcional para cada uno de los solutos, y por lo tanto también para la solución. De esta manera hay una relación directa entre las fracciones molares y los volúmenes parciales.
Por ejemplo, en una mezcla binaria de 6 moles de etanol y 4 moles de agua, lo que da un total de 10 moles, la fracción molar del etanol es de 6/10 = 0,6; mientras que la fracción molar del agua es 4/10 = 0,4. La suma de todas las fracciones molares de una mezcla da como resultado la unidad.
ppm, ppb y ppt
Es común emplear para expresar concentraciones pequeñas las relaciones partes por millón (ppm), partes por "billón" (ppb) y partes por "trillón" (ppt). El millón equivale a 106, el billón estadounidense, o millardo, a 109 y el trillón estadounidense a 1012.
Las unidades más comunes en las que se usan son las siguientes:
- ppmm = μg·g-1
- ppmv = μg·ml-1
- ppbm = ng·g-1
- ppbv = ng·ml-1
- pptm = pg·g-1
- pptv = pg·ml-1
Nota: Se pone una m o una v al final según se trate de partes en volumen o en masa.
Sin embargo, a veces se emplean otras unidades. Por ejemplo, 1 ppm de CO2 en aire podría ser, en algunos contextos, una molécula de CO2 en un millón de moléculas de aire.
También se habla a veces de relaciones más pequeñas, por ejemplo "cuatrillón". Sin embargo son concentraciones excesivamente pequeñas y no se suelen emplear.
La IUPAC desaconseja el uso de estas relaciones (especialmente en el caso de masa entre volumen) y recomienda usar las unidades correspondientes.
