DISOLUCIONES, PROPIEDADES COLIGATIVAS Y SU USO COTIDIANO EN LA COMUNIDAD

Concentración Química: Expresión, Unidades, Molalidad

La concentración química es la medida numérica de la cantidad relativa de soluto en una solución.  Esta medida expresa una relación del soluto respecto a una cantidad o volumen del solvente o de la solución en unidades de concentración. El término «concentración» se vincula con la cantidad de soluto presente: una solución estará más concentrada mientras más soluto posea.

Estas unidades pueden ser físicas cuando se toma en cuenta las magnitudes de masa y/o volumen de los componentes de la solución o químicas, cuando la concentración del soluto viene expresada en función de sus moles o equivalentes, tomando como referencia el número de Avogadro.

Así, mediante el uso de los pesos moleculares u atómicos, y el número de Avogadro, es posible convertir las unidades físicas en químicas al momento de expresar la concentración de determinado soluto. Por lo tanto, todas las unidades pueden convertirse para una misma solución.

Soluciones diluidas y concentradas

¿Cómo puede advertirse si una concentración está muy diluida o concentrada? A primera vista por la manifestación de cualquiera de sus propiedades organolépticas o químicas; es decir, aquellas que perciben los sentidos o que pueden medirse.

En la imagen superior se muestra una dilución de una concentración de dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇), la cual exhibe un color anaranjado. De izquierda a derecha puede apreciarse cómo el color disminuye su intensidad a medida que se diluye la concentración, agregando más solvente.

Esta dilución permite obtener de esta manera una concentración diluida a partir de una concentrada. El color (y otras propiedades “ocultas” en su seno anaranjado) cambia del mismo modo como lo hace su concentración, ya sea con las unidades físicas o químicas.

Pero, ¿cuáles son las unidades químicas de concentración? Entre ellas se encuentran la molaridad o concentración molar de una solución, la cual relaciona los moles de soluto por el volumen total de la solución en litros.

También se tiene la molalidad o denominada igualmente como concentración molal, la cual se refiere a los moles de soluto pero que se contienen en una cantidad estandarizada del solvente o disolvente que es exactamente un kilogramo.

Este disolvente puede ser puro o si la solución contiene más de un disolvente la molalidad será los moles del soluto por kilogramo de la mezcla de disolventes.

Y la tercera unidad de concentración química es la normalidad o concentración normal de una solución que expresa el número de equivalentes químicos del soluto por litro de la solución.

La unidad en la que se expresa la normalidad es en equivalentes por litro (Eq/L) y en medicina la concentración de los electrolitos del suero humano se expresa en miliequivalentes por litro (mEq/L).

Formas de expresar la concentración

La concentración de una solución se puede denotar de tres maneras principales, aun cuando estas tengan una gran variedad de términos y unidades en sí, que puedan utilizarse para expresar la medida de este valor: la descripción cualitativa, la notación cuantitativa y la clasificación en términos de solubilidad.

Dependiendo del lenguaje y contexto en el cual se está trabajando, se escogerá una de las tres maneras para expresar la concentración de una mezcla.

Descripción cualitativa

Utilizada principalmente en lenguaje informal y no-técnico, la descripción cualitativa de la concentración de una mezcla se expresa en forma de adjetivos, los cuales indican de manera generalizada el nivel de concentración que posee una solución.

De esta manera, el nivel mínimo de concentración según la descripción cualitativa es el de una solución «diluida», y el máximo es el de «concentrada».

Se habla de disoluciones diluidas cuando una solución posee una proporción muy baja de soluto en función del volumen total de la solución. Si se desea diluir una solución, se debe agregar una mayor cantidad de solvente o buscar la manera de reducir el soluto.

Ahora, se habla de soluciones concentradas cuando estas tienen una alta proporción de soluto en función del volumen total de solución. Para concentrar una solución se debe agregar más soluto, o bien reducir la cantidad de solvente.

En este sentido, se hace llamar descripción cualitativa a esta clasificación, no solo porque carece de mediciones matemáticas sino por su calidad empírica (se puede atribuir a rasgos visuales, olores y sabores, sin necesidad de pruebas científicas).

Clasificación por solubilidad

La solubilidad de una concentración denota la capacidad máxima de soluto que posee una disolución, dependiendo de condiciones como temperatura, presión y las sustancias que están disueltas o en suspensión.

Las soluciones pueden clasificarse en tres tipos según su nivel de soluto disuelto al momento de la medición: disoluciones insaturadas, saturadas y sobresaturadas.

– Las soluciones insaturadas son aquellas que contienen una cantidad menor de soluto de la que puede disolver la solución. En este caso, la solución no ha llegado a su concentración máxima.

– Las soluciones saturadas son aquellas en las que se ha disuelto la máxima cantidad de soluto posible en el solvente a una temperatura específica. En este caso existe un equilibrio entre ambas sustancias y la solución no puede aceptar más soluto (ya que pasará a precipitarse).

– Las soluciones sobresaturadas tienen más soluto del que la solución aceptaría en condiciones de equilibrio. Esto se logra al calentar una solución saturada, añadiendo más soluto del normal. Una vez fría no precipitará el soluto automáticamente, pero cualquier perturbación puede causar este efecto por su inestabilidad.

Notación cuantitativa

Al momento de estudiar una solución para emplearse en el ámbito técnico o científico, se requiere de una precisión medida y expresada en unidades, las cuales describen la concentración según sus valores exactos de masa y/o volumen.

Es por esto que existe una serie de unidades utilizadas para expresar la concentración de una solución en su notación cuantitativa, las cuales se dividen en físicas y químicas, y que a su vez poseen sus propias subdivisiones.

Las unidades de concentraciones físicas son aquellas de «concentración relativa», las cuales se expresan en función de porcentajes. Existen tres maneras de expresar las concentraciones porcentuales: porcentajes de masa, porcentajes en volumen y porcentajes de masa-volumen.

En cambio, las unidades de concentraciones químicas se basan en las cantidades molares, equivalentes por gramo, partes por millón y otras características del soluto con respecto a la solución.

Estas unidades son las más comunes por su alta precisión a la hora de medir concentraciones, y por esto suelen ser las que se desea conocer para trabajar con disoluciones químicas.

Unidades de concentración

Como se ha descrito en las secciones previas, al momento de caracterizar cuantitativamente la concentración de una solución, los cálculos deben regirse por las unidades existentes para tal fin.

Asimismo, las unidades de concentración se dividen en aquellas de concentración relativa, las de concentraciones diluidas, aquellas basadas en moles, y otras adicionales.

Unidades de concentración relativa

Las concentraciones relativas son aquellas expresadas en porcentajes, como se nombró en la sección anterior. Estas unidades se dividen en el porcentaje masa-masa, el porcentaje volumen-volumen y el porcentaje masa-volumen, y se calculan de la siguiente manera:

– % masa = masa de soluto (g) / masa de disolución total (g) x 100

– % volumen = volumen de soluto (ml) / volumen de disolución total (ml) x 100

– % masa/volumen = masa de soluto (g) / volumen de disolución total (ml) x 100

En este caso, para calcular la masa o volumen de disolución total se debe sumar la masa o volumen del soluto con el del solvente.

Unidades de concentración diluida

Las unidades de concentración diluida son aquellas que se utilizan para expresar aquellas concentraciones muy pequeñas que se hallan en forma de trazas dentro de una solución diluida; el uso más común que se le presenta a estas unidades es para hallar trazas de un gas disuelto en otro, como lo agentes que contaminan el aire.

Estas unidades se indican en forma de partes por millón (ppm), partes por billón (ppb), y partes por trillón (ppt), y se expresan de la siguiente manera:

– ppm = 1 mg soluto /1 L solución

– ppb = 1 μg soluto / 1 L solución

– ppt = 1 ng soluto / 1 L solución

En estas expresiones mg es igual a miligramos (0,001 g), μg es igual a microgramos (0,000001 g) y ng es igual a nanogramos (0,000000001 g). Estas unidades también pueden ser expresadas en función de volumen/volumen.

Unidades de concentración en función a moles

Las unidades de concentración basadas en moles son aquellas de la fracción molar, el porcentaje molar, la molaridad y la molalidad (estas dos últimas se describen mejor al final del artículo).

La fracción molar de una sustancia es la fracción de todas sus moléculas (o átomos) constituyentes en función de las moléculas o átomos totales. Se calcula de la siguiente manera:

X_A = número de moles de la sustancia A / número total de moles en solución

Este procedimiento se repite para las otras sustancias en solución, tomando en cuenta que la suma de X_A + X_B + X_C … debe ser igual a uno.

El porcentaje molar se trabaja de manera parecida a X_A, solo que en función a porcentaje:

Porcentaje molar de A = X_A x 100%

En la sección final se hablará sobre molaridad y molalidad de forma detallada.

Formalidad y normalidad

Por último, existen dos unidades de concentración que actualmente se encuentran en desuso: la formalidad y la normalidad.

La formalidad de una solución representa el número de peso-fórmula-gramo por litro de solución total. Se expresa como:

F = Nº P.F.G / L solución

En esta expresión P.F.G es igual al peso de cada átomo de la sustancia, expresado en gramos.

En cambio, la normalidad representa el número de equivalentes de soluto divididos entre los litros de solución, como se expresa a continuación:

N = equivalentes gramos de soluto / L solución

En dicha expresión los equivalentes gramos de soluto pueden calcularse por el número de moles H⁺, OH^– u otros métodos, dependiendo del tipo de molécula.