Concentración

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.

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.

$M = \frac{n}{V}=\frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{litros de disolucion}} (mol/l \equiv molar)$

Es el método más común de expresar la concentración en química sobretodo cuando se trabaja con reacciones químicas y relaciones estequiométricas. 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 unnnn na balanza analítica, previo peso del vaso vacío para poderle restar el correspondiente valor.

$m = \frac{\mbox{moles de soluto}}{\mbox{kilogramos de disolvente}} (mol/kg \equiv molal)$

La principal ventaja de este método de medida respecto a la molaridad es que como el volumen de una disolución depende de la temperatura y de la presión, cuando éstas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la molalidad no está en función del volumen, es independiente de la temperatura y la presión, y puede medirse con mayor precisión.

Es menos empleada que la molaridad.

Peso por volumen

Se pueden usar también las mismas unidades que para medir la densidad aunque no conviene confundir ambos conceptos. La densidad de la mezcla es la masa de la solución entre el volumen de esta mientras que la concentración en dichas unidades es la masa de soluto entre el volumen de la disolución. Se suelen usar los gramos por litro (g/l).

$\frac{\mbox{masa de soluto}}{\mbox{volumen de disolucion}}$

Porcentaje por masa

Masa de soluto por cada cien partes de solución.

$\% \mbox{en masa} = \frac{\mbox{masa de soluto}}{\mbox{masa de disolucion}}\cdot 100$

Porcentaje por volumen

Expresa el volumen de soluto por cada cien unidades de volumen. Se suele usar para mezclas gaseosas en las que el volumen es un parámetro importante a tener en cuenta.

$\ \%{\mbox{en volumen}}={\frac {\mbox{volumen de soluto}}{\mbox{volumen de disolucion}}}\cdot 100$

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 g / PFG.

Normalidad

La normalidad (N) es el número de equivalentes (n) de soluto (st) por litro de disolución (sc).

$N=\frac{n_{st}}{V_{sc}}$

Normalidad ácido-base

Es la normalidad de una solución cuando se la utiliza para una reacción como ácido o base. Por esto suelen titularse utilizando indicadores de pH.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}*{H^{+}}$ para un ácido, o $n={moles}*{HO^{-}}$ para una base.

Donde:

• n: es la cantidad de equivalentes.
• moles: es la cantidad de moles.
• H⁺: Es la cantidad de protones cedidos por un mol del ácido.
• HO^-: Es la cantidad de hidroxilos cedidos por un mol de la base.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}*{H^{+}}$ para un ácido, o $N={M}*{HO^{-}}$ para una base.

Donde:

• N: es la normalidad de la solución.
• M: es la molaridad de la solución.
• H⁺: Es la cantidad de protones cedidos por un mol del ácido.
• HO^-: Es la cantidad de hidroxilos cedidos por un mol de la base.

Ejemplos:

• Una solución 1 M de HCl cede 1 M de H⁺, por lo tanto, es igual a 1 N.
• Una solución 1 M de Ca(OH)₂ cede 2 M de HO^-, por lo tanto, es igual a 2 N.

En este caso, los equivalentes pueden expresarse de la siguiente forma:

$n={moles}*{e^{-}}$.

Donde:

• n: es la cantidad de equivalentes.
• moles: es la cantidad de moles.
• e^-: Es la cantidad de electrones intercambiados en la hemireacción de oxidación o reducción.

Por esto, podemos decir lo siguiente:

$N={M}*{e^{-}}$.

Donde:

• N: es la normalidad de la solución.
• M: es la molaridad de la solución.
• e^-: Es la cantidad de electrones intercambiados en la hemireacción de oxidación o reducción.

Ejemplos:

• En el siguiente caso vemos que el anión nitrato en medio ácido (por ejemplo el ácido nítrico, puede actuar como oxidante, donde una solución 1 M, es 3 N_ox.

4 H⁺ + NO₃^-1 + 3 e^- ↔ NO + 2 H₂O

• En el siguiente caso vemos que el anión ioduro, puede actuar como reductor, donde una solución 1 M, es 1 N_rd.

2 I^- - 2 e^- ↔ I₂

• En el siguiente caso vemos que el catión argéntico, puede actuar como oxidante, donde una solución 1 M, es 1 N_ox.

1 Ag⁺ + 1 e^- ↔ Ag⁰

ppm, ppb y ppt

Para expresar concentraciones muy pequeñas, trazas de una sustancia muy diluida en otra, es común emplear 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.

Es de uso relativamente frecuente en la medición de la composición de la atmósfera terrestre. Así el aumento de dióxido de carbono en el aire debido al calentamiento global se suele dar en dichas unidades.

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.

Conversiones útiles

• Molalidad a fracción molar ( m→X_st )

$X_{st} = \frac{m}{\frac{1000}{P_{sv}}+m}$

• Fracción molar a molalidad ( Xst→m ), y recordando que Xst + Xsv = 1

$m = \frac{1000 . X_{st}}{P_{sv} . X{sv}}$

• Molalidad a molaridad ( m→M )

$M = \frac{1000 . d . m}{1000 + (m . P_{st})}$

• Molaridad a molalidad ( M→m )

$m = \frac{1000 . M}{1000 . d - M . P_{sv}}$

Donde:

• P_sv = Peso molar del solvente (g/mol)
• P_st = Peso molar del soluto (g/mol)
• d = densidad (g/ml)

Otras formas de indicar la concentración

Para ciertas soluciones muy usadas (por ejemplo ácido sulfúrico, hidróxido de sodio, etc.) se indica la concentración de otras formas:

Densidad

Si bien la densidad no es una forma de expresar la concentración, ésta es proporcional a la concentración (en las mismas condiciones de temperatura y presión). Por esto en ocasiones se expresa la densidad de la solución a condiciones normales en lugar de indicar la concentración; pero se usa más prácticamente y con soluciones utilizadas muy ampliamente. También hay tablas de conversión de densidad a concentración para estas soluciones; aunque el uso de la densidad para indicar la concentración es una práctica que está cayendo en desuso.

Volúmenes

Si bien el volumen no es una forma de expresar la concentración, el volumen de algún producto o sustrato es proporcional a la concentración del mismo, o de otro. (en las mismas condiciones de temperatura y presión. Esta forma es práctica cuando se liberan gases, como en el caso del agua oxigenada. En este último caso, se expresa la concentración como los volúmenes de oxígeno que puede liberar un volumen de agua oxigenada.

Nombres propios

Algunas soluciones se usan en una concentración determinada para algunas técnicas específicas. Y en estos casos suele usarse un nombre propio.

Ejemplos
Compuesto	Nombre	Densidad	Concentración
H2SO4	Gerber	1,820-1,825	91,00-92,25 % m/m
Alcohol isoamílico	Gerber	0,810-0,812