Concentración: Apuntes química 2 bach

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La estequiometría es el proceso de medir la cantidad de reactivos y los productos de una reacción química.

A menudo equilibramos las ecuaciones para comparar los distintos elementos. Pero, ¿qué ocurre cuando nuestras reacciones químicas implican mezclas homogéneas? No podemos separar físicamente estas disoluciones; entonces, ¿qué podemos hacer? En ese caso, podemos calcular su concentración.

Para obtener información más detallada sobre la estequiometría, consulta nuestro artículo Estequiometría.

Este artículo introduce la idea de las concentraciones dentro de la química.
Empezaremos por repasar la definición de concentración.
Luego, pasaremos a la forma de medir la concentración.
A continuación, aprenderemos sobre los tipos de concentración de las disoluciones.
Por último, resolveremos ejemplos relacionados con la concentración.

¿Qué son las concentraciones, en química?

En química, las concentraciones pueden definirse formalmente como la cantidad de soluto presente en una determinada cantidad de disolución.

Algunos tipos de concentración se calculan únicamente en mezclas homogéneas; es decir, en disoluciones.

Un soluto es la sustancia que se disuelve en el disolvente y un disolvente es una sustancia en la que se disuelve el soluto, dando lugar a una disolución.

En la mayoría de los casos, el soluto y el disolvente son líquidoso, o el soluto es un sólido y el disolvente un líquido.

Una disolución concentrada es aquella con una cantidad significativa de soluto, mientras que una disolución con una pequeña cantidad de soluto se denomina disolución diluida.

¿Cómo medimos las concentraciones en las reacciones químicas?

Ahora que hemos aprendido sobre las concentraciones en química, probablemente te estés preguntando ¿cómo medimos exactamente la concentración de las diferentes mezclas?

Bueno, si es así: ¡estás de suerte! En esta sección repasaremos, no solo cómo medir la concentración, sino también las unidades que utilizamos. Recordemos que, en general, una concentración implica la cantidad de soluto sobre la cantidad de disolución. Esto significa que no solo debemos calcular el volumen de la mezcla, sino también la cantidad de soluto.

Tipos de concentraciones, en química

Los tipos de concentraciones más comunes en la química son la concentración en masa y la molaridad.

Concentración en masa

Masa de soluto en una cantidad específica de volumen:

Las unidades suelen ser g/L, gramo por litro.
Muestra cuánta masa (generalmente, en gramos) de una sustancia específica está presente en un litro de mezcla.

$c o n c e n t r a c i ó n e n m a s a = \frac{m a s a d e s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n}$

Ejemplos de concentraciones

Se han disuelto 25 g de sacarosa (azúcar) en agua. El volumen total de esta disolución de sacarosa es de 0,98 L. ¿Cuál es la concentración en masa de la disolución de sacarosa?

Solución:

Para empezar, identificamos la fórmula necesaria en función de la pregunta. En este caso, estamos tratando de determinar la concentración en masa; por eso, la fórmula es:

c o n c e n t r a c i ó n e n m a s a = \frac{m a s a d e s o l u t o (g)}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n (L)}

A continuación, tenemos que identificar las variables que sí tenemos y que, por tanto, podemos utilizar:

Masa del soluto (m): 25 g de sacarosa .
Volumen de la disolución (V): 0,98 L .

$c o n c e n t r a c i ó n d e m a s a = \frac{25 g}{0, 98 L} = 25, 510 g / L$

Molaridad

Número de moles de un soluto en una cantidad específica de volumen:

Las unidades son típicamente mol/L, mol por litro, o M (molaridad).
Muestra cuántos moles de una sustancia específica están presentes en un litro de mezcla.

$M o l a r i d a d = \frac{m o l e s d e l s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l v e n t e}$

Medio litro de zumo contiene 0,3 mol de sacarosa. ¿Cuál es la concentración molar de sacarosa en este jugo?

Solución:

Primero, identificamos la fórmula necesaria, según la pregunta.

En este caso, estamos tratando de determinar la concentración molar, o molaridad; por tanto, por la fórmula es:

M o l a r i d a d (M) = \frac{m o l e s d e l s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l v e n t e (L)}

A continuación, tenemos que identificar las variables que sí tenemos y que, por tanto, podemos utilizar:

Moles de soluto (n): 0,3 mol de sacarosa
Volumen de la disolvente (V): 0,5 L

$M o l a r i d a d (M) = \frac{0, 3 m o l}{0, 5 L} = 0, 6 m o l / L$

Molalidad

Molalidad (m): similar a la molaridad (M), pero implica calcular el número de moles por kilogramo de disolvente.

$m o l a l i d a d (m) = \frac{m o l e s d e s o l u t o}{k g d e d i s o l v e n t e}$

La ventaja de usar la molalidad, en lugar de molaridad (moles soluto / volumen disolución), en ciertos casos radica en que al aumentar la temperatura de una disolución, las moléculas de agua se expanden y su volumen aumenta; esto afecta a la molaridad. Luego, como la molalidad no considera volumen, es una medida de concentración más precisa.

Normalidad y el número de equivalentes

Aunque ya no es tan común usar la normalidad, ni calcular el número de equivalentes, en algunos libros lo encontrarás; por lo tanto, es importante que sepas a qué se refieren.

La normalidad (N) relaciona el número de equivalentes con el volumen. El número de equivalente relaciona la masa con la cantidad de sustancia necesaria para que se pueda dar reacciones de óxido-reducción (redox) y ácido-base.

$N ú m e r o d e e q u i v a l e n t e s = \frac{m a s a (g)}{\frac{m a s a m o l a r}{v a l e n c i a}}$

La valencia sería el número de hidrógenos o electrones intercambiados en una reacción de ácido-base, o redox, respectivamente.

Porcentaje en masa y en volumen

Si quieres encontrar la composición en porcentajes, puedes utilizar las siguientes fórmulas:

Porcentaje en masa

Utilizamos el porcentaje en masa cuando se proporcionan las masas del soluto y de la disolución, y deseamos encontrar sus concentraciones.

El porcentaje de masa se representa por m/m %: $% e n m a s a = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e d i s o l u c i ó n} \cdot 100$

Si hablamos de líquidos, sería disolución; si hablamos de sólidos, sería mezcla.

Porcentaje en volumen

Usamos el porcentaje de volumen cuando se proporcionan los volúmenes del soluto y de la disolución, y deseamos encontrar sus concentraciones.

El porcentaje de volumen se representa por v/v%: $% d e v o l u m e n = \frac{v o l u m e n d e s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n} \cdot 100$

Para disoluciones a nivel traza, muy diluidas, en lugar de utilizar concentraciones porcentuales tan pequeñas, podemos usar fórmulas de partes por X.

Partes por X

Cada unidad que se muestra a continuación se utiliza para disoluciones cada vez más diluidas:

Partes por mil (ppmil)
- $p p m i l = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 1000$
Partes por millón (ppm)
- $p p m = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{6}$
- $p p m = \frac{1 m g d e s o l u t o}{1 k g d e d i s o l u c i ó n} = \frac{1 m g}{L} = \frac{1 μ g}{m L}$
Partes por mil millones (ppb)
- $p p b = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{9}$
Partes por trillón (ppt)
- $p p t = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{12}$

Para el análisis de agua, se suele usar ppm con las unidades mg/L, ya que las impurezas se encuentran en el agua; pero el análisis de una roca se usa ppb, porque las impurezas se encuentran en una muestra sólida. ppb se llama así por sus siglas en inglés (partes por billón), puesto que un billón inglés son mil millones.

Las fracciones molares (χ) son una forma de calcular la concentración de una disolución similar a la molalidad y la molaridad.

Pero, las fracciones molares se implementan para cantidades adimensionales; mientras que la molaridad tiene unidades de mol/L y la molalidad tiene unidades de mol/kg.

Las fracciones molares se utilizan, principalmente, para los gases.
Muestran, en una disolución, la relación del número de moles de un componente específico dividido por el número total de moles de todos los componentes.

$f r a c c i ó n m o l a r (χ_{A}) = \frac{m o l e s d e u n c o m p o n e n t e}{t o d o s l o s m o l e s d e l o s c o m p o n e n t e s}$

Fíjate en la ecuación: las fracciones molares se representan con la letra griega chi, y no con la letra X.

Ejemplos de concentraciones

Ahora que hemos visto las fórmulas más comunes de concentración, es hora de ponerlas en práctica con ejemplos. Estos ejemplos se darán en el orden de las fórmulas enumeradas anteriormente, para aclararlas.

Además, a continuación se ofrece una tabla que resume todas las fórmulas de concentración, para ayudarte a entender cuándo y dónde utilizar cada una de las expresiones.

Unidad	Fórmula	Cuando usarlo
Concentración en masa	$\frac{m a s a d e s o l u t o (g)}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n (L)}$	Cuando tienes gramos en una disolución.
Molaridad	$\frac{m o l e s d e s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l v e n t e (L)}$	Cuando tienes dos sustancias miscibles o una sustancia que se disuelve en otro.
Molalidad	$\frac{m o l e s d e s o l u t o}{m a s a d e d i s o l v e n t e (k g)}$	Cuando la temperatura es un variable.
% en masa	$\frac{m a s a d e s o l u t o (g)}{m a s a d e d i s o l u c i ó n (g)} \cdot 100$	Cuando tienes dos sólidos, o la masa de ambas sustancias, tteniendo en cuenta que ambos tienen que tener las mismas unidades).
% en volumen	$\frac{v o l u m e n d e s o l u t o (L)}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n (L)} \cdot 100$	Cuando tienes el volumen de ambas sustancias, teniendo en cuenta que ambos tienen que tener las mismas unidades
Partes por mil (ppmil)	$\frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 1000$	Disoluciones diluidas.
Partes por millón (ppm)	$\frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{6}$ $\frac{1 m g d e s o l u t o}{1 k g d e d i s o l u c i ó n} = \frac{1 m g}{L} = \frac{1 μ g}{m L}$	Disoluciones con cantidades a nivel de traza.
Partes por mil millones (ppb)	$\frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{9}$	Disoluciones con cantidades a nivel de traza.
Partes por trillón (ppt)	$p p b = \frac{m a s a d e s o l u t o}{m a s a d e m u e s t r a} \cdot 10^{12}$	Disoluciones con cantidades a nivel de traza.
Fracción molar (χ_A)	$\frac{m o l e s d e u n c o m p o n e n t e}{t o d o s l o s m o l e s d e l o s c o m p o n e n t e s}$	Utilizado cuando tenemos gases.

Tabla 1. Todas las fórmulas de concentración más frecuentes, resumidas para mayor facilidad.

Para obtener información más detallada sobre la masa molar, consulta nuestros artículos El mol y La constante de Avogadro.

¿Cuál es la molalidad de una disolución preparada con 0,3 kg de sacarosa (C₁₂H₂₂O₁₁) disuelta en 0,9 kg de agua?

Datos: masa molar de la sacarosa es 342,3 g/mol

Solución:

Empezamos identificando la fórmula necesaria, según la pregunta. Se trata de determinar la molalidad, y la fórmula es:

$m o l a l i d a d (m) = \frac{m o l e s d e s o l u t o}{k g d e d i s o l v e n t e}$

A continuación, tenemos que averiguar las variables que sí tenemos y que, por tanto, podemos utilizar:

Moles de soluto (n)Dado que el enunciado nos da la masa molar, podemos calcular los moles de sacarosa:

m o l e s d e s a c a r o s a = 0, 3 k g \cdot \frac{0, 001 g}{1 k g} \cdot \frac{1 m o l}{342, 3 g} = 0, 8764 m o l e s

Kilogramos de disolvente (kg): 0,9 kgYa podemos calcular la molalidad:

m o l a l i d a d (m) = \frac{0, 8764 m o l e s}{0, 9 k g} = 0, 974 \frac{m o l}{k g}

Encuentra el porcentaje en masa de 4 g de sacarosa disueltos en 60 g de agua.

Solución:

Como siempre, identificamos la fórmula necesaria, en función de la pregunta. Estamos tratando de determinar el porcentaje en masa y tenemos todos los datos, solo tenemos que acordarnos que la masa de la disolución es: 4 g de sacarosa+ 60 g de agua, por lo que la masa total de la disolución = 64 g

$% d e m a s a = \frac{m a s a s o l u t o (g)}{m a s a d i s o l u c i ó n (g)} \cdot 100 = \frac{4 g d e s a c a r o s a}{60 g d e a g u a + 4 g d e s a c a r o s a} \cdot 100 = 6, 25 % d e s a c a r o s a$

Encuentra el porcentaje de volumen de nitrógeno, una disolución que se crea al mezclar 0,7 L de hidrógeno y 0,2 L de nitrógeno.

Solución:

Identificamos la fórmula necesaria, según la pregunta:

Estamos tratando de determinar el porcentaje de volumen, y tenemos 0,2 L de soluto y 0,7 L de disolvente, lo que el volumen de disolución es 0,9 L.

$% d e v o l u m e n (v / v %) = \frac{v o l u m e n d e s o l u t o}{v o l u m e n d e d i s o l u c i ó n} \cdot 100 = \frac{0, 2 L d e n i t r ó g e n o}{0, 2 L d e n i t r ó g e n o + 0, 7 L d e h i d r ó g e n o} \cdot 100 = 22.2 % N i t r ó g e n o$

Encuentra la concentración de una disolución que contiene 1 g de dióxido de carbono disuelto en 1000 g de agua.

Solución:

Estamos tratando de determinar la concentración de una disolución muy diluida; por lo tanto, podemos utilizar cualquiera de las fórmulas de partes por x. Escogemos el ppm.

A continuación, tenemos que averiguar las variables que sí tenemos y que, en consecuencia, podemos utilizar:

Masa del soluto: 1 g de dióxido de carbono

Masa de la muestra: 1000 g de agua + 1 g de dióxido de carbono = 1001 g de masa total

$p p m = \frac{1 g d e C O_{2}}{1001 g d e d i s o l u c i ó n} \cdot 10^{6} = 999 p p m$

Encuentra la fracción molar de dióxido de carbono en un gas que contiene 5,00 moles de dióxido de carbono en 10 moles de oxígeno.

Solución:

Estamos tratando de determinar la fracción molar del dióxido de carbono, y la fórmula es:

f r a c c i ó n m o l a r (χ_{A}) = \frac{m o l e s d e u n c o m p o n e n t e}{t o d o s l o s m o l e s d e l o s c o m p o n e n t e s}

A continuación, tenemos que averiguar las variables que sí tenemos y que, por tanto, podemos utilizar:

Moles del componente A: El componente en el que nos centramos es el dióxido de carbono, por lo que moles = 5

Total de moles de todos los componentes: 5 moles de dióxido de carbono + 10 moles de oxígeno = 15 moles totales:

$f r a c c i ó n m o l a r (χ_{A}) = \frac{5 m o l e s d e C O_{2}}{15 m o l e s t o t a l e s} = 0, 33 m o l e s$

Has llegado al final del artículo. Ahora deberías entender qué son las concentraciones en química, cómo se miden y las unidades implicadas. Por último, deberías poder resolver problemas que impliquen la concentración de una variedad de disoluciones. Para practicar un poco más, visita nuestras flashcards.

Concentración - Puntos Clave

En química, las concentraciones pueden definirse formalmente como la cantidad de soluto presente en una determinada cantidad de disolución.
Un soluto es la sustancia que se disuelve en el disolvente. El disolvente es la sustancia en la que se disuelve otra sustancia, el soluto, para formar una disolución.
Las disoluciones son mezclas homogéneas o de composición uniforme. Una disolución concentrada es aquella que tiene una cantidad significativa de soluto disuelto en ella en comparación con una disolución diluida.
Hay varios tipos de concentración:
- Concentración en masa
- Molaridad
- Molalidad
- Normalidad
- Porcentaje en masa y en volumen
- Partes por X
- Fracción molar

Referencias:

Libretexts. (2021, September 12). 2.2: Concentration. Chemistry LibreTexts.
Libretexts. (2022, January 20). 4.5: Concentration of solutions. Chemistry LibreTexts.
Libretexts. (2020, August 13). 8.1: Concentrations of solutions. Chemistry LibreTexts.
Ball, D. W., & Key, J. A. (2014, September 16). Quantitative units of concentration. Introductory Chemistry 1st Canadian Edition.
11.4 colligative properties - chemistry 2E. OpenStax. (n.d.).

Tarjetas en Concentración (en química) 1

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Un disolvente es la sustancia que se disuelve en el soluto y un soluto es una sustancia en la que se disuelve el disovente, dando lugar a una disolución.

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Preguntas frecuentes sobre Concentración (en química)

¿Qué tipos de concentraciones hay en química?

Hay varios tipos de concentración:

Concentración en masa
Molaridad
Molalidad
Normalidad
Porcentaje en masa y en volumen
Partes por X
Fracción molar.

¿Qué es el porcentaje en masa?

El porcentaje de masa se representa por m/m % y se puede definir mediante la siguiente fórmula:

% en masa = (masa de soluto / masa de disolución) x 100.

¿Qué son la molaridad y la molalidad?

Molaridad (M): La molaridad muestra el número de moles de un soluto en una cantidad específica de volumen.

Molalidad (m): Es similar a la molaridad, pero muestra el número de moles por kilogramo de disolvente.

¿Cómo se calculan la molaridad y la molalidad?

Molaridad (M): moles de soluto / volumen de disolvente
Molalidad (m): moles de soluto / Kg de solvente

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