Concentración molar

Índice de [Reacciones en disolución acuosa]

La concentración molar es una forma de expresar cuánta cantidad de una sustancia (moles) hay en un volumen determinado (litros).

[1] Axioma de la concentración molar de un soluto acuoso y de un gas. Para ver la descripción detallada y los factores equivalentes [pulse aquí].

[2] Teorema [a] Molaridad acuosa en función de la masa, [b] Molaridad acuosa en función de la fracción de masas “también llamado % en peso” y la densidad total , [c] Molaridad gaseosa en función de parámetros de gas, y [d] Molaridad acuosa en función de la fracción de volúmenes y la densidad del líquido puro. Para ver la descripción detallada y los factores equivalentes [pulse aquí].

Dependiendo de si se trata de un sistema gaseoso o de una disolución acuosa, la definición de molaridad presenta diferencias conceptuales importantes. En los gases, que se expanden espontáneamente, el volumen considerado corresponde directamente al volumen del gas dentro de su contenedor; en cambio, en las disoluciones acuosas, la molaridad se define a partir del volumen total de la disolución, no del soluto de forma aislada.

Figura 1. La bureta permite dispensar volúmenes variables con alta precisión, la pipeta transfiere volúmenes fijos exactos, la probeta graduada ofrece mediciones versátiles pero menos precisas, y el matraz aforado se utiliza para preparar disoluciones de volumen final exacto. Cada instrumento se elige según la precisión requerida y el objetivo experimental.

Para medir volúmenes en disoluciones acuosas es necesario distinguir dos conceptos clave: el aforo, que representa la máxima medida definida de un instrumento, y el tipo de material volumétrico empleado. Existen instrumentos graduados, como las probetas, que poseen múltiples aforos distribuidos a lo largo de su escala y son versátiles, pero presentan mayor incertidumbre; y los instrumentos aforados, que tienen un aforo único y ofrecen mayor precisión, ya que la mayor parte del volumen se contiene en la zona esférica, utilizando solo una pequeña fracción para la lectura. En la marca de aforo se forma un menisco que, en el caso del agua, es cóncavo (en forma de U); la lectura correcta se realiza alineando la parte inferior del menisco con la línea de aforo, mientras que las porciones laterales se consideran parte del error instrumental, ya contemplado por el fabricante y, por tanto, se ignoran.

Figura 2. El balón aforado es esencial en química porque permite medir y preparar volúmenes exactos, garantizando que el volumen usado en 𝑐ⱼ·V = 𝑐ₒⱼ·Vₒ sea el volumen final real. La lectura correcta depende del menisco, que es cóncavo en agua y convexo en mercurio, reflejando la interacción entre el líquido y el vidrio.

Unidades de molaridad

 Existen dos formas de expresar la unidad de molaridad: la unidad fundamental mol·L⁻¹ y la unidad derivada molar (M). Es importante no confundir la unidad molar con la masa molar, ya que representan conceptos distintos. En este texto se siguen las recomendaciones del Gold Book de la IUPAC; como apoyo didáctico, las unidades molares se resaltan en púrpura y en texto normal, mientras que la masa molar se escribe en itálicas y en negro.

Símbolo del parámetro molaridad

El símbolo del parámetro de molaridad, o concentración molar, suele escribirse como M, debido a que en química es frecuente el uso de cuasiecuaciones prácticas en lugar de formulaciones estrictamente formales. No obstante, en este texto seguiremos las indicaciones del Gold Book de la IUPAC, que establecen dos notaciones recomendadas para la concentración: la c minúscula o el uso de corchetes, tal como se expresa en el axioma presentado en la ecuación [1].

Molaridad de un ácido concentrado

Las formas comerciales de ácidos, como el ácido nítrico, ácido clorhídrico y ácido sulfúrico, generalmente se venden en forma de disoluciones concentradas. Sin embargo, es importante señalar que, en la mayoría de los casos, las etiquetas de los frascos no especifican la concentración molar de estos ácidos. En su lugar, se proporciona la fracción de masa (porcentaje de masa) y la densidad de la disolución. Esto presenta un desafío, ya que para realizar cálculos exactos y convertir esta información en una concentración molar, es necesario utilizar un teorema que relacione estos parámetros, permitiendo determinar la molaridad a partir de los datos disponibles en la etiqueta.

El teorema relevante, que involucra el uso de la fracción de masa y la densidad, permite calcular la cantidad de sustancia de ácido presente en un volumen conocido de disolución comercial. Esta relación es crucial, especialmente cuando se necesita preparar soluciones de concentración específica a partir de ácidos concentrados, o cuando no se dispone de la información directa de la molaridad en el producto.

A continuación, se presentan algunos de los pares de porcentaje en masa y densidad para los ácidos y otros reactivos comerciales más comunes en presentación líquida:

• Ácido nítrico (HNO₃): Fracción en masa del 68% con densidad de 1.41 g/mL.
• Ácido clorhídrico (HCl): Fracción en masa del 37% con densidad de 1.19 g/mL.
• Ácido sulfúrico (H₂SO₄): Fracción en masa del 98% con densidad de 1.84 g/mL.
• Ácido acético (CH₃COOH): Fracción en masa del 99% con densidad de 1.05 g/mL.
• Hidróxido de sodio (NaOH): Fracción en masa del 50% con densidad de 1.53 g/mL.

Para estos escenarios se usa el teorema [2b]. 

Cambios de concentración subcríticos

Los cambios subcríticos de concentración se refieren a variaciones en la concentración de solutos que ocurren por debajo del límite de solubilidad, de modo que la mezcla permanece homogénea. Este concepto es fundamental en la química de soluciones, ya que garantiza que el soluto no precipite ni forme fases separadas, manteniendo una disolución uniforme. Un proceso común relacionado con estos cambios es la dilución, que implica un aumento en el volumen del solvente o del medio dispersor sin modificar la cantidad total de soluto, lo que provoca una reducción en la concentración del soluto.

Disolución simple de una solución

La dilución es una técnica ampliamente utilizada en laboratorios químicos e industrias para preparar disoluciones con concentraciones específicas y controladas. 

Figura 3. Para diluir una disolución concentrada, se introduce cuidadosamente en un balón aforado, se añade agua destilada gradualmente hasta la marca de aforo y se homogeneiza. La cantidad de soluto permanece constante, pero al aumentar el volumen total, la concentración disminuye. Este procedimiento garantiza una mezcla homogénea con una concentración final precisa.

Para realizarla con precisión, se emplea un balón aforado adecuado al volumen final deseado. Inicialmente, se introduce el soluto concentrado en el balón, usando un embudo para evitar pérdidas, y luego se añade el solvente, generalmente agua destilada, de forma gradual. El soluto se disuelve mediante agitación suave y el volumen final se ajusta gota a gota hasta alcanzar la marca de aforo, garantizando la exactitud en la concentración final. Este procedimiento asegura que la cantidad de soluto se mantiene constante, pero se dispersa en un volumen mayor, disminuyendo así su concentración inicial.

Una variante importante es la alícuota y dilución, que consiste en tomar una porción o fracción de una disolución madre o estándar para preparar una solución con volumen menor y concentración proporcionalmente reducida. Esto permite ajustar la concentración de manera exacta sin manipular grandes volúmenes de la disolución madre.

En la dilución de un ácido concentrado se utiliza un balón aforado no solo por su capacidad para definir con precisión el volumen final, sino también porque su diseño geométrico favorece la retención de gotas en el interior. El cuello largo y estrecho actúa como una zona de captura, evitando que pequeñas gotas de ácido queden adheridas a paredes externas o se pierdan durante la transferencia, lo que garantiza que toda la cantidad de soluto incorporada forme parte de la disolución final.

Además, es fundamental añadir primero una pequeña cantidad de agua al balón antes de incorporar el ácido. Esta práctica responde a razones termodinámicas y de seguridad: la dilución de ácidos concentrados es un proceso exotérmico, y la presencia inicial de agua permite disipar el calor generado, reduciendo el riesgo de salpicaduras, ebullición local o proyección del ácido. Por esta misma razón, siempre se añade el ácido sobre el agua y nunca a la inversa.

No obstante, el agua inicial no debe llenar completamente el balón. Si el volumen es excesivo, las gotas de ácido que se forman durante la adición pueden quedar adheridas a las paredes superiores y no reincorporarse correctamente al volumen útil de la disolución. Al dejar espacio libre, se facilita el enjuague interno mediante agitación suave, asegurando que cualquier gota residual vuelva al cuerpo principal del líquido. Solo después de este proceso se completa el aforo con agua, alineando correctamente el menisco con la marca. De este modo, el balón aforado cumple simultáneamente funciones de precisión volumétrica, seguridad experimental y control efectivo de la cantidad real de soluto en la disolución.

Disolución seriada

La dilución seriada es una técnica que encadena múltiples diluciones sucesivas en volúmenes constantes, reduciendo exponencialmente la concentración del soluto. Esta técnica es especialmente útil para el estudio de sustancias que tienen efectos en concentraciones muy bajas, tales como toxinas, contaminantes o reactivos presentes en partes por millón (ppm) o partes por billón (ppb). Para ilustrar, no es posible transferir una sola molécula de toxina para preparar una disolución; en cambio, se realizan diluciones sucesivas de alícuotas, logrando así concentraciones extremadamente bajas pero cuantificables.

Figura 4. La disolución seriada permite estudiar sustancias en concentraciones extremadamente bajas mediante sucesivas diluciones controladas. A partir de una disolución concentrada, se toman alícuotas que se diluyen en serie, generando una secuencia con concentraciones decrecientes exponencialmente. Este método es esencial para analizar toxinas, fármacos o contaminantes presentes en cantidades diminutas, y se fundamenta en modelos matemáticos precisos.

Por otro lado, procesos como la vaporización o ebullición afectan la concentración de manera inversa a la dilución. Cuando el solvente se evapora, la concentración del soluto aumenta porque el volumen de la solución disminuye. Si la evaporación continúa, la concentración puede llegar a superar el punto crítico de solubilidad, provocando la formación de una mezcla heterogénea, en la que el soluto puede precipitar o formar fases separadas.

En la práctica de laboratorio, la pipeta es una herramienta crucial para realizar diluciones por extracción de alícuota con precisión. Este proceso implica tomar una alícuota exacta de una disolución concentrada y transferirla a un recipiente, como un balón aforado, donde se añade un volumen conocido de solvente para obtener una disolución diluida. La precisión en la medición de la alícuota garantiza que la concentración final se pueda calcular correctamente utilizando la fórmula de conservación de la masa.

La importancia de la pipeta radica en su capacidad para medir y transferir volúmenes exactos, lo que es fundamental para reproducir resultados confiables y consistentes en experimentos químicos, análisis cuantitativos y producción industrial.

Figura 5. La dilución por extracción de alícuota consiste en tomar un volumen preciso de una disolución concentrada y mezclarlo con solvente hasta un volumen final conocido. La cantidad de soluto permanece constante, pero se dispersa en un mayor volumen, reduciendo su concentración. Este método garantiza diluciones precisas y es fundamental para preparar soluciones estándar y calibraciones en laboratorio.

Figura 6. La pipeta es esencial en química por su precisión para medir y transferir volúmenes exactos de líquidos. Es fundamental en diluciones y disoluciones, asegurando la conservación de masa y la exactitud en los cálculos. Su uso correcto garantiza resultados fiables en análisis cuantitativos y preparación de soluciones, siendo clave para la reproducibilidad y validez de los experimentos.

Entender los cambios subcríticos de concentración, la dilución, la dilución seriada y los procesos inversos como la vaporización es esencial para el manejo adecuado de soluciones químicas. Estos conceptos permiten controlar la concentración de solutos en diferentes contextos, desde la preparación de soluciones estándar en laboratorios hasta la monitorización de contaminantes ambientales en niveles trazables.

Figura 7. La evaporación o ebullición del solvente reduce el volumen final de la disolución, aumentando la concentración del soluto, cuya cantidad permanece constante. Este fenómeno, común con solutos iónicos como la sal, puede modelarse con el teorema de dilución en forma inversa, usando un factor de concentración cuando el volumen final es menor que el inicial.

La precisión en la manipulación de volúmenes y concentraciones, a través de técnicas como el uso de balones aforados y pipetas, garantiza la correcta interpretación y aplicación de estos principios en la ciencia y la industria.

[3] Teorema [a] disolución simple o de una sola alícuota; [b] disolución anidada; y [c] combinación de dos o más disoluciones ideales [d] Volumen de solvente puro agregado a partir del volumen inicial, y [e] Volumen de solvente puro agregado a partir del volumen final. Para ver la descripción detallada y los factores equivalentes [pulse aquí].

[Ej. Molaridad, disoluciones, series y mezclas]

Referencias

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