Concentración molar, parte 1

[Estequiometría] Sección 5. Conceptos clave. [Concentración molar] [Disoluciones acuosas] Otros conceptos. [Algunas reacciones de precipitación] [La concentración y los sabores]

La concentración molar es una forma de expresar cuánta cantidad de una sustancia hay en un volumen determinado. Se obtiene al comparar la cantidad de sustancia, medida en moles, con el volumen en el que se encuentra, medido en litros. Aunque esta definición es general, su aplicación varía ligeramente según el estado físico de la sustancia, especialmente entre gases y líquidos.

En el caso de los gases, una sustancia puede tener concentración molar incluso cuando está pura, ya que las partículas gaseosas están dispersas en el espacio de forma natural. Es decir, un gas ocupa completamente el volumen del recipiente que lo contiene, sin necesidad de estar disuelto en otro medio. Por tanto, se puede hablar de la concentración molar del gas puro, simplemente considerando cuántos moles hay en el volumen que ocupa.

Figura 1. Axioma de la concentración molar de un gas.

En cambio, para los líquidos, la concentración molar se refiere siempre a una disolución, es decir, a una mezcla donde una sustancia (el soluto) está dispersa dentro de otra (el disolvente). En este caso, no tiene sentido hablar de concentración molar de una sustancia pura, ya que se requiere un medio dispersante que diluya al soluto para que exista una concentración definida. Aquí, el volumen relevante es el de toda la disolución, no el del soluto por sí solo.

Aunque en ambos casos se habla de concentración molar, es importante notar que el volumen al que se refiere esta medida no es el mismo: en gases, es el volumen ocupado por el propio gas; en líquidos, es el volumen total de la disolución. Esta diferencia sutil pero importante refleja cómo el estado físico de una sustancia afecta la forma en que medimos y entendemos su concentración.

Figura 2. Axioma de la concentración molar de un soluto en una disolución líquida.

Por ahora dejaremos de lado la concentración molar en gases y nos centraremos en la molaridad de una disolución líquida. Aunque ambos conceptos comparten la misma unidad fundamental, mol/L, todavía es común utilizar la unidad derivada molar o M “también interpretable como molares”, especialmente en contextos prácticos o educativos. De hecho, ciertos enfoques que utilizan cuasiecuaciones continúan empleando esta notación.

No obstante, desde una perspectiva más formal y alineada con las recomendaciones del Libro de Oro de la IUPAC, se prefiere denotar la concentración molar utilizando la letra c minúscula o bien corchetes, colocándose dentro de ellos el símbolo químico o la fórmula de la sustancia en cuestión. Estas dos últimas formas son consideradas más rigurosas desde el punto de vista de la notación científica y son especialmente recomendables al aplicar teoremas o desarrollar argumentaciones formales en química.

Dado que no existen balanzas capaces de medir directamente moles, es necesario reformular la definición de molaridad en términos más accesibles a la práctica experimental. Para ello, basta con sustituir la cantidad de sustancia por el cociente entre la masa de la sustancia y su masa molar.

Figura 3. Teorema de la concentración molar como función de la masa del soluto.

Variantes.

Las definiciones tradicionales de molaridad, aunque funcionales en contextos básicos, resultan insuficientes frente a la diversidad de situaciones que se presentan en un laboratorio de química. Esta limitación se hace evidente cuando se requieren adaptaciones para resolver casos no estándar, preparar disoluciones de concentración fraccionaria, trabajar con sistemas en múltiples etapas o calcular variantes dependientes del volumen parcial o temperatura. Por ello, es necesario analizar las variantes conceptuales de la molaridad y elegir las herramientas más sólidas para tratarlas con rigor y coherencia.

De las tres formas más comunes de definir la molaridad —la álgebra simbólica basada en teoremas, los factores de conversión (también llamados términos marcados) y las cuasiecuaciones típicas de los libros de texto— estas últimas son las menos aptas para afrontar variaciones o desarrollos derivados. Las cuasiecuaciones, al mezclar en un mismo nivel los parámetros físicos con sus unidades de medida y no distinguir de forma clara entre magnitud y cantidad, tienden a generar incongruencias o errores conceptuales, especialmente en contextos avanzados o cuando se requiere encadenar relaciones.

Por otro lado, el lenguaje de Viète, que es el que sustenta la álgebra clásica aprendida en cursos intermedios (octavo y noveno grado), permite establecer teoremas con rigor, a partir de definiciones precisas y símbolos bien diferenciados. Esta estructura favorece la derivación formal de nuevas expresiones, útiles en condiciones cambiantes. Los factores de conversión, en cambio, permiten una construcción paso a paso, respetando la lógica dimensional y siendo ideales para cálculos secuenciales y comprobaciones operativas.

Por lo tanto, a partir de este punto, los procedimientos, variantes y casos especiales relativos a la molaridad serán expresados únicamente en términos de teoremas algebraicos y factores de conversión, dejando de lado las cuasiecuaciones excepto cuando se requiera una expresión general rápida en contextos estáticos o introductorios.

Figura 4.  Cantidad de sustancia como función de la molaridad

Figura 5. Masa de sustancia como función de la molaridad

Figura 6. Volumen como función de la cantidad de sustancia y concentración.

Figura 7. Volumen como función de la masa de sustancia y concentración.

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.

El uso de esta información y su aplicación adecuada mediante los teoremas correctos es esencial para obtener una molaridad precisa al trabajar con ácidos comerciales o disoluciones concentradas, lo cual es fundamental para asegurar la exactitud en los experimentos y preparaciones de soluciones químicas en el laboratorio.

Figura 8. Molaridad como función de la densidad y la fracción de masa. Demostración.

La molaridad es un parámetro fundamental en química, y volveremos a encontrarnos con ella —junto con algunas de sus propiedades adicionales— en capítulos posteriores. Por ahora, lo desarrollado es suficiente para afrontar con claridad y solidez los problemas de estequiometría en disoluciones líquidas, particularmente en el contexto de las llamadas titulaciones de electrólitos fuertes, donde su uso es indispensable para el cálculo preciso de las cantidades reaccionantes.

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