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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