CONCENTRAZIONE CHIMICA: ESPRESSIONE, UNITÀ, MOLALITÀ - CHIMICA - 2024

La concentrazione chimica è la misura numerica della quantità relativa di soluto in una soluzione. Questa misura esprime un rapporto tra il soluto e una quantità o un volume del solvente o della soluzione in unità di concentrazione. Il termine "concentrazione" è correlato alla quantità di soluto presente: una soluzione sarà tanto più concentrata quanto più soluto avrà.

Queste unità possono essere fisiche quando si tiene conto delle grandezze di massa e / o volume dei componenti della soluzione o delle sostanze chimiche, quando la concentrazione del soluto è espressa in termini di moli o equivalenti, prendendo come riferimento il numero di Avogadro.

Di Leiem, da Wikimedia Commons

Pertanto, utilizzando pesi molecolari o atomici e il numero di Avogadro, è possibile convertire unità fisiche in unità chimiche quando si esprime la concentrazione di un dato soluto. Pertanto, tutte le unità possono essere convertite per la stessa soluzione.

Soluzioni diluite e concentrate

Come puoi sapere se una concentrazione è molto diluita o concentrata? A prima vista dalla manifestazione di una qualsiasi delle sue proprietà organolettiche o chimiche; cioè quelli che i sensi percepiscono o che possono essere misurati.

L'immagine in alto mostra una diluizione di una concentrazione di bicromato di potassio (K ₂ Cr ₂ O ₇ ), che presenta un colore arancione. Da sinistra a destra, puoi vedere come il colore diminuisce di intensità quando la concentrazione viene diluita, aggiungendo più solvente.

Questa diluizione permette di ottenere in questo modo una concentrazione diluita da una concentrata. Il colore (e altre proprietà "nascoste" nel suo nucleo arancione) cambia allo stesso modo della sua concentrazione, sia con unità fisiche che chimiche.

Ma quali sono le unità chimiche di concentrazione? Tra questi ci sono la molarità o concentrazione molare di una soluzione, che mette in relazione le moli di soluto con il volume totale della soluzione in litri.

Esiste anche la molalità o anche detta concentrazione molale, che si riferisce alle moli di soluto ma che sono contenute in una quantità standardizzata di solvente o solvente che è esattamente un chilogrammo.

Questo solvente può essere puro o se la soluzione contiene più di un solvente, la molalità sarà le moli di soluto per chilogrammo della miscela di solventi.

E la terza unità di concentrazione chimica è la normalità o concentrazione normale di una soluzione che esprime il numero di equivalenti chimici del soluto per litro di soluzione.

L'unità in cui è espressa la normalità è in equivalenti per litro (Eq / L) e in medicina la concentrazione di elettroliti nel siero umano è espressa in milliequivalenti per litro (mEq / L).

Modi per esprimere la concentrazione

La concentrazione di una soluzione può essere denotata in tre modi principali, anche se hanno una grande varietà di termini e unità stessi, che possono essere utilizzati per esprimere la misura di questo valore: descrizione qualitativa, notazione quantitativa e classificazione in termini solubilità.

A seconda della lingua e del contesto in cui stai lavorando, verrà scelto uno dei tre modi per esprimere la concentrazione di una miscela.

Descrizione qualitativa

Utilizzata principalmente in linguaggio informale e non tecnico, la descrizione qualitativa della concentrazione di una miscela è espressa sotto forma di aggettivi, che indicano in modo generalizzato il livello di concentrazione che ha una soluzione.

Pertanto, il livello di concentrazione minimo secondo la descrizione qualitativa è quello di una soluzione "diluita", e il massimo è quello di "concentrato".

Si parla di soluzioni diluite quando una soluzione ha una proporzione molto bassa di soluto in funzione del volume totale della soluzione. Se vuoi diluire una soluzione, aggiungi altro solvente o trova un modo per ridurre il soluto.

Ora, parliamo di soluzioni concentrate quando hanno un'alta percentuale di soluto in funzione del volume totale di soluzione. Per concentrare una soluzione, aggiungere altro soluto o ridurre la quantità di solvente.

In questo senso, questa classificazione si chiama descrizione qualitativa, non solo perché manca di misurazioni matematiche ma anche per la sua qualità empirica (può essere attribuita a caratteristiche visive, odori e sapori, senza bisogno di test scientifici).

Classificazione per solubilità

La solubilità di una concentrazione denota la massima capacità di soluto che una soluzione possiede, a seconda di condizioni quali temperatura, pressione e sostanze che sono disciolte o in sospensione.

Le soluzioni possono essere classificate in tre tipi in base al loro livello di soluto disciolto al momento della misurazione: soluzioni insature, sature e sovrasature.

- Le soluzioni insature sono quelle che contengono una quantità di soluto inferiore a quella che la soluzione può dissolvere. In questo caso, la soluzione non ha raggiunto la sua concentrazione massima.

- Le soluzioni sature sono quelle in cui la massima quantità possibile di soluto è stata disciolta nel solvente a una determinata temperatura. In questo caso c'è un equilibrio tra entrambe le sostanze e la soluzione non può accettare più soluto (poiché precipiterà).

- Le soluzioni sovrasature hanno più soluto di quanto la soluzione accetterebbe in condizioni di equilibrio. Ciò si ottiene riscaldando una soluzione satura, aggiungendo più soluto del normale. Una volta freddo, non farà precipitare il soluto automaticamente, ma qualsiasi disturbo può causare questo effetto a causa della sua instabilità.

Notazione quantitativa

Quando si studia una soluzione da utilizzare in campo tecnico o scientifico, è richiesta una precisione misurata ed espressa in unità, che descriva la concentrazione secondo i suoi esatti valori di massa e / o volume.

Questo è il motivo per cui esiste una serie di unità utilizzate per esprimere la concentrazione di una soluzione nella sua notazione quantitativa, che si dividono in fisiche e chimiche, e che a loro volta hanno le proprie suddivisioni.

Le unità di concentrazione fisica sono quelle di "concentrazione relativa", espresse in termini di percentuali. Esistono tre modi per esprimere le concentrazioni percentuali: percentuali di massa, percentuali di volume e percentuali di volume di massa.

Invece, le unità di concentrazioni chimiche si basano su quantità molari, grammi equivalenti, parti per milione e altre caratteristiche del soluto rispetto alla soluzione.

Queste unità sono le più comuni a causa della loro elevata precisione durante la misurazione delle concentrazioni, e per questo motivo sono solitamente quelle che si desidera conoscere quando si lavora con soluzioni chimiche.

Unità di concentrazione

Come descritto nelle sezioni precedenti, quando si caratterizza quantitativamente la concentrazione di una soluzione, i calcoli dovrebbero essere governati dalle unità esistenti a tal fine.

Allo stesso modo, le unità di concentrazione sono divise in quelle di concentrazione relativa, quelle di concentrazioni diluite, quelle basate su moli e quelle aggiuntive.

Unità di concentrazione relativa

Le concentrazioni relative sono quelle espresse in percentuale, come indicato nella sezione precedente. Queste unità sono suddivise in percentuale massa-massa, percentuale volume-volume e percentuale massa-volume e vengono calcolate come segue:

-% massa = massa del soluto (g) / massa della soluzione totale (g) x 100

-% volume = volume di soluto (ml) / volume di soluzione totale (ml) x 100

-% massa / volume = massa del soluto (g) / volume della soluzione totale (ml) x 100

In questo caso, per calcolare la massa o il volume della soluzione totale, la massa o il volume del soluto deve essere aggiunto a quello del solvente.

Unità di concentrazione diluita

Le unità di concentrazione diluita sono quelle che vengono usate per esprimere quelle concentrazioni molto piccole che sono sotto forma di tracce all'interno di una soluzione diluita; l'uso più comune di queste unità è trovare tracce di un gas disciolto in un altro, come agenti che inquinano l'aria.

Queste unità sono elencate sotto forma di parti per milione (ppm), parti per miliardo (ppb) e parti per trilione (ppt) e sono espresse come segue:

- ppm = 1 mg di soluto / 1 L di soluzione

- ppb = 1 μg di soluto / 1 L di soluzione

- ppt = 1 ng soluto / 1 L soluzione

In queste espressioni mg è uguale a milligrammi (0,001 g), μg è uguale a microgrammi (0,000001 g) e ng è uguale a nanogrammi (0,000000001 g). Queste unità possono anche essere espresse in termini di volume / volume.

Unità di concentrazione in funzione delle moli

Le unità di concentrazione basate sulle moli sono quelle della frazione molare, della percentuale molare, della molarità e della molalità (queste ultime due sono meglio descritte alla fine dell'articolo).

La frazione molare di una sostanza è la frazione di tutte le sue molecole costituenti (o atomi) in funzione delle molecole o degli atomi totali. Viene calcolato come segue:

X _A = numero di moli di sostanza A / numero totale di moli in soluzione

Questa procedura viene ripetuta per le altre sostanze in soluzione, tenendo conto che la somma di X _A + X _B + X _C … deve essere uguale a uno.

La percentuale molare viene lavorata in modo simile a X _A , solo in termini di percentuale:

Percentuale molare di A = X _A x 100%

La sezione finale discuterà in dettaglio la molarità e la molalità.

Formalità e normalità

Infine, ci sono due unità di concentrazione attualmente in disuso: formalità e normalità.

La formalità di una soluzione rappresenta il numero di peso-formula-grammo per litro di soluzione totale. È espresso come:

F = No. Soluzione PFG / L

In questa espressione PFG è uguale al peso di ogni atomo della sostanza, espresso in grammi.

Invece, la normalità rappresenta il numero di equivalenti di soluto diviso per litri di soluzione, come espresso di seguito:

N = grammi equivalenti di soluto / L soluzione

In tale espressione, i grammi equivalenti di soluto possono essere calcolati dal numero di moli H ⁺ , OH ^- o altri metodi, a seconda del tipo di molecola.

molarity

La molarità o concentrazione molare di un soluto è l'unità di concentrazione chimica che esprime o mette in relazione le moli del soluto (n) contenute in un (1) litro (L) di soluzione.

La molalità è indicata dalla lettera maiuscola M e per determinare le moli del soluto (n), i grammi del soluto (g) vengono divisi per il peso molecolare (MW) del soluto.

Allo stesso modo, il peso molecolare MW del soluto è ottenuto dalla somma dei pesi atomici (PA) o massa atomica degli elementi chimici, considerando la proporzione in cui si combinano per formare il soluto. Pertanto, diversi soluti hanno il proprio PM (sebbene questo non sia sempre il caso).

Queste definizioni sono riassunte nelle seguenti formule utilizzate per eseguire i calcoli corrispondenti:

Molarità: M = n (moli di soluto) / V (litro di soluzione)

Numero di moli: n = g di soluto / MW di soluto

Esercizio 1

Calcola la Molarità di una soluzione che viene preparata con 45 g di Ca (OH) ₂ sciolti in 250 mL di acqua.

La prima cosa da calcolare è il peso molecolare di Ca (OH) ₂ (idrossido di calcio). Secondo la sua formula chimica, il composto è costituito da un catione di calcio e due anioni idrossilici. Qui il peso di un elettrone inferiore o aggiuntivo alla specie è trascurabile, quindi si prendono i pesi atomici:

Fonte: Gabriel Bolívar

Il numero di moli del soluto sarà quindi:

n = 45 g / (74 g / mol)

n = 0,61 moli di Ca (OH) ₂

Si ottengono 0,61 moli del soluto ma è importante ricordare che queste moli giacciono disciolte in 250 mL di soluzione. Poiché la definizione di Molarità è moli in un litro o 1000 mL, è necessario quindi fare una semplice regola di tre per calcolare le moli che sono in 1000 mL di detta soluzione

Se in 250 mL di soluzione ci sono => 0,61 moli di soluto

In 1000 mL di soluzione => x Quante moli ci sono?

x = (0,61 mol) (1000 mL) / 250 mL

X = 2,44 M (mol / L)

Un altro modo

L'altro modo per ottenere le talpe per applicare la formula prevede che i 250 mL siano portati a litri, applicando anche una regola del tre:

Se 1000 ml => sono 1 litro

250 ml => x Quanti litri sono?

x = (250 mL) (1 L) / 1000 mL

x = 0,25 L

Sostituendo quindi nella formula Molarità:

M = (0,61 moli di soluto) / (0,25 L di soluzione)

M = 2,44 mol / L

Esercizio 2

Cosa significa per una soluzione di HCl essere 2,5 M?

La soluzione di HCl è 2,5 molare, cioè un litro ha sciolto 2,5 moli di acido cloridrico.

Normale

La normalità o concentrazione equivalente è l'unità di concentrazione chimica delle soluzioni che è indicata con la lettera maiuscola N. Questa unità di concentrazione indica la reattività del soluto ed è uguale al numero di equivalenti di soluto (Eq) diviso per il volume della soluzione espresso in litri.

N = Eq / L

Il numero di equivalenti (Eq) è uguale ai grammi di soluto diviso per il peso equivalente (PEq).

Eq = g soluto / PEq

Il peso equivalente, o anche detto grammo equivalente, si calcola ottenendo il peso molecolare del soluto e dividendolo per un fattore equivalente che ai fini di riassumere nell'equazione viene chiamato delta zeta (ΔZ).

PEq = PM / ΔZ

Calcolo

Il calcolo della normalità avrà una variazione molto specifica del fattore equivalente o ΔZ, che dipende anche dal tipo di reazione chimica a cui partecipa la specie soluto o reattiva. Alcuni casi di questa variazione possono essere menzionati di seguito:

-Quando è un acido o una base, ΔZ o il fattore equivalente, sarà uguale al numero di ioni idrogeno (H ⁺ ) o ossidrile OH ^- che ha il soluto. Ad esempio, l'acido solforico (H ₂ SO ₄ ) ha due equivalenti perché ha due protoni acidi.

-Quando si tratta di reazioni di ossidoriduzione, ΔZ corrisponderà al numero di elettroni coinvolti nel processo di ossidazione o riduzione, a seconda del caso specifico. Qui entrano in gioco il bilanciamento delle equazioni chimiche e la specificazione della reazione.

-Inoltre, questo fattore equivalente o ΔZ corrisponderà al numero di ioni che precipitano nelle reazioni classificate come precipitazione.

Esercizio 1

Determinare la normalità di 185 g di Na ₂ SO ₄ trovati in 1,3 L di soluzione.

Il peso molecolare del soluto in questa soluzione verrà prima calcolato:

Fonte: Gabriel Bolívar

Il secondo passaggio consiste nel calcolare il fattore equivalente o ΔZ. In questo caso, poiché il solfato di sodio è un sale, ^{verrà considerata} la valenza o carica del catione o metallo Na ⁺ , che verrà moltiplicata per 2, che è il pedice della formula chimica del sale o soluto:

Na ₂ SO ₄ => ∆Z = Valencia Cation x Subscript

∆Z = 1 x 2

Per ottenere il peso equivalente, viene sostituito nella rispettiva equazione:

PEq = (142,039 g / mol) / (2 Eq / mol)

PEq = 71,02 g / Eq

E quindi puoi procedere al calcolo del numero di equivalenti, ricorrendo nuovamente a un altro semplice calcolo:

Eq = (185 g) / (71,02 g / Eq)

Numero di equivalenti = 2.605 Eq

Infine, con tutti i dati necessari, la normalità viene ora calcolata sostituendo secondo la sua definizione:

N = 2.605 Eq / 1.3 L

N = 2,0 N

molality

La molalità è indicata dalla lettera minuscola m ed è uguale alle moli di soluto presenti in un (1) chilogrammo di solvente. È anche nota come concentrazione molale e viene calcolata utilizzando la seguente formula:

m = moli di soluto / Kg di solvente

Mentre la molalità stabilisce il rapporto tra le moli di soluto contenute in un (1) litro di soluzione, la molalità si riferisce alle moli di soluto che esistono in un (1) chilogrammo di solvente.

In quei casi in cui la soluzione è preparata con più di un solvente, la molalità esprimerà la stessa mole di soluto per chilogrammo della miscela di solventi.

Esercizio 1

Determinare la molalità di una soluzione preparata mescolando 150 g di saccarosio (C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ ) con 300 g di acqua.

Il peso molecolare del saccarosio viene prima determinato per procedere al calcolo delle moli di soluto in questa soluzione:

Fonte: Gabriel Bolívar

Il numero di moli di saccarosio viene calcolato:

n = (150 g di saccarosio) / (342,109 g / mol)

n = 0,438 moli di saccarosio

I grammi di solvente vengono quindi convertiti in chilogrammi per applicare la formula finale.

Sostituendo quindi:

m = 0,438 moli di saccarosio / 0,3 chilogrammi di acqua

m = 1,46 mol C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ / Kg H ₂ O

Sebbene attualmente sia in corso un dibattito sull'espressione finale della molalità, questo risultato può anche essere espresso come:

1,26 m C ₁₂ H ₂₂ 0 ₁₁ o 1,26 molali

Talvolta si ritiene vantaggioso esprimere la concentrazione della soluzione in termini di molalità, poiché le masse del soluto e del solvente non subiscono leggere fluttuazioni o alterazioni inapparenti dovute agli effetti della temperatura o della pressione; come accade nelle soluzioni con soluto gassoso.

Inoltre, si evidenzia che questa unità di concentrazione riferita ad uno specifico soluto rimane invariata dall'esistenza di altri soluti nella soluzione.

Raccomandazioni e note importanti sulla concentrazione chimica

Il volume della soluzione è sempre maggiore di quello del solvente

Quando gli esercizi risolutivi vengono risolti, si verifica l'errore di interpretare il volume di una soluzione come se fosse quello del solvente. Ad esempio, se un grammo di cioccolato in polvere viene sciolto in un litro d'acqua, il volume della soluzione non è uguale a quello di un litro d'acqua.

Perchè no? Perché il soluto occuperà sempre lo spazio tra le molecole di solvente. Quando il solvente ha un'elevata affinità per il soluto, la variazione di volume dopo la dissoluzione può essere trascurabile o trascurabile.

Ma in caso contrario, e ancor di più se la quantità di soluto è grande, è necessario tenere conto della variazione di volume. In questo modo: Vsolvent + Vsolute = Vsolution. Solo in soluzioni diluite o dove le quantità di soluto sono piccole è valido Vsolvent = Vsolution.

Questo errore dovrebbe essere tenuto presente soprattutto quando si lavora con soluti liquidi. Ad esempio, se invece di sciogliere il cioccolato in polvere, il miele viene sciolto in alcool, il volume di miele aggiunto avrà un effetto notevole sul volume totale della soluzione.

Pertanto, in questi casi il volume del soluto deve essere aggiunto a quello del solvente.

Utilità della molalità

-Conoscere la Molarità di una soluzione concentrata consente di effettuare calcoli di diluizione utilizzando la formula semplice M1V1 = M2V2, dove M1 corrisponde alla Molarità iniziale della soluzione e M2 la Molarità della soluzione da preparare dalla soluzione con M1.

-Conoscendo la Molarità di una soluzione, la sua Normalità può essere facilmente calcolata utilizzando la seguente formula: Normalità = numero di equivalenti x M

Le formule non vengono memorizzate ma le unità o le definizioni lo sono

Tuttavia, a volte la memoria fallisce quando si cerca di ricordare tutte le equazioni pertinenti ai calcoli della concentrazione. Per questo, è molto utile avere una definizione molto chiara di ogni concetto.

Partendo dalla definizione, le unità vengono scritte utilizzando i fattori di conversione per esprimere quelli che corrispondono a quanto da determinare.

Ad esempio, se hai la molalità e vuoi convertirla in normale, procedi come segue:

(mol / Kg solvente) x (kg / 1000g) (g solvente / mL) (mL solvente / mL soluzione) (1000mL / L) (Eq / mol)

Notare che (g solvente / mL) è la densità del solvente. Il termine (mL di solvente / mL di soluzione) si riferisce a quanto volume della soluzione corrisponde effettivamente al solvente. In molti esercizi quest'ultimo termine è uguale a 1, per ragioni pratiche, anche se non è mai completamente vero.

Riferimenti

1. Introduttiva chimico-1 ^° Canadian Edition. Unità quantitative di concentrazione. Capitolo 11 Soluzioni. Tratto da: opentextbc.ca
2. Wikipedia. (2018). Concentrazione equivalente. Tratto da: en.wikipedia.org
3. PharmaFactz. (2018). Cos'è la molarità? Tratto da: pharmafactz.com
4. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Chimica. (8 ° ed.). CENGAGE Learning, pagine 101-103, 512, 513.
5. Soluzioni acquose-molarità. Tratto da: chem.ucla.edu
6. Quimicas.net (2018). Esempi di normalità. Estratto da: quimicas.net.