Soluciones La concentración de una solución expresa la relación de la cantidad de soluto en una solución respecto a la cantidad de solvente en la misma. La concentración de una solución puede expresarse en forma cualitativa (utilizando los términos diluida o concentrada) o especificar en forma cuantitativa (determinando que cantidad de soluto tiene disuelto y en que cantidad de solvente), es decir conocer las cantidades relativas de los diversos componentes.

Soluciones Las concentraciones expresadas en términos cuantitativos toman en cuenta de manera muy precisa las proporciones entre las cantidades de soluto y solvente que se están utilizando en una solución. En la industria, los procedimientos químicos, en la farmacia, la ciencia, etc., ésta manera de expresar las concentraciones (cuantitativamente) es muy utilizada ya que en todos ellos es necesario mediciones muy precisas de las concentraciones de los productos.

Soluciones Hay diferentes maneras de expresar la concentración cuantitativamente. Las más comunes se basan en la masa, el volumen, o ambos. a) Podemos indicar la cantidad (masa o volumen) de una de las sustancias (soluto) respecto a la cantidad (masa o volumen) de la otra (solvente). b) Indicar la cantidad (masa o volumen) de una sustancia (soluto o solvente) respecto a la cantidad (masa o volumen) del sistema total (solución).

Soluciones2 En términos cuantitativos, la concentración de las soluciones puede expresarse como: a) Porcentaje masa-masa (% m/m) Se define como la masa de soluto (medida en gramos) por cada 100 gramos de masa de la solución. Podemos expresarla en forma matemática como sigue: Por ejemplo, si se disuelven 20 gramos de azúcar en 80 gramos de agua, el porcentaje en masa será: 20 gr de azúcar + 80 gr de agua = 100 gr de solución %masa = (20 gr de azúcar/100 gr de solución) x 100 %masa = 20% Esta es una de las medidas más simples y útiles; lo único que se necesita saber acerca de los componentes son sus masas, que se determinan experimentalmente, y cuya suma es siempre igual a la masa de la solución.

Soluciones b) Porcentaje volumen-volumen (% V/V) Expresa el volumen de soluto (medido en mililitros) disueltos en cien mililitros de volumen de la solución. Se suele usar para mezclas líquidas o gaseosas, en las que el volumen es un parámetro importante a tener en cuenta. Es decir, el porcentaje que representa el soluto en el volumen total de la solución. Suele expresarse simplificadamente como «% v/v». En forma matemática se expresa como: Por ejemplo, si se tiene una solución del 20% en volumen (20% v/v) de alcohol en agua quiere decir que hay 20 mililitros de alcohol por cada 100 mililitros de solución. La graduación alcohólica de las bebidas se expresa precisamente así: un vino de 12 grados (12°) tiene un 12% (v/v) de alcohol, un tequila de 38° tiene un 38%(v/v) de alcohol.

Soluciones El alcohol comercial de uso doméstico, por ejemplo, generalmente no viene en una presentación pura (100% alcohol), sino que es una solución de alcohol en agua en cierta proporción, donde el alcohol es el soluto (la sustancia que se disuelve) y el agua es el disolvente (la sustancia que disuelve el soluto). Cuando la etiqueta del envase dice que este alcohol está al 70% V/V (de concentración) significa que hay un 70% de alcohol, y el resto, el 30%, es agua. El jugo de naraja comercial suele tener una concentración de 60% V/V, lo que indica que el 60%, (el soluto), es jugo de naranja, y el resto, el 40% (el disolvente), es agua. La tintura de yodo, que en una presentación comercial puede tener una concentración 5%, significa que hay un 5% de yodo, (el soluto), disuelto en un 95% de alcohol, (el solvente).

Soluciones2 c) Porcentaje masa en volumen: %m/V Corresponde a los gramos (gr) de soluto disueltos en 100 ml de la solución. La definición puede reducirse a la siguiente fórmula: donde m es la masa del soluto expresada en gramos y V es el volumen de la solución en mililitros. Ejemplo: 7.5 gr de un soluto se disuelven en agua suficiente como para completar 150 ml de solución. Calcule el % m/V. Respuesta: se resuelve con una regla de tres simple diciendo: Si en 150 ml de solución hay 7.5 gr de soluto, en 100 ml de solución ¿cuantos gr de soluto habrá? Por lo tanto la respuesta es 5% m/V.   Se debe notar que el volumen que se debe utilizar no es el del solvente, sino el de la solución.

Soluciones Las unidades de concentración usadas hasta ahora no involucran ningún concepto químico (como el mol ); por esa razón se denominan unidades de concentración físicas. Las unidades que describiremos a continuación implican conceptos químicos y, por tanto, se denominan unidades de concentración químicas. d) Molaridad: se define como el número de moles de soluto disueltos en un litro de solución y se representa con la letra M, es decir: M= n/V. donde M es la molaridad, n es el número de moles de soluto y V, el volumen de la solución.

Soluciones El número de moles de soluto (n) se calcula dividiendo la cantidad de soluto (masa) expresada en gramos entre el peso molecular del soluto. n= m /P.M. Donde: n= numero de moles m= masa del soluto (expresada en gramos) P:M.= peso molecular o peso atómico del soluto. El peso molecular (P.M.) de una sustancia cualquiera se calcula sumando los pesos atómicos de cada uno de los elementos que la componen. Por ejemplo, el peso molecular del agua (H2O) es 18 gr/mol, ya que el peso atómico del oxígeno es 16 y del hidrógeno es 1 pero como son dos hidrógenos obtenemos 18. Otro ejemplo el peso molecular (P.M.) del ácido sulfúrico (H2SO4) es 98 gr/mol, esto es porque el azufre tiene un peso atómico de 32, el oxígeno 16 (multiplicado por 4) y el hidrogeno 1 (multiplicado por 2) suman un total de 98.

Soluciones Para expresar concentraciones muy pequeñas, trazas de una sustancia muy diluida en otra, es común emplear las relaciones “partes por millón” (ppm). Es de uso relativamente frecuente en la medición de la composición de la atmósfera terrestre. Así el aumento de dióxido de carbono en el aire debido se suele dar en dichas unidades. Por ejemplo, 1 ppm de CO2 en aire podría ser, en algunos contextos, una molécula de CO2 en un millón de moléculas de componentes del aire. Otro ejemplo: hablando de trazas en disoluciones acuosas, 1 ppm corresponde a 1 mg soluto/ kg disolución o, lo que es lo mismo, 1 mg soluto/ Litro de solución -ya que en estos casos, el volumen del soluto es despreciable, y la densidad del agua es 1 kg/litro.

Soluciones2 Fracción molar (X): Es la relación del número de moles de soluto al número total de moles. Debido a que la cantidad definida arriba es una fracción, sus valores deberán estar entre 0 y 1. Obviamente, los valores extremos (0 y 1) implicarán componentes puros y no soluciones. Por otra parte, también es posible definir las fracciones molares para las otras sustancias presentes en la solución, en particular, para el solvente. La suma de las fracciones molares de todos los componentes de la solución deberá ser igual a 1, es decir X(soluto) + X(solvente) = 1.

Soluciones Ejemplo: Si tenemos 171 g de sacarosa (fórmula: C12H22O11, y peso molecular 342 g/mol) disueltos en 27 gramos de agua (fórmula H2O y peso molecular: 18 g/mol), ¿cuáles son las fracciones molares de cada uno? Primero calculamos el número de moles del soluto (sacarosa) y del solvente (agua) a partir de los pesos moleculares y de las masas de cada uno de ellos. Moles de soluto = 171 gr/342 gr/mol = 0.5 moles de sacarosa. Moles de solvente = 27 gr/18 gr/mol = 1.5 moles de agua. Total de moles en la solución = 0.5 moles de sacarosa + 1.5 moles de agua = 2 moles Por lo tanto, la fracción molar para la sacarosa es 0.5 moles de sacarosa/2 moles de solución = 0.25   La fracción molar para el agua es 1.5 moles de agua/2 moles de solución = 0.75 Observe que si sumamos la fracción mol del agua y de la sacarosa obtenemos el valor de 1.  

Soluciones Por ejemplo para calcular la molaridad de una solución que contiene 196 gramos de ácido sulfúrico (H2SO4) en 0.5 litro de solución se tiene: a) Primero calculamos el número de moles (n) de ácido sulfúrico que hay en la solución n = m/P.M. n = 196 gr/98 gr/mol n = 2 moles b) Como la molaridad es: M = Número de moles/litro de solución Obtenemos: M = 2 moles/0.5 litros de solución M = 4 molar Por lo tanto la concentración del ácido sulfúrico es 4 molar