Molaridad, normalidad y molalidad

Transcripción

1 Molaridad, normalidad y molalidad por Cristina Andrade Guevara Una disolución es una mezcla homogénea cuyo resultado es la causa de disolver cualquier sustancia en un líquido. En estos casos el solvente es generalmente un líquido y el soluto puede ser un sólido o un líquido. Pueden existir también las otras combinaciones, pero éstas son las más utilizadas para llevar a cabo el análisis y también para preparar soluciones que están más en contacto con la vida cotidiana. Un ejemplo sencillo: Cuando vas a preparar agua de limón. A un litro de agua le agregas 150 gr. de azúcar y 100 gr. de jugo de limón. Conoces las cantidades exactas, pero y la concentración?, cómo valorarla? Figura 1. Lemonade (Ilker, 2008). Concentración molar o molaridad La molaridad es la relación que hay entre la cantidad de moles del solvente disueltos en un litro de disolución. En este caso la molaridad y la cantidad de moles las puedes obtener mediante fórmulas, las cuales como te podrás dar cuenta, tienen una fácil aplicación. 1

2 Por lo que primeramente se muestra la fórmula para calcular la molaridad y es: M = n V Donde: M = Molaridad y se expresa en mol/litro Número de moles y se expresa en moles V = Volumen utilizado y se expresa en litros (lt) Ahora, para calcular la cantidad de moles se tiene la fórmula siguiente. gr MM Donde: Número de moles y se expresa en moles gr = La masa del soluto expresada en gramos MM = Masa molecular del soluto y se expresa en gr/mol En este caso, ya sabes la manera de calcular la masa molecular de una sustancia. Habrá ocasiones en que el dato ya se te proporcione, pero en otras tú tendrás que calcular dicha masa molecular. A continuación se presentan algunos ejemplos: Ejemplo 1 Se quiere calcular la concentración molar (molaridad) de una solución de hidróxido de sodio, si se han utilizado 35 gr de dicho soluto en un volumen de 600 ml de solvente. Solución 2

3 Se colocan los datos que se conocen, así como la incógnita que en este caso es la molaridad (M). Datos: M =?? V = 600 ml Como no se conocen la cantidad de moles, entonces se tienen que calcular. Datos: gr = 35 gr MM =?? Fíjate que no se conoce la masa molecular del NaOH. Sin embargo, puedes calcularla usando las masas atómicas de cada uno de los elementos químicos que forman el hidróxido de sodio y multiplicarlas por la cantidad de átomos. Entonces, hay que calcular la masa atómica. MM del NaOH = (1 * 22.99) + (1 * 15.99) + (1 * 1) = uma o gr/mol Ya tienes la MM y ahora necesitas obtener las cantidades de moles que hay en 35 gr de NaOH. Se toma la fórmula: gr MM Sustituyendo se tiene: 35gr 39.98gr Se obtienen las unidades de moles porque se eliminan los gramos del numerador con los gramos del denominador. Realizando la división se tiene que la cantidad de moles es: mol 3

4 Ya que se conoce la cantidad de moles, se puede calcular la molaridad de la disolución. Utilizando la fórmula de la molaridad se tiene que: M = n V Sustituyendo los datos se tiene: 0.875mol M = 0.6lt Sin embargo debes tener mucho cuidado porque el volumen debe estar expresado en litros y aquí se tiene en mililitros. Qué necesitas hacer? Debes realizar la conversión de ml a lt. Sabes que en 1 lt hay 1000 ml, por lo tanto al hacer la conversión, tienes que dividir 600 entre 1000 para obtener los litros que necesitas. Esto quedaría así 0.6 lt. Este dato es el correcto y se sustituye en la fórmula así: M 0.875mol = 0.6lt M = M o bien M = molar Por lo tanto, la concentración molar o molaridad de 35 gr de NaOH en 600 ml de solvente es M Ejemplo 2 Cuál será la molaridad de una solución de ácido sulfúrico si 500 ml contienen 30 gr de dicho ácido? Masa = 30 gr Vol = 500 ml = 0.50 lt Ojo: ya se hizo la conversión. M =? MM del H 2 SO 4 = (2 * 1) + (1 * 32.06) + (4 *15.99) = uma o gr/mol Como sabes, primero necesitas calcular el número de moles: 4

5 30gr 98.02gr moles Sustituyendo en la fórmula de la molaridad se tiene: M 0.306moles = 0.5lt M = M o M = molar Por lo tanto, la respuesta es M = molar Ejemplo 3 En el siguiente ejemplo vas a calcular la cantidad del soluto que se necesita agregar para preparar cierta solución con una definida concentración. Se desea preparar 1 litro de una solución 0.01 molar de hidróxido de calcio. Calcula la cantidad de gramos que se requieren. De la fórmula M = n/v, la incógnita sería la cantidad de moles, por lo que despejando la fórmula: MV Sustituyendo se tiene: (0.01 mol/lt) (1lt) 0.01 moles Ahora bien, necesitas conocer la masa molecular del Ca (OH) 2 para sustituir en la fórmula el número de moles y conocer los gramos requeridos. MM del Ca (OH) 2 = (1*40.08) + (2*15.99) + (2*1) = uma o gr/mol gr MM Si despejas esta ecuación para conocer la cantidad de gramos se tiene: gr = n * MM Sustituyendo se tiene: gr = (0.01 mol) * (74.06 gr/mol) gr = 0.74 gr 5

6 Resultado: la cantidad de hidróxido de calcio que se necesita para preparar una disolución 0.01 molar es de 0.74 gr en 1 litro de agua. Concentración molal o molalidad La molalidad es la relación de moles de un soluto disueltos en un kilogramo de solvente. Como te podrás dar cuenta es la misma relación que la concentración molar, sólo que el solvente se maneja en unidades de masa (Kg). La expresión matemática de la molalidad se puede representar de la siguiente manera: m = n Kgsolvente Donde: M: Es la molalidad expresada en mol/kg n: Es el número de moles del soluto expresada en moles Igual que para molaridad, el número de moles se calcula: grsoluto MMsoluto A continuación se presentan algunos ejemplos: Ejemplo 1 Calcula la molalidad de una solución que contiene 35 gr de metanol (CH 3 OH) en 450 gr de agua. Solución Necesitas la MM del metanol y es: 6

7 MM = (1*12.01) + (4*1) + (1*15.99) MM = 32 uma o gr/mol Los números de moles son: 35gr 32gr 1. 09mol La cantidad de solvente está expresada en gramos, por lo que necesitas convertirla a kilos y para ello, sabes que 1 Kg tiene 1000 gramos. Por lo que 450 gr de agua equivalen a Kg de agua. Calculando la molalidad se tiene: 1.09mol m = 0.450Kg m = mol/kg o molal Por lo tanto, la concentración molal de la solución es molal Ejemplo 2 Calcula la molalidad de una disolución compuesta por 20 gr de ácido clorhídrico (HCl) disuelto en 250 gr de agua. Igual que el ejemplo anterior se tiene: MM del HCl = (1 * 1) + (1*35.45) = gr/mol Calculando el número de moles: 20gr 36.45gr mol Sabes que 250 gr de agua equivalen a Kg de agua. Sustituyendo en la fórmula principal se tiene: 0.548mol m = 0.250Kg m = molal o mol/kg 7

8 Por lo tanto, la concentración de la disolución es mol/kg Concentración normal o normalidad La normalidad es la relación del número equivalente gramo de soluto contenido en un litro de disolución. Probablemente no te quede muy claro el concepto de equivalente gramos, pero lo que sucede es que estas unidades se utilizan cuando en una reacción participan ácidos y bases. La concentración a la que se refiere es generalmente la normalidad, porque se toma en cuenta los iones H + o los iones OH - de los compuestos a analizar. Por lo que la fórmula que se tiene para calcular la normalidad es: N = No. Equivalente gramo de soluto Litro de disolución (V ) Ec. 1 Donde la normalidad está expresada en eq.gr/lt o bien en N que significa normal. Por lo tanto, para calcular el número equivalente gramo del soluto, se realiza lo siguiente: No. Eq. gr = Gramos de soluto Peso equivalente Ec. 2 Donde además para calcular el peso equivalente se tiene: Peso equivalente = MM del soluto No. de iones(+)o( ) EC.3 8

9 Para que te sea más fácil la comprensión y el manejo de la fórmula, sustituyendo la ecuación 2 en la 1 tienes que: N = gr. de soluto Peq.*Volumen Con esta fórmula es más sencillo manejar la información, además de que el peso equivalente (Peq.), lo puedes calcular con la ecuación 3. El número de cargas positivas o negativas se refiere a la cantidad, como anteriormente se mencionó, de iones H + y OH -. A continuación se presentan algunos ejemplos: Ejemplo 1 Qué normalidad tiene una disolución si 500 ml de la misma contienen 50 gr de ácido fosfórico? La fórmula que se utilizará es: N = gr. de soluto Peq.*Volumen De antemano sabes que necesitas la masa molecular del H 3 PO 4 y es: MM del H 3 PO 4 = (3 * 1) + (1*30.97) + (4*15.99) = gr/mol o uma Con ese dato, se procede a obtener el equivalente (Eq) del soluto considerando que la cantidad de iones de H + en este caso corresponden a 3, por lo que se tiene: 97.93gr Peq. = 3 Peq = gr/ eq.gr Ahora bien, para el cálculo de la normalidad se tiene: 50 gr N = (32.64 gr/eq.gr) (0.5 lt) 9

10 N = 3.06 eq. gr. /lt o bien N = 3.06 N Por lo que el resultado de dicha disolución es 3.06N Ejemplo 2 Cuál es la normalidad que resulta de disolver 49 gr de H 2 SO 4 en 500 ml de solución? MM del H 2 SO 4 = (2 * 1) + (1 * 32.06) + ( 4 * 15.99) = gr/mol Enseguida se calcula el Peq., con el conocimiento de que el ácido sulfúrico tiene 2 cargas positivas gr Peq. = = 49.01gr / eq. gr. 2 Ahora se procede a calcular la normalidad: 49gr N = = 1.999eq. gr / lt = N (49.01gr / eq. gr.)(.5lt) Por lo tanto, el resultado final que se obtiene es que la disolución tiene una normalidad de N Ejemplo 3 Se utilizan 25 gr de Hidróxido de potasio (KOH) en 250 ml de solvente. Calcula la normalidad de dicha disolución. MM del KOH = (1 * 39.1) + (1 * 15.99) + (1 * 1) = gr/mol La cantidad de cargas negativas OH - en este caso es 1, por lo que se debe calcular el Peq gr Peq = = 56.09gr / eq. gr. 1 Posteriormente, se requiere calcular la normalidad considerando el volumen de 0.25 Lt: 10

11 25gr N = = eq. gr / lt (56.09gr / eq. gr)(0.25lt) Por lo tanto, la solución que se ha preparado tiene una concentración normal de N Es importante que reconozcas la metodología que se sigue para resolver cada una de las concentraciones, pues es muy similar. Hay diferentes formas de manejar las fórmulas para poder obtener otros datos, no sólo las concentraciones, sin embargo, definitivamente es laborioso. Por último, también es importante que sepas que los cálculos de normalidad se pueden aplicar para solutos que no sean ni ácidos ni bases y que igual se requiere representar su concentración como una normalidad o concentración normal. Bibilografía Allen, R. A.l (2004). Álgebra Intermedia. México: Prentice Hall. Baldor, A. (1988). Álgebra. México: Publicaciones Cultural. Barnett,R., Ziegler, M. & Byleen, K. (2000). Álgebra. México: McGraw Hill. Bello, I. (1999). Álgebra Elemental. México: Internacional Thomson Editores. Referencia de la imagen Ilker. (2008). Lemonade. Recuperada de (Imagen Royalty free, de acuerdo a: 11