Calculadora de Concentración de Soluciones – Molaridad, Molalidad y Más

¿Qué es una calculadora de concentración de soluciones?

Una calculadora de concentración de soluciones halla cuánto soluto hay disuelto en una solución, expresado en la unidad elegida. El soluto es la sustancia que se disuelve, como la sal o el azúcar. Esta herramienta toma cinco datos: la masa del soluto en gramos, su masa molar, el volumen de la solución en litros, la densidad de la solución y la densidad propia del soluto. A partir de ellos informa una de cinco unidades de concentración comunes: molaridad, molalidad, porcentaje en masa, porcentaje en volumen y partes por millón (ppm).

La concentración describe la intensidad de una mezcla. Una misma solución puede describirse de varias maneras, y cada unidad sirve para un propósito diferente. Un químico que mezcla una reacción usa la molaridad. Un fisicoquímico que estudia los puntos de congelación usa la molalidad. Un laboratorio ambiental que analiza agua usa ppm.

Explicación de las unidades de concentración

• Molaridad (M): moles de soluto por litro de solución. Es habitual en química general.
• Molalidad (m): moles de soluto por kilogramo de disolvente, no por litro de solución (LibreTexts). No cambia con la temperatura.
• Porcentaje en masa (% m/m): masa de soluto dividida por la masa de la solución, multiplicada por 100.
• Porcentaje en volumen (% v/v): volumen de soluto dividido por el volumen de la solución, multiplicado por 100. Se usa para mezclas de líquidos, como las bebidas alcohólicas.
• Partes por millón (ppm): masa de soluto dividida por la masa de la solución, multiplicada por 1.000.000. Se usa para cantidades muy pequeñas (traza).

Las definiciones de porcentaje y de ppm siguen el libro de texto gratuito Chemistry de OpenStax.

Un mol es una cantidad fija de partículas, unas 6,022 × 10²³. Este número, la constante de Avogadro, tiene un valor definido exacto. Los químicos lo usan para contar átomos o moléculas mediante su pesada.

Cómo calcular la molaridad

La molaridad es el número de moles de soluto dividido por el volumen de la solución en litros:

$M = \frac{\text{moles de soluto}}{\text{volumen de la solución (L)}}$

Puesto que el número de moles es igual a la masa dividida por la masa molar, la fórmula queda:

$M = \frac{\text{masa del soluto (g)}}{\text{peso molecular (g/mol)} \times \text{volumen de la solución (L)}}$

Ejemplo. Disolver 5,85 g de cloruro de sodio (NaCl, peso molecular 58,44 g/mol) en la cantidad suficiente de agua para preparar 0,1 L de solución:

$M = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/L}$

El volumen final debe medirse después de que el soluto se haya disuelto por completo, no antes. Añadir un sólido a un volumen fijo de agua aumenta ligeramente el volumen total.

Cómo calcular la molalidad

La molalidad divide los moles de soluto por la masa del disolvente, en kilogramos, en lugar del volumen de la solución:

$m = \frac{\text{masa del soluto (g)}}{\text{peso molecular (g/mol)} \times \text{masa del disolvente (kg)}}$

Ejemplo. Disolver 5,85 g de NaCl en exactamente 100 g (0,1 kg) de agua:

$m = \frac{5.85}{58.44 \times 0.1} = 1.00 \text{ mol/kg}$

La herramienta no pide directamente la masa del disolvente. Obtiene la masa de la solución a partir del volumen y la densidad (litros × g/mL × 1.000) y luego resta la masa del soluto. Si no queda nada, muestra un error en lugar de un resultado.

Como la masa no cambia con la temperatura, la molalidad permanece constante cuando una solución se calienta o se enfría. La molaridad no lo hace, porque el volumen se dilata con el calor. Por eso la molalidad se usa para estudiar el descenso crioscópico y la elevación ebulloscópica.

Cómo calcular el porcentaje en masa

El porcentaje en masa es la masa de soluto dividida por la masa total de la solución, multiplicada por 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{masa del soluto}}{\text{masa de la solución}} \times 100$

Ejemplo. Disolver 10 g de azúcar en 90 g de agua, para obtener una masa total de solución de 100 g:

$\%\text{ w/w} = \frac{10}{100} \times 100 = 10\%$

En la herramienta, la masa de la solución es de nuevo el volumen de la solución multiplicado por su densidad.

Cómo calcular el porcentaje en volumen

El porcentaje en volumen divide el volumen de soluto por el volumen total de la solución:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{volumen de soluto}}{\text{volumen de la solución}} \times 100$

La herramienta pide la masa del soluto, no su volumen. Convierte la masa en volumen dividiéndola por la densidad propia del soluto, que es un dato distinto de la densidad de la solución. La densidad predeterminada del soluto, 2,165 g/mL, corresponde al soluto predeterminado de la herramienta, el cloruro de sodio sólido. Cámbiela para que coincida con su soluto.

Ejemplo. Se mezclan 11,835 g de etanol (densidad 0,789 g/mL) con agua hasta obtener 0,1 L (100 mL) de solución. El volumen del etanol es 11,835 ÷ 0,789 = 15 mL:

$\%\text{ v/v} = \frac{15}{100} \times 100 = 15\%$

Esta es la unidad que se usa para el contenido de alcohol de las bebidas. El vino tiene alrededor de 12 % de etanol en volumen, según el mismo libro de OpenStax. Los volúmenes de los líquidos no siempre se suman con exactitud al mezclarse, por lo que una solución precisa se mide hasta un volumen final en lugar de suponerlo a partir de la suma de sus partes.

Cómo calcular las partes por millón (ppm)

Las partes por millón se usan para soluciones muy diluidas. Se divide la masa de soluto por la masa de la solución y se multiplica por un millón:

$\text{ppm} = \frac{\text{masa del soluto}}{\text{masa de la solución}} \times 1{,}000{,}000$

Ejemplo. Una muestra de agua de 1.000 g contiene 0,002 g de plomo disuelto:

$\text{ppm} = \frac{0.002}{1000} \times 1{,}000{,}000 = 2 \text{ ppm}$

En soluciones acuosas diluidas, 1 ppm equivale aproximadamente a 1 miligramo de soluto por litro de solución.

Ejemplo resuelto: solución salina fisiológica

La solución salina fisiológica, que se usa para preparar líquidos intravenosos, se etiqueta como 0,9 % masa/volumen. Eso significa 0,9 g de sal por cada 100 mL de solución, una unidad mixta que la herramienta no informa. Para comprobar un lote preparado con 9 g de NaCl disueltos hasta un volumen final de 1 L, con una densidad de la solución de 1,005 g/mL:

Primero, se determina la masa total de la solución a partir de su volumen y densidad:

$\text{masa} = 1 \text{ L} \times 1.005 \text{ g/mL} \times 1000 = 1{,}005 \text{ g}$

• Porcentaje en masa: 9 ÷ 1.005 × 100 ≈ 0,896 %, ligeramente por debajo de la etiqueta de 0,9 % masa/volumen
• Molaridad: 9 ÷ (58,44 × 1) ≈ 0,154 mol/L
• Molalidad: la masa del disolvente es 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) ≈ 0,155 mol/kg
• Partes por millón: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm

La cifra de ppm no es exactamente 9.000 porque la masa de la solución es 1.005 g, no 1.000 g. Los 5 g adicionales se deben a que la densidad de la solución es ligeramente mayor que la del agua pura.

Otras unidades de concentración

Algunos campos usan unidades además de las cinco anteriores. Normalidad (N) cuenta unidades reactivas en lugar de moles; una solución de ácido sulfúrico (H₂SO₄) de 1 M tiene 2 N, porque cada molécula puede donar dos iones de hidrógeno. La fracción molar divide los moles de un componente por los moles totales de todas las sustancias de la mezcla, y se usa en cálculos de destilación. Para soluciones extremadamente diluidas, los químicos pasan de ppm a partes por mil millones (ppb) o partes por billón (ppt).

Fuentes comunes de error

Una concentración calculada puede diferir de la real por varios motivos. Al disolver un sólido cambia el volumen total de la solución, por lo que el volumen final debe medirse después de mezclar y no suponerse igual al volumen inicial del disolvente. Los reactivos de laboratorio rara vez son puros al 100 %; un reactivo con una pureza indicada (ensayo) inferior a 100 % requiere aumentar su masa para compensar. Algunos compuestos incluyen agua unida a su estructura cristalina, llamada agua de hidratación; el sulfato de cobre pentahidratado (CuSO₄·5H₂O) pesa más por mol que el sulfato de cobre anhidro (CuSO₄), y usar una masa molar equivocada cambia el resultado. La temperatura modifica el volumen de una solución, lo que cambia la molaridad pero no la molalidad.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre molaridad y molalidad? La molaridad divide por el volumen de la solución, en litros. La molalidad divide por la masa del disolvente, en kilogramos. El volumen cambia con la temperatura; la masa no. En soluciones acuosas diluidas a temperatura ambiente, los dos valores son cercanos.

¿Cómo se convierten ppm a porcentaje? Divida el valor en ppm por 10.000. Por ejemplo, 5.000 ppm equivalen a 0,5 %.

¿Es 1 ppm siempre igual a 1 mg/L? Solo de forma aproximada, y únicamente en soluciones diluidas cuya densidad es cercana a 1 g/mL, como la mayoría de las muestras de agua. En líquidos más densos los dos valores se separan.

¿Por qué mi concentración medida no coincide con el cálculo? Entre las causas habituales están un reactivo impuro, agua unida a la estructura cristalina del soluto, un volumen de solución medido antes de la mezcla completa o una temperatura distinta de la usada para preparar la solución.

¿Cuál es la concentración máxima que puede alcanzar un soluto? El límite es la solubilidad del soluto en ese disolvente a esa temperatura. Más allá de ese límite, queda sólido sin disolver en el fondo del recipiente.

¿La temperatura afecta la concentración? Sí, en las unidades basadas en el volumen. El agua se dilata al calentarse, por lo que la molaridad de una solución disminuye ligeramente al calentarla, aunque la cantidad de soluto no haya cambiado. El porcentaje en masa y la molalidad, que se basan en la masa, no se ven afectados.

Referencias

1. LibreTexts. Solution Concentration: Molality, Mass Percent, ppm and ppb. chem.libretexts.org — la molalidad son los moles de soluto por kilogramo de disolvente; la molaridad son los moles por litro.
2. OpenStax (a través de LibreTexts). Other Units for Solution Concentrations. chem.libretexts.org — definiciones de porcentaje en masa, porcentaje en volumen y ppm basadas en la masa; el vino tiene alrededor de 12 % de etanol en volumen; la solución salina, 0,9 % masa/volumen.
3. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Avogadro constant. physics.nist.gov — constante de Avogadro 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹, exacta.