Calculadora de Concentração de Solução – Molaridade, Molalidade e Mais

O que é uma calculadora de concentração de soluções?

Uma calculadora de concentração de soluções determina quanto soluto está dissolvido em uma solução, expresso em uma unidade escolhida. O soluto é a substância que está sendo dissolvida, como sal ou açúcar. A ferramenta recebe cinco dados: a massa do soluto em gramas, sua massa molecular, o volume da solução em litros, a densidade da solução e a densidade do próprio soluto. Com eles, informa uma de cinco unidades comuns de concentração: molaridade, molalidade, porcentagem em massa, porcentagem em volume e partes por milhão (ppm).

A concentração descreve a intensidade de uma mistura. A mesma solução pode ser descrita de várias maneiras, e cada unidade é adequada a uma finalidade diferente. Um químico que mistura uma reação usa a molaridade. Um físico-químico que estuda pontos de congelamento usa a molalidade. Um laboratório ambiental que analisa água usa ppm.

Explicação das unidades de concentração

• Molaridade (M): mols de soluto por litro de solução. Comum na química geral.
• Molalidade (m): mols de soluto por quilograma de solvente, e não por litro de solução (LibreTexts). Não muda com a temperatura.
• Porcentagem em massa (% m/m): massa do soluto dividida pela massa da solução, multiplicada por 100.
• Porcentagem em volume (% v/v): volume do soluto dividido pelo volume da solução, multiplicado por 100. Usada para misturas líquidas, como bebidas alcoólicas.
• Partes por milhão (ppm): massa do soluto dividida pela massa da solução, multiplicada por 1.000.000. Usada para quantidades muito pequenas (traços).

As definições de porcentagem e de ppm seguem o livro didático gratuito Chemistry, da OpenStax.

Um mol é um número fixo de partículas, cerca de 6,022 × 10²³. Esse número, a constante de Avogadro, tem um valor definido exato. Os químicos o usam para contar átomos ou moléculas por meio da pesagem.

Como calcular a molaridade

A molaridade é a quantidade de matéria do soluto dividida pelo volume da solução em litros:

$M = \frac{\text{mols de soluto}}{\text{volume da solução (L)}}$

Como a quantidade de matéria é igual à massa dividida pela massa molar, a fórmula fica:

$M = \frac{\text{massa do soluto (g)}}{\text{massa molar (g/mol)} \times \text{volume da solução (L)}}$

Exemplo. Dissolva 5,85 g de cloreto de sódio (NaCl, massa molar de 58,44 g/mol) em água suficiente para obter 0,1 L de solução:

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

O volume final deve ser medido depois que o soluto estiver completamente dissolvido, não antes. Adicionar um sólido a um volume fixo de água aumenta ligeiramente o volume total.

Como calcular a molalidade

A molalidade divide a quantidade de matéria do soluto pela massa do solvente, em quilogramas, em vez do volume da solução:

$m = \frac{\text{massa do soluto (g)}}{\text{massa molar (g/mol)} \times \text{massa do solvente (kg)}}$

Exemplo. Dissolva 5,85 g de NaCl em exatamente 100 g (0,1 kg) de água:

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

A ferramenta não pede diretamente a massa do solvente. Ela calcula a massa da solução a partir do volume e da densidade (litros × g/mL × 1.000) e depois subtrai a massa do soluto. Se não sobrar nada, mostra um erro em vez de um resultado.

Como a massa não varia com a temperatura, a molalidade permanece constante quando uma solução é aquecida ou resfriada. A molaridade não permanece, porque o volume se expande com o calor. Por isso, a molalidade é usada para estudar o abaixamento do ponto de congelamento e a elevação do ponto de ebulição.

Como calcular a porcentagem em massa

A porcentagem em massa é a massa do soluto dividida pela massa total da solução, multiplicada por 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{massa do soluto}}{\text{massa da solução}} \times 100$

Exemplo. Dissolva 10 g de açúcar em 90 g de água, obtendo uma massa total de solução de 100 g:

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

Na ferramenta, a massa da solução é, novamente, o volume da solução multiplicado por sua densidade.

Como calcular a porcentagem em volume

A porcentagem em volume divide o volume do soluto pelo volume total da solução:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{volume do soluto}}{\text{volume da solução}} \times 100$

A ferramenta pede a massa do soluto, não o seu volume. Ela transforma a massa em volume dividindo-a pela densidade do próprio soluto, que é um dado separado da densidade da solução. A densidade padrão do soluto, 2,165 g/mL, pertence ao soluto padrão da ferramenta, o cloreto de sódio sólido. Altere-a para corresponder ao seu soluto.

Exemplo. Misture 11,835 g de etanol (densidade de 0,789 g/mL) com água para obter 0,1 L (100 mL) de solução. O volume do etanol é 11,835 ÷ 0,789 = 15 mL:

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

Essa é a unidade usada para o teor alcoólico das bebidas. O vinho tem cerca de 12% de etanol em volume, segundo o mesmo livro da OpenStax. Os volumes de líquidos nem sempre se somam exatamente quando misturados, por isso uma solução precisa é preparada até um volume final medido, e não presumida a partir da soma de suas partes.

Como calcular partes por milhão (ppm)

Partes por milhão são usadas para soluções muito diluídas. Elas dividem a massa do soluto pela massa da solução e multiplicam por um milhão:

$\text{ppm} = \frac{\text{massa do soluto}}{\text{massa da solução}} \times 1{,}000{,}000$

Exemplo. Uma amostra de água de 1.000 g contém 0,002 g de chumbo dissolvido:

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

Para soluções aquosas diluídas, 1 ppm é aproximadamente igual a 1 miligrama de soluto por litro de solução.

Exemplo resolvido: solução salina fisiológica

A solução salina fisiológica, usada para preparar fluidos intravenosos, é rotulada como 0,9% massa/volume. Isso significa 0,9 g de sal por 100 mL de solução, uma unidade mista que a ferramenta não informa. Para verificar um lote preparado com 9 g de NaCl dissolvidos até o volume final de 1 L, com densidade da solução de 1,005 g/mL:

Primeiro, determine a massa total da solução a partir de seu volume e densidade:

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

• Porcentagem em massa: 9 ÷ 1.005 × 100 ≈ 0,896%, ligeiramente abaixo do rótulo de 0,9% massa/volume
• Molaridade: 9 ÷ (58,44 × 1) ≈ 0,154 mol/L
• Molalidade: a massa do solvente é 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) ≈ 0,155 mol/kg
• Partes por milhão: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm

O valor em ppm não é exatamente 9.000 porque a massa da solução é 1.005 g, não 1.000 g. Os 5 g extras resultam do fato de a densidade da solução ser ligeiramente maior que a da água pura.

Outras unidades de concentração

Alguns campos usam unidades além das cinco anteriores. Normalidade (N) conta unidades reativas em vez de mols; uma solução de ácido sulfúrico (H₂SO₄) de 1 M tem 2 N, porque cada molécula pode doar dois íons hidrogênio. A fração molar divide a quantidade de matéria de um componente pela quantidade de matéria total de todos os componentes da mistura e é usada em cálculos de destilação. Para soluções extremamente diluídas, os químicos passam de ppm para partes por bilhão (ppb) ou partes por trilhão (ppt).

Fontes comuns de erro

Uma concentração calculada pode diferir da real por vários motivos. Dissolver um sólido altera o volume total de uma solução, portanto o volume final deve ser medido após a mistura, e não presumido igual ao volume inicial do solvente. Os reagentes de laboratório raramente têm 100% de pureza; um reagente com pureza rotulada (teor) abaixo de 100% exige que sua massa seja aumentada para compensar. Alguns compostos contêm água ligada à sua estrutura cristalina, chamada de água de hidratação; o sulfato de cobre pentaidratado (CuSO₄·5H₂O) pesa mais por mol que o sulfato de cobre anidro (CuSO₄), e usar a massa molecular errada altera o resultado. A temperatura altera o volume de uma solução, o que muda a molaridade, mas não a molalidade.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre molaridade e molalidade? A molaridade divide pelo volume da solução, em litros. A molalidade divide pela massa do solvente, em quilogramas. O volume muda com a temperatura; a massa não. Em soluções diluídas à base de água, à temperatura ambiente, os dois valores são próximos.

Como converter ppm em porcentagem? Divida o valor em ppm por 10.000. Por exemplo, 5.000 ppm equivalem a 0,5%.

1 ppm é sempre igual a 1 mg/L? Apenas aproximadamente, e somente em soluções diluídas, nas quais a densidade da solução é próxima de 1 g/mL, como na maioria das amostras de água. Em líquidos mais densos, os dois valores divergem.

Por que a concentração medida não coincide com o cálculo? As causas comuns incluem um reagente impuro, água ligada à estrutura cristalina do soluto, um volume de solução medido antes da mistura completa ou uma temperatura diferente da usada no preparo da solução.

Qual é a concentração máxima que um soluto pode atingir? O limite é a solubilidade do soluto naquele solvente naquela temperatura. Além desse limite, o sólido não dissolvido permanece no fundo do recipiente.

A temperatura afeta a concentração? Sim, nas unidades baseadas em volume. A água se expande ao aquecer, então a molaridade de uma solução diminui ligeiramente com o aquecimento, mesmo que a quantidade de soluto não tenha mudado. A porcentagem em massa e a molalidade, que se baseiam na massa, não são afetadas.

Referências

1. LibreTexts. Solution Concentration: Molality, Mass Percent, ppm and ppb. chem.libretexts.org — molalidade é o número de mols de soluto por quilograma de solvente; molaridade é o número de mols por litro.
2. OpenStax (via LibreTexts). Other Units for Solution Concentrations. chem.libretexts.org — definições de porcentagem em massa, porcentagem em volume e ppm baseado em massa; vinho com cerca de 12% de etanol em volume; solução salina a 0,9% massa/volume.
3. National Institute of Standards and Technology. CODATA Value: Avogadro constant. physics.nist.gov — constante de Avogadro 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹, exata.