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. Soluto é a substância que está sendo dissolvida, como sal ou açúcar. Essa ferramenta converte a massa do soluto, sua massa molar, o volume da solução e a densidade da solução em cinco unidades comuns de concentração: molaridade, molalidade, porcentagem em massa, porcentagem em volume e partes por milhão (ppm). A porcentagem em volume precisa de mais um valor, a densidade do próprio soluto, por isso a calculadora solicita esse dado quando essa unidade é selecionada.

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) — quantidade de matéria do soluto por litro de solução. Comum em química geral.
• Molalidade (m) — quantidade de matéria do soluto por quilograma de solvente. Não varia 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 em misturas líquidas, como bebidas alcoólicas.
• Partes por milhão (ppm) — massa do soluto por milhão de partes da solução em massa. Usada para quantidades muito pequenas (traços).

Um mol é uma quantidade fixa de partículas (cerca de 6,022 × 10²³), usada para contar átomos ou moléculas por meio de sua 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:

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

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:

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

O peróxido de hidrogênio vendido para uso doméstico geralmente é rotulado como "3%", o que significa 3 g de peróxido de hidrogênio por 100 g de solução.

Como calcular a porcentagem em volume

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

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

Exemplo. Misture etanol com água para obter 100 mL de solução, usando 15 mL de etanol:

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

A calculadora não recebe diretamente o volume do soluto. Ela calcula esse volume a partir da massa do soluto e da densidade do próprio soluto, por isso solicita essa densidade neste modo:

$\text{volume do soluto (L)} = \frac{\text{massa do soluto (g)}}{\text{densidade do soluto (g/mL)} \times 1000}$

Inserir 10 g de etanol, cuja densidade é 0,789 g/mL, resulta em 12,67 mL de etanol. Em 1 L de solução, isso corresponde a 1,27% v/v. A densidade do soluto não é o mesmo valor que a densidade da solução, e usar a densidade da solução neste caso daria uma resposta errada para qualquer soluto mais denso ou menos denso que a mistura.

Essa é a unidade usada para indicar o teor alcoólico de bebidas. O vinho geralmente tem 12–14% v/v; as bebidas destiladas têm 40% v/v ou mais. Os volumes de líquidos nem sempre se somam exatamente quando são misturados, portanto uma solução precisa é medida até um volume final, em vez de ser estimada pela soma de seus componentes.

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 é uma solução de sal a 0,9% usada na medicina porque corresponde à concentração de sais do plasma sanguíneo. Para verificar um lote preparado com 9 g de NaCl dissolvidos até um 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 = 0,90%
• 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
• Porcentagem em volume: o sal sólido tem densidade de 2,165 g/mL, portanto 9 g ocupam 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42% v/v

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 concentração real por vários motivos. Dissolver um sólido altera o volume total de uma solução, portanto o volume final deve ser medido depois da mistura, e não considerado igual ao volume inicial do solvente. Produtos químicos de laboratório raramente têm pureza de 100%; um reagente rotulado como "ensaio de 98,5%" precisa ter sua massa aumentada para compensar. Alguns compostos contêm água ligada à sua estrutura cristalina, chamada água de cristalização; o sulfato de cobre penta-hidratado (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) pesa mais por mol que o sulfato de cobre anidro (159,61 g/mol), e usar a massa molar errada altera o resultado. A temperatura altera o volume de uma solução, o que modifica a molaridade, mas não a molalidade.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre molaridade e molalidade? A molaridade divide pela volume da solução, em litros. A molalidade divide pela massa do solvente, em quilogramas. O volume varia com a temperatura; a massa não. Para soluções aquosas diluídas 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 para soluções diluídas cuja densidade seja próxima de 1 g/mL, como ocorre com a maioria das amostras de água. Para líquidos mais densos, os dois valores divergem.

Por que minha concentração medida não corresponde ao meu 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 daquela usada no preparo da solução.

Qual é a concentração máxima que um soluto pode atingir? O limite é a solubilidade do soluto nesse solvente e nessa temperatura. O sal de cozinha se dissolve até cerca de 36 g por 100 mL de água à temperatura ambiente; acima disso, permanece sólido não dissolvido no fundo do recipiente.

A temperatura afeta a concentração? Sim, no caso de unidades baseadas em volume. A água se expande ao ser aquecida, portanto a molaridade de uma solução diminui ligeiramente durante o aquecimento, embora a quantidade de soluto não tenha mudado. A porcentagem em massa e a molalidade, que se baseiam em massa, não são afetadas.

Referências

1. Harris, D. C. (2015). Análise química quantitativa (9.ª ed.). W. H. Freeman.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.
3. União Internacional de Química Pura e Aplicada. (1997). Compêndio de terminologia química (o "Livro de Ouro").
4. Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/