Calculator de Concentrație a Soluțiilor – Molaritate, Molalitate și Altele

Ce este un calculator al concentrației soluțiilor?

Un calculator al concentrației soluțiilor determină cantitatea de solut dizolvată într-o soluție, exprimată într-o unitate aleasă. Solutul este substanța care se dizolvă, cum ar fi sarea sau zahărul. Acest instrument folosește masa solutului, masa molară a solutului, volumul soluției și densitatea soluției pentru a calcula cinci unități uzuale de concentrație: molaritate, molalitate, procent masic, procent volumic și părți per milion (ppm). Procentul volumic necesită încă o valoare, densitatea solutului, astfel că, atunci când este selectată această unitate, calculatorul o solicită.

Concentrația indică tăria unui amestec. Aceeași soluție poate fi descrisă în mai multe moduri, iar fiecare unitate este potrivită pentru un scop diferit. Un chimist care prepară un amestec de reacție folosește molaritatea. Un chimist specializat în chimie fizică, care studiază punctele de îngheț, folosește molalitatea. Un laborator de mediu care analizează apa folosește ppm.

Explicarea unităților de concentrație

• Molaritatea (M) — numărul de moli de solut pe litru de soluție. Este utilizată frecvent în chimia generală.
• Molalitatea (m) — numărul de moli de solut pe kilogram de solvent. Nu se modifică odată cu temperatura.
• Procentul masic (% m/m) — masa solutului împărțită la masa soluției, înmulțită cu 100.
• Procentul volumic (% v/v) — volumul solutului împărțit la volumul soluției, înmulțit cu 100. Se utilizează pentru amestecuri lichide, cum ar fi băuturile alcoolice.
• Părți per milion (ppm) — masa solutului la un milion de părți de soluție, raportate masic. Se utilizează pentru cantități foarte mici (de ordinul urmelor).

Un mol este un număr fix de particule (aproximativ 6,022 × 10²³), utilizat pentru numărarea atomilor sau moleculelor prin cântărirea lor.

Cum se calculează molaritatea

Molaritatea este numărul de moli de solut împărțit la volumul soluției, exprimat în litri:

$M = \frac{\text{moli de solut}}{\text{volumul soluției (L)}}$

Deoarece numărul de moli este egal cu masa împărțită la masa moleculară, formula devine:

$M = \frac{\text{masa solutului (g)}}{\text{masa moleculară (g/mol)} \times \text{volumul soluției (L)}}$

Exemplu. Se dizolvă 5,85 g de clorură de sodiu (NaCl, cu masa moleculară 58,44 g/mol) în suficientă apă pentru a obține 0,1 L de soluție:

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

Volumul final trebuie măsurat după dizolvarea completă a solutului, nu înainte. Adăugarea unui solid la un volum fix de apă mărește ușor volumul total.

Cum se calculează molalitatea

Molalitatea se calculează împărțind numărul de moli de solut la masa solventului, exprimată în kilograme, în locul volumului soluției:

$m = \frac{\text{masa solutului (g)}}{\text{masa moleculară (g/mol)} \times \text{masa solventului (kg)}}$

Exemplu. Se dizolvă 5,85 g de NaCl în exact 100 g (0,1 kg) de apă:

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

Deoarece masa nu se modifică odată cu temperatura, molalitatea rămâne constantă atunci când o soluție este încălzită sau răcită. Molaritatea nu rămâne constantă, deoarece volumul se dilată la încălzire. De aceea, molalitatea este utilizată pentru studierea scăderii punctului de îngheț și a creșterii punctului de fierbere.

Cum se calculează procentul masic

Procentul masic este masa solutului împărțită la masa totală a soluției, înmulțită cu 100:

$\%\text{ w/w} = \frac{\text{masa solutului}}{\text{masa soluției}} \times 100$

Exemplu. Se dizolvă 10 g de zahăr în 90 g de apă, obținându-se o masă totală a soluției de 100 g:

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

Peroxidul de hidrogen comercializat pentru uz casnic este etichetat de obicei „3 %”, ceea ce înseamnă 3 g de peroxid de hidrogen la 100 g de soluție.

Cum se calculează procentul volumic

Procentul volumic se calculează împărțind volumul solutului la volumul total al soluției:

$\%\text{ v/v} = \frac{\text{volumul solutului}}{\text{volumul soluției}} \times 100$

Exemplu. Se amestecă etanol cu apă pentru a obține 100 mL de soluție, folosind 15 mL de etanol:

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

Calculatorului nu i se furnizează direct volumul solutului. Acesta determină volumul din masa solutului și densitatea proprie a solutului, motiv pentru care solicită această densitate în acest mod:

$\text{volumul solutului (L)} = \frac{\text{masa solutului (g)}}{\text{densitatea solutului (g/mL)} \times 1000}$

Introducerea valorii 10 g pentru etanol, a cărui densitate este 0,789 g/mL, dă 12,67 mL de etanol. În 1 L de soluție, aceasta reprezintă 1,27 % v/v. Densitatea solutului nu este aceeași cu densitatea soluției, iar utilizarea densității soluției aici ar da un răspuns greșit pentru orice solut mai dens sau mai puțin dens decât amestecul.

Aceasta este unitatea utilizată pentru conținutul de alcool al băuturilor. Vinul are de obicei 12–14% v/v; băuturile spirtoase distilate au 40 % v/v sau mai mult. Volumele lichidelor nu se adună întotdeauna exact atunci când sunt amestecate, astfel că o soluție precisă este măsurată până la un volum final, nu presupusă pe baza sumei componentelor sale.

Cum se calculează părțile per milion (ppm)

Părțile per milion se utilizează pentru soluții foarte diluate. Masa solutului se împarte la masa soluției și se înmulțește cu un milion:

$\text{ppm} = \frac{\text{masa solutului}}{\text{masa soluției}} \times 1{,}000{,}000$

Exemplu. O probă de apă de 1.000 g conține 0,002 g de plumb dizolvat:

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

Pentru soluțiile apoase diluate, 1 ppm este aproximativ egal cu 1 miligram de solut per litru de soluție.

Exemplu rezolvat: soluție salină fiziologică

Soluția salină fiziologică este o soluție de sare de 0,9 % utilizată în medicină deoarece are aceeași concentrație de sare ca plasma sanguină. Pentru verificarea unui lot preparat din 9 g de NaCl dizolvat până la un volum final de 1 L, cu o densitate a soluției de 1,005 g/mL:

Mai întâi, se determină masa totală a soluției din volumul și densitatea sa:

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

• Procent masic: 9 ÷ 1.005 × 100 = 0,90 %
• Molaritate: 9 ÷ (58,44 × 1) = 0,154 mol/L
• Molalitate: masa solventului este 1.005 − 9 = 996 g (0,996 kg); 9 ÷ (58,44 × 0,996) = 0,155 mol/kg
• Părți per milion: 9 ÷ 1.005 × 1.000.000 ≈ 8.955 ppm
• Procent volumic: sarea solidă are o densitate de 2,165 g/mL, astfel că 9 g ocupă 4,157 mL; 0,004157 ÷ 1 × 100 = 0,42 % v/v

Valoarea în ppm nu este exact 9.000 deoarece masa soluției este 1.005 g, nu 1.000 g. Cele 5 g în plus provin din faptul că densitatea soluției este puțin mai mare decât cea a apei pure.

Alte unități de concentrație

Unele domenii folosesc și alte unități în afara celor cinci de mai sus. Normalitatea (N) numără unități reactive în locul molilor; o soluție de acid sulfuric (H₂SO₄) de 1 M are 2 N, deoarece fiecare moleculă poate dona doi ioni de hidrogen. Fracția molară împarte numărul de moli ai unei componente la numărul total de moli ai tuturor componentelor din amestec și este utilizată în calculele de distilare. Pentru soluții extrem de diluate, chimiștii trec de la ppm la părți per miliard (ppb) sau părți per trilion (ppt).

Surse frecvente de erori

O concentrație calculată poate diferi de cea reală din mai multe motive. Dizolvarea unui solid modifică volumul total al unei soluții, astfel că volumul final trebuie măsurat după amestecare, nu presupus egal cu volumul inițial al solventului. Substanțele chimice de laborator au rareori o puritate de 100 %; un reactiv etichetat „98,5 % assay” necesită creșterea masei pentru compensare. Unii compuși conțin apă legată în structura lor cristalină, numită apă de cristalizare; sulfatul de cupru pentahidrat (CuSO₄·5H₂O, 249,68 g/mol) cântărește mai mult pe mol decât sulfatul de cupru anhidru (159,61 g/mol), iar utilizarea masei moleculare greșite modifică rezultatul. Schimbările de temperatură modifică volumul soluției, ceea ce schimbă molaritatea, dar nu și molalitatea.

Întrebări frecvente

Care este diferența dintre molaritate și molalitate? Molaritatea se calculează împărțind la volumul soluției, exprimat în litri. Molalitatea se calculează împărțind la masa solventului, exprimată în kilograme. Volumul se modifică odată cu temperatura; masa nu. Pentru soluțiile apoase diluate, la temperatura camerei, cele două valori sunt apropiate.

Cum convertesc ppm în procente? Se împarte valoarea în ppm la 10.000. De exemplu, 5.000 ppm este egal cu 0,5 %.

Este 1 ppm întotdeauna egal cu 1 mg/L? Doar aproximativ și numai pentru soluții diluate a căror densitate este apropiată de 1 g/mL, cum sunt majoritatea probelor de apă. Pentru lichidele mai dense, cele două valori diferă.

De ce concentrația măsurată nu corespunde calculului meu? Printre cauzele frecvente se numără un reactiv impur, apa legată în structura cristalină a solutului, măsurarea volumului soluției înainte de amestecarea completă sau o temperatură diferită de cea utilizată la prepararea soluției.

Care este concentrația maximă pe care o poate atinge un solut? Limita este dată de solubilitatea solutului în solventul respectiv la temperatura respectivă. Sarea de bucătărie se dizolvă în apă în proporție de aproximativ 36 g la 100 mL la temperatura camerei; peste această limită, solidul nedizolvat rămâne pe fundul recipientului.

Influențează temperatura concentrația? Da, în cazul unităților bazate pe volum. Apa se dilată pe măsură ce se încălzește, astfel că molaritatea unei soluții scade ușor la încălzire, chiar dacă cantitatea de solut nu s-a modificat. Procentul masic și molalitatea, care se bazează pe masă, nu sunt afectate.

Referințe

1. Harris, D. C. (2015). Analiză chimică cantitativă (ed. a 9-a). W. H. Freeman.
2. Chang, R., & Goldsby, K. A. (2015). Chimie (ed. a 12-a). McGraw-Hill Education.
3. Uniunea Internațională de Chimie Pură și Aplicată. (1997). Compendiu de terminologie chimică („Cartea de aur”).
4. Institutul Național de Standarde și Tehnologie. NIST Chemistry WebBook. https://webbook.nist.gov/chemistry/