Disoluciones y concentraciones

Formas de expresar la concentración

• % en masa: gramos de soluto por cada 100 g de disolución. ppm: miligramos de soluto por kilogramo de disolución.
• Molaridad M: moles de soluto por litro de disolución. g/L y % m/v: gramos de soluto por litro o por 100 mL de disolución.
• Molalidad m: moles de soluto por kilogramo de disolvente (no de disolución). No depende de la temperatura.
• Fracción molar x_s = n_s / (n_s + n_d): no tiene unidades y las de soluto y disolvente suman 1.
• Normalidad N: equivalentes de soluto por litro, N = z · M, con z los H⁺ que cede un ácido, los OH⁻ de una base o los electrones de una redox.

Cómo se pasa de una a otra

Se elige una base de cálculo que haga sencillo el dato: 100 g de disolución para el % en masa, 1 kg de disolvente para la molalidad, 1 mol en total para la fracción molar o 1 L de disolución para la molaridad. Con esa cantidad se sacan los gramos y los moles de soluto y de disolvente, y la densidad (m = ρ V) pasa de masa a volumen.

Diluciones

Al añadir disolvente no cambia la cantidad de soluto, así que C₁ V₁ = C₂ V₂. Para preparar una disolución desde un reactivo comercial se calculan los gramos de soluto puro que hacen falta, se dividen por la riqueza y la densidad da el volumen que hay que medir. Con ácidos concentrados, siempre el ácido sobre el agua y nunca al revés.

Propiedades coligativas

Dependen de cuántas partículas de soluto hay, no de cuáles. Con m la molalidad e i el factor de van 't Hoff (las partículas que da cada fórmula al disolverse):

• Descenso crioscópico: ΔT_c = i K_c m. El agua salada congela por debajo de 0 °C.
• Aumento ebulloscópico: ΔT_e = i K_e m.
• Presión osmótica: π = i M R T, con M la molaridad y R = 0,082 atm·L/(mol·K).
• Ley de Raoult: la presión de vapor del disolvente baja, P = x_d P°.

Al revés, midiendo cualquiera de ellas se obtiene la masa molar del soluto. La presión osmótica es la más sensible y sirve para moléculas grandes como las proteínas.

Solubilidad y temperatura

La solubilidad de un sólido en agua es la masa máxima que se disuelve en 100 g a una temperatura, y casi siempre crece al calentar (KNO₃ sube de 13 a 246 g/100 g entre 0 y 100 °C), aunque en el NaCl cambia poco y en el Ca(OH)₂ o el Li₂SO₄ baja. Una disolución saturada que se enfría cristaliza la diferencia entre las dos solubilidades. Los datos están cada 20 °C y entre ellos se interpola con una recta, así que el resultado es aproximado.

Gases: ley de Henry

A una temperatura dada, la concentración de un gas disuelto es proporcional a su presión parcial: $c = k_H p$. Al subir la temperatura baja $k_H$, por eso un refresco caliente pierde el gas y un lago caliente tiene menos oxígeno. La ley falla para gases que reaccionan con el agua.