Formas de expresar las concentraciones y sus aplicaciones al análisis volumétrico
1. Unidades de concentración física y
química
1.1. Concentraciones físicas
Son formas prácticas de expresar la cantidad
de soluto disuelto en una solución, utilizando masa y/o volumen. Se usan con
frecuencia en laboratorios de análisis cualitativo o preparación de soluciones
simples.
📌
Porcentaje masa/masa (% m/m):
Es una unidad de
concentración física que expresa cuántos gramos de soluto hay por cada 100
gramos de solución.
· Muy
usada en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética.
· Ideal
cuando se mezclan sustancias sólidas o soluciones concentradas.
· No
depende del volumen, por lo que es útil cuando se trabaja en condiciones de
temperatura no controladas.
· Común
en etiquetas de productos (por ejemplo, desinfectantes, cremas o soluciones de
limpieza).
📌
Porcentaje masa/volumen (% m/v):
Expresa cuántos gramos de soluto hay por cada 100
mL de solución.
·
Muy
común en laboratorios clínicos, farmacéuticos y escolares.
·
Útil
cuando se disuelve un sólido en un líquido.
·
Aparece
frecuentemente en etiquetas de medicamentos líquidos, por ejemplo: “solución de
glucosa al 5 % m/v”.
·
Es
práctica porque combina la facilidad de pesar sólidos y medir líquidos,
facilitando la preparación en el laboratorio.
📌
Porcentaje volumen a volumen (% v/v):
Expresa cuántos mililitros de soluto hay por
cada 100 mL de solución total.
·
Muy
utilizada cuando los líquidos son miscibles entre sí.
·
Frecuente
en la industria de bebidas alcohólicas (por ejemplo, una cerveza al 5% v/v de
etanol).
·
También
en cosméticos, perfumes, productos de limpieza y soluciones desinfectantes.
·
Útil
cuando es más práctico medir volúmenes que masas.
📌
Partes por millón (ppm):
Esta unidad se utiliza para expresar
concentraciones muy pequeñas de un soluto en una solución. En soluciones
acuosas, 1 ppm ≈ 1 mg/L.
·
Muy
útil para expresar concentraciones extremadamente pequeñas.
· Ampliamente
usada en:
1)
Control
de calidad de aguas potables y residuales
2)
Análisis
ambiental (metales pesados, contaminantes, pesticidas)
3) Industrias
alimentaria y farmacéutica
·
Ideal
cuando se necesitan valores precisos y seguros, como límites máximos de
contaminantes.
📌
Partes por billón (ppb):
La unidad ppb se
usa para expresar concentraciones aún más pequeñas que las ppm en soluciones
acuosas (1 ppb ≈ 1 µg/L), y se expresa en:
·
Utilizado
para medir contaminantes en niveles ultra bajos, como trazas de metales
pesados, pesticidas o toxinas.
·
Fundamental
en estudios ambientales, calidad del aire y agua, donde incluso cantidades
minúsculas pueden ser dañinas.
·
Empleado
en análisis farmacéuticos y alimentarios cuando se requieren altos niveles de
sensibilidad.
✅ Ejercicio 1: Preparación de una solución desinfectante de hipoclorito
Una auxiliar de
laboratorio debe preparar 500 mL de una solución desinfectante con hipoclorito
de sodio (NaClO), que debe tener una concentración del 3.0 % m/v. Para ello,
cuenta con hipoclorito de sodio comercial con una pureza del 100 % en estado
líquido.
Pregunta:
¿Cuántos gramos de NaClO debe pesar para preparar esta solución?
Respuesta: 15.0 g de NaClO
✅ Ejercicio 2: Azúcar en una bebida energética
Un estudiante
realiza un experimento para determinar el contenido de azúcar en una bebida
energética de 350 mL. Tras evaporar el agua y secar la muestra, encuentra que
contiene 39.2 g de azúcar.
Pregunta:
Expresa la concentración de azúcar en la bebida como % m/v, y discute si el
consumo frecuente de esta bebida podría representar un riesgo para la salud,
considerando la recomendación de la OMS de un máximo de 25 g de azúcares libres
al día.
Respuesta: 11.2 % m/v
✅ Ejercicio 3: Desinfectante alcohólico en laboratorio escolar
Una docente desea
preparar 2 L de una solución de etanol al 70 % v/v, que se utilizará como
desinfectante en el laboratorio escolar. Para ello cuenta con etanol absoluto
(100 % v/v).
Pregunta:
¿Cuántos mililitros de etanol debe medir y cuánta agua destilada debe agregar
para preparar la solución deseada?
Respuesta: 1400 mL
de etanol y 600 mL de agua destilada
✅ Ejercicio 4: Contaminación por plomo en agua potable
Una planta
potabilizadora detecta que en una muestra de agua de 1.00 L hay 0.015 mg de
iones Pb²⁺. El límite máximo permitido por la OMS para plomo en agua potable es
de 0.010 ppm.
Pregunta:
Calcula la concentración de plomo en ppm en la muestra y determina si esta agua
cumple con los estándares de seguridad.
Respuesta: 0.015 ppm
✅ Ejercicio 5: Desinfectante casero con vinagre y bicarbonato
Una persona desea
preparar un limpiador ecológico mezclando 20 g de bicarbonato de sodio en 250 g
de vinagre blanco (que actúa como disolvente).
Pregunta:
a) Calcula la concentración del bicarbonato en % m/m.
b) Si la persona
desea duplicar la cantidad de limpiador manteniendo la misma concentración,
¿cuántos gramos de cada sustancia debe usar?
Respuestas:
a) 7.41 % m/m
b) 40 g de bicarbonato y 500 g de vinagre
1.2. Concentraciones químicas
Se basan en relaciones molares entre el soluto
y el solvente o solución.
📌
Molaridad (M):
La molaridad es una unidad de concentración
química que expresa la cantidad de moles de soluto disueltos en un litro de
solución. Se representa con la letra M y su fórmula es:
La molaridad es una de las formas más
comunes de expresar la concentración en química porque:
- Permite calcular cantidades exactas de reactivos
necesarios en reacciones químicas.
- Es fundamental en titulaciones, donde se requiere
conocer con precisión la concentración de una solución valorante.
- Se utiliza para preparar soluciones en el
laboratorio, ya que está relacionada directamente con la estequiometría de
las reacciones.
- Es muy útil en química analítica y química general
porque se ajusta fácilmente al uso del volumen como unidad de medición en
laboratorio.
📌
Molalidad (m):
La molalidad es una unidad de concentración
química que expresa la cantidad de moles de soluto disueltos en 1 kilogramo de
disolvente. Se representa con la letra m y su fórmula es:
La molalidad es especialmente útil en
situaciones donde la temperatura varía, porque:
- No depende del volumen, por lo que no cambia con
la temperatura (a diferencia de la molaridad).
- Se utiliza en el estudio de propiedades
coligativas como:
- Disminución del punto de
congelación
- Elevación del punto de
ebullición
- Presión osmótica
- Es ideal para trabajos termodinámicos y
fisicoquímicos, especialmente cuando se requiere precisión en condiciones
de cambio de estado físico.
📌
Fracción molar (χ):
La fracción molar es una unidad de concentración que
expresa la proporción del número de moles de un componente respecto al total de
moles presentes en la mezcla. No tiene unidades.
Para un componente A en una solución:
La suma de todas las fracciones molares en una mezcla es
igual a 1.
- Es
útil en estudios termodinámicos, donde se requiere analizar el
comportamiento de mezclas ideales o no ideales.
- Se
emplea en el cálculo de propiedades como:
- Presión
de vapor (Ley de Raoult)
- Energía
libre y otras funciones termodinámicas
- Es
independiente de temperatura y presión.
- Útil
en mezclas de gases (como en la Ley de Dalton) y en soluciones
concentradas o diluidas, donde otras unidades pueden ser menos precisas.
💡 Estas unidades permiten una alta precisión, especialmente en análisis
volumétrico.
✅ Ejercicio 1: Preparación de una solución de ácido clorhídrico (HCl)
Un técnico de
laboratorio necesita preparar 250.0 mL de una solución 0.500 M de HCl para una
práctica de titulación. Cuenta con HCl concentrado (36.5 % m/m, densidad = 1.18
g/mL).
Pregunta: ¿Cuántos mililitros del HCl concentrado debe medir y diluir para
preparar la solución deseada?
Respuesta: 10.6 mL
✅ Ejercicio 2: Molalidad en una solución anticongelante
En zonas frías, los
autos usan soluciones anticongelantes para evitar que el radiador se congele.
Un mecánico mezcla 615 g de etilenglicol (C₂H₆O₂) con 500.0 g de agua para
preparar una solución.
Pregunta: Calcula la molalidad de la solución resultante. ¿Por qué este tipo de
concentración es más útil que la molaridad en este caso?
Respuesta: 19.8
mol/kg
Ventaja de la molalidad: Es
independiente de la temperatura, ideal para soluciones sometidas a cambios
térmicos como los anticongelantes.
✅ Ejercicio 3: Solución salina intravenosa
Un hospital prepara
bolsas de solución salina al 0.90 % m/v de NaCl para uso intravenoso. Una bolsa
contiene 500 mL de solución.
Preguntas: a) ¿Cuántos moles de NaCl hay en una bolsa?
b) ¿Cuál es la
molaridad de la solución?
Respuestas: a) 0.077 moles de NaCl y b) Molaridad de la solución: 0.154 M
✅ Ejercicio 4: Preparación de una solución de sulfato de cobre
Una docente desea
preparar 1.000 L de solución 0.200 M de sulfato de cobre (II) pentahidratado,
CuSO₄·5H₂O para usarla en un experimento de electroquímica.
Pregunta: ¿Cuántos gramos del compuesto debe pesar para preparar la solución?
Respuesta: 49.9 g de CuSO₄·5H₂O
✅ Ejercicio 5: Fracción molar en una mezcla de laboratorio
Un estudiante
mezcla 10.0 g de cloruro de sodio (NaCl) con 90.0 g de agua para disolverlo
completamente y formar una solución salina.
Preguntas: a) Calcula la fracción molar del NaCl y del agua en la solución.
b) Explica por qué
la fracción molar es útil en estudios termodinámicos.
Respuestas: a) χNaCl = 0.033
y χAgua = 0.967
b) Importancia de la fracción molar: Útil en estudios
termodinámicos porque no depende del volumen o temperatura, y permite el
análisis de propiedades coligativas y energéticas.
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