Definiciones de solución, soluto y solvente. Cómo la molaridad se utiliza para cuantificar la concentración del soluto y otros cálculos relacionados a la molaridad.

Puntos más importantes

  • Las mezclas con una composición uniforme se llaman mezclas homogéneas o soluciones.
  • Las mezclas con composiciones no uniformes son mezclas heterogéneas.
  • En una mezcla, la sustancia química presente en mayor cantidad se llama solvente, mientras que los otros componentes se llaman solutos.
  • La molaridad o concentración molar es el número de moles de soluto por litro de solución, lo cual se puede calcular utilizando la siguiente ecuación:
Molaridad=moles de solutol de solucinoˊ\text{Molaridad}= \dfrac{\text{moles de soluto}}{\text{l de solución}}
  • La concentración molar puede usarse para realizar conversiones entre la masa o moles de soluto y el volumen de la solución.

Introducción: mezclas y soluciones

En la vida real solemos encontrar sustancias que son mezclas de diferentes elementos y compuestos. Un ejemplo de mezcla es el cuerpo humano. ¿Sabías que la masa del cuerpo humano es aproximadamente 57%57\% agua? Básicamente somos un conjunto de moléculas biológicas, gases e iones inorgánicos disueltos en agua. No sé tú, ¡pero yo lo encuentro bastante alucinante!
Si mezclamos sustancias de modo que su composición sea la misma en toda la muestra, les llamamos mezclas homogéneas. En contraste, una mezcla que no tiene una composición uniforme en toda la muestra se llama heterogénea.
Las mezclas homogéneas también se conocen como soluciones, y las soluciones pueden contener componentes que son sólidos, líquidos y/o gases. Muchas veces queremos cuantificar la cantidad de cierta especie presente en una solución, a lo cual le llamamos la concentración de dicha especie. En este artículo veremos cómo describir soluciones cuantitativamente y discutiremos cómo se puede utilizar esa información al hacer cálculos de estequiometría.

Concentración molar

El componente de una solución que está presente en mayor cantidad se conoce como solvente. Cualquier especie química mezclada en el solvente se llama soluto, y los solutos pueden ser gases, líquidos o sólidos. Por ejemplo, la atmósfera terrestre es una mezcla de 78%78\% gas nitrógeno, 21%21\% gas oxígeno y 1%1\% argón, dióxido de carbono y otros gases. Podemos pensar en la atmósfera como una solución donde el gas nitrógeno es el solvente y los solutos son oxígeno, argón y dióxido de carbono.
La molaridad o concentración molar de un soluto se define como el número de moles del soluto por litro de solución (¡no por litro de solvente!):
Molaridad=moles de solutol de solucinoˊ\text{Molaridad}= \dfrac{\text{moles de soluto}}{\text{l de solución}}
La molaridad tiene unidades de mollitro\dfrac{\text {mol}}{\text {litro}}, las cuales se pueden abreviar como molar o M\text M (que se pronuncia "molar"). La concentración molar de un soluto a veces se abrevia colocando corchetes al rededor de la fórmula química del soluto. Por ejemplo, la concentración de iones cloruro en una solución se puede escribir como [Cl][\text{Cl}^-]. La concentración molar nos permite hacer conversiones entre el volumen de la solución y los moles (o masa) del soluto.
Verificación de conceptos: el bronce es una aleación que puede pensarse como una solución sólida de ~88%88\% cobre mezclado con 12%12\% estaño. ¿Cuáles son el soluto y el solvente en el bronce?

Ejemplo 1: calcular la concentración molar de un soluto

Consideremos una solución hecha mediante la disolución de 2.355g2.355\,\text g de ácido sulfúrico, H2SO4\text H_2 \text {SO}_4, en agua. El volumen total de la solución es 50.0ml50.0\,\text{ml}. ¿Cuál es la concentración molar del ácido sulfúrico, [H2SO4][\text H_2 \text{SO}_4]?
Para encontrar [H2SO4][\text H_2 \text{SO}_4] tenemos que encontrar cuántos moles de ácido sulfúrico se encuentran en solución. Podemos convertir la masa del soluto a moles utilizando el peso molecular del ácido sulfúrico, 98.08gmol98.08\,\dfrac{\text g}{\text {mol}}:
mol H2SO4=2.355g H2SO4×1mol98.08g=0.02401mol H2SO4\text{mol H}_2\text{SO}_4=2.355\,\cancel{\text g} {\text{ H}_2\text{SO}_4}\times \dfrac{1\,\text {mol}} {98.08\,\cancel{\text {g}}} = 0.02401\,\text{mol H}_2\text{SO}_4
Ahora podemos sustituir los moles de ácido sulfúrico y el volumen total de la solución en la ecuación de molaridad para calcular la concentración molar de ácido sulfúrico:
[H2SO4]=mol solutolitros de solucinoˊ=0.02401mol0.050l=0.48M\begin{aligned} [\text H_2 \text{SO}_4]&= \dfrac{\text{mol soluto}}{\text{litros de solución}}\\ \\ &=\dfrac{0.02401\,\text{mol}}{0.050\,\text l}\\ \\ &=0.48 \,\text M\end{aligned}
Verificación de conceptos: ¿cuál es la concentración molar de iones H+\text H^+ en una solución 4.8M de H2SO44.8\,\text {M de H}_2 \text{SO}_4?

Ejemplo 2: hacer una solución con determinada concentración

A veces tenemos una concentración y un volumen de solución deseados y necesitamos saber cuánto soluto necesitamos para hacer la solución. En ese caso, podemos reordenar la ecuación de molaridad para encontrar los moles de soluto.
moles de soluto=Molaridad×l de solucinoˊ\text{moles de soluto}= {\text{Molaridad}}\times{\text{l de solución}}
Por ejemplo, digamos que queremos hacer 0.250l0.250\,\text {l} de una solución acuosa con [NaCl]=0.800M[\text{NaCl}]=0.800\,\text {M}. ¿Qué masa de soluto, NaCl\text{NaCl}, necesitamos para hacer esta solución?
Podemos usar la ecuación de molaridad reordenada para calcular los moles de NaCl\text{NaCl} necesarios para la concentración y volumen deseados:
mol NaCl=[NaCl]×l de solucinoˊ=0.800moll×0.250l=0.200mol NaCl\begin{aligned}\text{mol NaCl}&= [\text{NaCl}]\times{\text{l de solución}}\\ &=0.800\,\dfrac{\text{mol}}{\cancel{\text l}} \times 0.250\,\cancel{\text{l}}\\ &=0.200\,\text {mol NaCl}\end{aligned}
Después podemos usar el peso molecular del cloruro de sodio, 58.44gmol58.44\,\dfrac{\text g}{\text {mol}}, para convertir de moles a gramos de NaCl\text{NaCl}:
Masa de NaCl=0.200mol×58.44g1mol=11.7g NaCl\text {Masa de NaCl}=0.200\,\cancel{\text {mol}} \times \dfrac {58.44\,\text g}{1\,\cancel{\text {mol}}} = 11.7\,\text {g NaCl}
En la práctica, podemos usar esta información para crear nuestra solución como a continuación:
Paso 1. 1.~ Pesar 11.7g11.7\,\text g de cloruro de sodio.
Paso 2. 2.~ Transferir el cloruro de sodio a un matraz limpio y seco.
Paso 3. 3.~ Añadir agua al NaCl\text{NaCl} hasta que el volumen total de la solución sea 250ml250\,\text {ml}.
Paso 4. 4.~ Agitar hasta que el NaCl\text{NaCl} esté completamente disuelto.
La precisión de nuestra concentración molar depende de nuestra elección de material de vidrio, así como de la precisión de la balanza que utilicemos para medir el soluto. El material de vidrio determina la precisión del volumen de la solución. Si no somos demasiado quisquillosos, podemos mezclar la solución en un matraz Erlenmeyer o en un vaso de precipitados. Si queremos ser extremadamente precisos, como al hacer una solución estándar para un experimento de química analítica, probablemente mezclaríamos el soluto y el solvente en un matraz volumétrico (ver imagen abajo).

Resumen

  • Las mezclas con composición uniforme se llaman soluciones homogéneas.
  • Las mezclas con composición no uniforme son mezclas heterogéneas.
  • La sustancia química presente en mayor cantidad en una mezcla se llama solvente y los otros componentes se llaman solutos.
  • La molaridad o concentración molar es el número de moles de soluto por litro de solución, lo cual puede calcularse utilizando la siguiente ecuación:
Molaridad=moles de solutol de solucinoˊ\text{Molaridad}= \dfrac{\text{moles de soluto}}{\text{l de solución}}
  • La concentración molar puede usarse para realizar conversiones entre la masa o moles de soluto y el volumen de la solución.

Pruébalo: la estequiometría de una reacción de precipitación

La molaridad es un concepto útil para los cálculos estequiométricos que involucran reacciones en solución, como las reacciones de precipitación y neutralización. Por ejemplo, considera la reacción de precipitación que ocurre entre Pb(NO3)2(ac)\text{Pb(NO}_3)_2 (ac) y KI(ac)\text{KI} (ac). Cuando estas dos soluciones se combinan, se forma un precipitado amarillo brillante de PbI2(s)\text{PbI}_2 (s). La ecuación balanceada de esta reacción es:
Pb(NO3)2(ac)+2KI(ac)PbI2(s)+2KNO3(ac)\text{Pb(NO}_3)_2(ac) + 2\text{KI}(ac) \rightarrow \text{PbI}_2(s) + 2\text{KNO}_3(ac)
Si tenemos 0.1l0.1\,\text{l} de 0.10M Pb(NO3)20.10\,\text {M Pb(NO}_3)_2, ¿qué volumen de 0.10M KI(ac)0.10\,\text {M KI}(ac) deberíamos añadir para que reaccione con todo el Pb(NO3)2(ac)\text {Pb(NO}_3)_2(ac)?
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