Concentración de masa (química)

En química , la concentración de masa ρ _i (o γ _i ) se define como la masa de un constituyente m _i dividido por el volumen de la mezcla de V . ^[1]

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {m_{i}}{V}}}$

Para una sustancia química pura, la concentración de masa es igual a su densidad (masa dividida por volumen); por tanto, la concentración másica de un componente en una mezcla puede denominarse densidad de un componente en una mezcla. Esto explica el uso de ρ (la letra griega minúscula rho ), el símbolo más utilizado para la densidad.

Definición y propiedades

El volumen V en la definición se refiere al volumen de la solución, no al volumen del solvente . Un litro de una solución generalmente contiene un poco más o un poco menos de 1 litro de solvente porque el proceso de disolución hace que el volumen de líquido aumente o disminuya. A veces, la concentración de masa se denomina título .

Notación

La notación común con la densidad de masa subraya la conexión entre las dos cantidades (la concentración de masa es la densidad de masa de un componente en la solución), pero puede ser una fuente de confusión, especialmente cuando aparecen en la misma fórmula indiferenciadas por un símbolo adicional. (como un superíndice de estrella, un símbolo en negrita o varrho ).

Dependencia del volumen

La concentración de masa depende de la variación del volumen de la solución debido principalmente a la expansión térmica. En pequeños intervalos de temperatura, la dependencia es:

${\displaystyle \rho _{i}={\frac {\rho _{i\left(T_{0}\right)}}{1+\alpha \Delta T}}}$

donde ρ _{i ( T 0 )} es la concentración de masa a una temperatura de referencia, α es el coeficiente de expansión térmica de la mezcla.

Suma de concentraciones de masa - relación de normalización

La suma de las concentraciones másicas de todos los componentes (incluido el disolvente) da la densidad ρ de la solución:

${\displaystyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}\,}$

Por tanto, para el componente puro, la concentración de masa es igual a la densidad del componente puro.

Unidades

La unidad SI para la concentración de masa es kg / m ³ ( kilogramo / metro cúbico ). Esto es lo mismo que mg / mL y g / L. Otra unidad de uso común es g / (100 mL), que es idéntica a g / dL ( gramo / decilitro ).

Uso en biología

En biología , el símbolo " % " a veces se usa incorrectamente para denotar la concentración de masa, también llamada "porcentaje de masa / volumen". Una solución con 1 g de soluto disuelto en un volumen final de 100 ml de solución se etiquetaría como "1%" o "1% m / v" (masa / volumen). La notación es matemáticamente defectuosa porque la unidad " %"sólo se puede utilizar para cantidades adimensionales." Solución porcentual "o" solución porcentual "son, por lo tanto, términos que se reservan mejor para" soluciones porcentuales en masa "(m / m = m% = masa de soluto / masa de solución total después de la mezcla), o" volumen soluciones porcentuales "(v / v = v% = volumen de soluto por volumen de solución total después de mezclar). Los términos muy ambiguos" solución porcentual "y" soluciones porcentuales "sin otros calificativos, continúan encontrándose ocasionalmente.

Este uso común de% para significar m / v en biología se debe a que muchas soluciones biológicas son diluidas y a base de agua o una solución acuosa . El agua líquida tiene una densidad de aproximadamente 1 g / cm ³ (1 g / mL). Por tanto, 100 ml de agua equivalen aproximadamente a 100 g. Por lo tanto, una solución con 1 g de soluto disuelto en un volumen final de 100 ml de solución acuosa también puede considerarse 1% m / m (1 g de soluto en 99 g de agua). Esta aproximación se rompe a medida que aumenta la concentración de soluto (por ejemplo, en mezclas de agua y NaCl). Las concentraciones altas de soluto a menudo no son fisiológicamente relevantes, pero ocasionalmente se encuentran en farmacología, donde la notación de masa por volumen todavía se encuentra a veces. Un ejemplo extremo es la solución saturada de yoduro de potasio (SSKI) que alcanza una concentración de masa de yoduro de potasio del 100 "%" m / v (1 gramo de KI por 1 ml de solución) solo porque la solubilidad de la sal densa KI es extremadamente alta en agua, y la solución resultante es muy densa (1,72 veces más densa que el agua).

Aunque existen ejemplos que indican lo contrario, conviene destacar que las "unidades" de% p / v comúnmente utilizadas son gramos por mililitro (g / mL). Las soluciones al 1% m / v a veces se consideran gramos / 100 ml, pero esto resta valor al hecho de que% m / v es g / ml; 1  g de agua tiene un volumen de aproximadamente 1 ml (a temperatura y presión estándar) y se dice que la concentración de masa es del 100%. Para preparar 10 ml de una solución acuosa de colato al 1% , se disuelven 0,1 gramos de colato en 10  ml de agua. Los matraces aforados son la pieza de vidrio más apropiada para este procedimiento, ya que pueden ocurrir desviaciones del comportamiento ideal de la solución con concentraciones altas de solutos.

En soluciones, la concentración de masa se encuentra comúnmente como la relación masa / [volumen de solución], om / v. En soluciones acuosas que contienen cantidades relativamente pequeñas de soluto disuelto (como en biología), estas cifras pueden "percentivizarse" multiplicando por 100 una proporción de gramos de soluto por ml de solución. El resultado se da como "porcentaje de masa / volumen". Tal convención expresa la concentración de masa de 1 gramo de soluto en 100 ml de solución, como "1 m / v%".

Cantidades relacionadas

Densidad del componente puro

La relación entre la concentración de masa y la densidad de un componente puro (concentración de masa de mezclas de un solo componente) es:

${\displaystyle \rho _{i}=\rho _{i}^{*}{\frac {V_{i}}{V}}\,}$

donde ρ^∗
_yoes la densidad del componente puro, V _i el volumen del componente puro antes de mezclar.

Volumen específico (o volumen específico de masa)

El volumen específico es el inverso de la concentración de masa solo en el caso de sustancias puras, para las cuales la concentración de masa es la misma que la densidad de la sustancia pura:

${\displaystyle \nu ={\frac {V}{m}}\ ={\frac {1}{\rho }}}$

Concentración molar

La conversión a concentración molar c _i viene dada por:

${\displaystyle c_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}}}}$

donde M _i es la masa molar del constituyente i .

Fracción de masa

La conversión a fracción de masa w _i viene dada por:

${\displaystyle w_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}}$

Fracción molar

La conversión a fracción molar x _i viene dada por:

${\displaystyle x_{i}={\frac {\rho _{i}}{\rho }}{\frac {M}{M_{i}}}}$

donde M es la masa molar promedio de la mezcla.

Molalidad

Para mezclas binarias, la conversión a molalidad b _i viene dada por:

${\displaystyle b_{i}={\frac {\rho _{i}}{M_{i}(\rho -\rho _{i})}}}$

Variación espacial y degradado

Los valores de concentración (masa y molar) diferentes en el espacio desencadenan el fenómeno de difusión .

Referencias

1. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " concentración de masa ". doi : 10.1351 / goldbook.M03713