Masa molar

No confundir con Masa molecular o Número de masa .

Masa molar
Símbolos comunes	METRO
Unidad SI	kg / mol
Otras unidades	g / mol

En química , la masa molar de un compuesto químico se define como la masa de una muestra de ese compuesto dividida por la cantidad de sustancia en esa muestra, medida en moles . ^[1] La masa molar es una propiedad en masa, no molecular, de una sustancia. La masa molar es un promedio de muchas instancias del compuesto, que a menudo varían en masa debido a la presencia de isótopos . Más comúnmente, la masa molar se calcula a partir de los pesos atómicos estándary es, por tanto, un promedio terrestre y una función de la abundancia relativa de los isótopos de los átomos constituyentes en la Tierra. La masa molar es apropiada para convertir entre la masa de una sustancia y la cantidad de una sustancia para cantidades a granel.

El peso molecular se usa muy comúnmente como sinónimo de masa molar, particularmente para compuestos moleculares; sin embargo, las fuentes más autorizadas lo definen de manera diferente (ver masa molecular ).

El peso de la fórmula es sinónimo de masa molar que se usa con frecuencia para compuestos no moleculares, como las sales iónicas .

La masa molar es una propiedad intensiva de la sustancia, que no depende del tamaño de la muestra. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad base de masa molar es kg / mol . Sin embargo, por razones históricas, las masas molares casi siempre se expresan en g / mol.

El mol se definió de tal manera que la masa molar de un compuesto, en g / mol, sea numéricamente igual (para todos los propósitos prácticos) a la masa promedio de una molécula, en daltons . Así, por ejemplo, la masa promedio de una molécula de agua es aproximadamente 18.0153 daltons y la masa molar del agua es aproximadamente 18.0153  g / mol.

Para los elementos químicos sin moléculas aisladas, como el carbono y los metales, la masa molar se calcula dividiendo por el número de moles de átomos. Así, por ejemplo, la masa molar del hierro es de aproximadamente 55,845  g / mol.

Entre 1971 y 2019, SI definió la "cantidad de sustancia" como una dimensión separada de medición , y el mol se definió como la cantidad de sustancia que tiene tantas partículas constituyentes como átomos hay en 12 gramos de carbono-12 . En ese período, la masa molar del carbono-12 fue así exactamente 12  g / mol, por definición. Desde 2019, un mol de cualquier sustancia se ha redefinido en el SI como la cantidad de esa sustancia que contiene un número exactamente definido de partículas, N =6.022 140 76 × 10 ²³ . Por lo tanto, la masa molar de un compuesto ahora es simplemente la masa de este número de moléculas del compuesto.

Masas molares de elementos

Artículos principales: Masa atómica relativa y Peso atómico estándar

Antes de leer esta sección, debe entenderse que la redefinición de las unidades base del SI en 2019 concluyó que la constante de masa molar no es exactamente1 × 10 ⁻³  kg / mol , pero M _u  = 0,999 999 999 65 (30) × 10 ⁻³  kg⋅mol ⁻¹ . ^[2]

La masa molar de los átomos de un elemento está dada por la masa atómica relativa del elemento multiplicada por la constante de masa molar , M _u  ≈1.000 000 × 10 ⁻³  kg / mol  = 1.000000  g / mol. ^[3] Para muestras normales de la Tierra con composición isotópica típica, el peso atómico puede aproximarse al peso atómico estándar ^[4] o al peso atómico convencional.

M (H) =1,007 97 (7)  ×1.000 000  g / mol  =1,007 97 (7) g / mol

M (S) =32.065 (5)  ×1.000 000  g / mol  =32.065 (5) g / mol

M (Cl) =35.453 (2)  ×1.000 000  g / mol  =35.453 (2) g / mol

M (Fe) =55,845 (2)  ×1.000 000  g / mol  =55,845 (2) g / mol .

Multiplicar por la constante de masa molar asegura que el cálculo sea dimensionalmente correcto: las masas atómicas relativas estándar son cantidades adimensionales (es decir, números puros) mientras que las masas molares tienen unidades (en este caso, gramos / mol).

Algunos elementos se encuentran generalmente como moléculas , por ejemplo, hidrógeno (H
₂), azufre (S
₈), cloro (Cl
₂). La masa molar de las moléculas de estos elementos es la masa molar de los átomos multiplicada por el número de átomos en cada molécula:

M (H
₂) = 2 × 1,007 97 (7) × 1.000 000  g / mol  =2.015 88 (14) g / mol

M (S
₈) = 8 × 32.065 (5) × 1.000 000  g / mol  =256,52 (4) g / mol

M (Cl
₂) = 2 × 35,453 (2) × 1.000 000  g / mol  =70,906 (4) g / mol .

Masas molares de compuestos

La masa molar de un compuesto está dada por la suma de la masa atómica relativa A
_rde los átomos que forman el compuesto multiplicado por la constante de masa molar M
_tu:

${\displaystyle M=M_{\rm {u}}M_{\rm {r}}=M_{\rm {u}}\sum _{i}{A_{\rm {r}}}_{i}.}$

Aquí, M
_res la masa molar relativa, también llamada peso fórmula. Para muestras normales de la Tierra con una composición isotópica típica, el peso atómico estándar o el peso atómico convencional se puede utilizar como una aproximación de la masa atómica relativa de la muestra. Algunos ejemplos son:

M (NaCl) = [22,989 769 28 (2) +35.453 (2) ] ×1.000 000  g / mol  =58,443 (2) g / mol

M (C
₁₂H
₂₂O
₁₁) = ([12 × 12.0107 (8) ] + [22 ×1,007 94 (7) ] + [11 ×15.9994 (3) ]) ×1.000 000  g / mol  =342,297 (14) g / mol .

Puede definirse una masa molar media para mezclas de compuestos. ^[1] Esto es particularmente importante en la ciencia de los polímeros , donde diferentes moléculas de polímero pueden contener diferentes números de unidades de monómero (polímeros no uniformes). ^{[5] [6]}

Masa molar promedio de mezclas

La masa molar promedio de las mezclas se puede calcular a partir de las fracciones molares de los componentes y sus masas molares :${\displaystyle {\bar {M}}}$ ${\displaystyle x_{i}}$${\displaystyle M_{i}}$

${\displaystyle {\bar {M}}=\sum _{i}x_{i}M_{i}.}$

También se puede calcular a partir de las fracciones de masa de los componentes:${\displaystyle w_{i}}$

${\displaystyle {\frac {1}{\bar {M}}}=\sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}.}$

Como ejemplo, la masa molar media del aire seco es de 28,97  g / mol. ^[7]

Cantidades relacionadas

La masa molar está estrechamente relacionada con la masa molar relativa ( M
_r) de un compuesto, al término más antiguo peso de fórmula (FW), y a las masas atómicas estándar de sus elementos constituyentes. Sin embargo, debe distinguirse de la masa molecular (que confusamente también se conoce a veces como peso molecular), que es la masa de una molécula (de cualquier composición isotópica única ) y no está directamente relacionada con la masa atómica , la masa de uno. átomo (de cualquier único isótopo). El dalton , símbolo Da, también se usa a veces como una unidad de masa molar, especialmente en bioquímica , con la definición 1  Da = 1  g / mol, a pesar de que es estrictamente una unidad de masa (1  Da  = 1  u  =1.660 539 066 60 (50) × 10 ^-27  kg , a partir de 2018 de CODATA valores recomendados).

Masa atómica en gramos es otro término para la masa, en gramos, de un mol de átomos de ese elemento. "Átomo de gramo" es un término anterior para un mol.

El peso molecular (MW) es un término más antiguo para lo que ahora se llama más correctamente la masa molar relativa ( M
_r). ^[8] Esta es una cantidad adimensional (es decir, un número puro, sin unidades) igual a la masa molar dividida por la constante de masa molar . ^[9]

Masa molecular

Artículo principal: Masa molecular

La masa molecular ( m ) es la masa de una molécula dada: generalmente se mide en daltons (Da o u). ^[10] Diferentes moléculas del mismo compuesto pueden tener diferentes masas moleculares porque contienen diferentes isótopos de un elemento. Esto es distinto pero relacionado con la masa molar , que es una medida de la masa molecular promedio de todas las moléculas en una muestra y generalmente es la medida más apropiada cuando se trata de cantidades macroscópicas (pesables) de una sustancia.

Las masas moleculares se calculan a partir de las masas atómicas de cada nucleido , mientras que las masas molares se calculan a partir de los pesos atómicos estándar ^[11] de cada elemento . El peso atómico estándar tiene en cuenta la distribución isotópica del elemento en una muestra dada (generalmente se asume que es "normal"). Por ejemplo, el agua tiene una masa molar de18.0153 (3) g / mol , pero las moléculas de agua individuales tienen masas moleculares que oscilan entre18.010 564 6863 (15) u ( ¹ H
₂¹⁶ O) y22.027 7364 (9) u ( ² H
₂¹⁸ O).

La distinción entre masa molar y masa molecular es importante porque las masas moleculares relativas se pueden medir directamente mediante espectrometría de masas , a menudo con una precisión de unas pocas partes por millón . Esto es lo suficientemente preciso como para determinar directamente la fórmula química de una molécula. ^[12]

Uso de síntesis de ADN

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El término peso de fórmula (FW) tiene un significado específico cuando se usa en el contexto de la síntesis de ADN: mientras que una nucleobase de fosforamidita individual que se agrega a un polímero de ADN tiene grupos protectores y su peso molecular se indica incluyendo estos grupos, la cantidad de peso molecular que se añade finalmente por esta nucleobase a un polímero de ADN se denomina peso de fórmula de la nucleobase (es decir, el peso molecular de esta nucleobase dentro del polímero de ADN, menos los grupos protectores).

Precisión e incertidumbres

La precisión con la que se conoce una masa molar depende de la precisión de las masas atómicas a partir de las cuales se calculó y del valor de la constante de masa molar . La mayoría de las masas atómicas se conocen con una precisión de al menos una parte en diez mil, a menudo mucho mejor ^[4] (la masa atómica del litio es una excepción notable y grave ^[13] ). Esto es adecuado para casi todos los usos normales en química: es más preciso que la mayoría de los análisis químicos y excede la pureza de la mayoría de los reactivos de laboratorio.

La precisión de las masas atómicas y, por tanto, de las masas molares, está limitada por el conocimiento de la distribución isotópica del elemento. Si se requiere un valor más preciso de la masa molar, es necesario determinar la distribución isotópica de la muestra en cuestión, que puede ser diferente de la distribución estándar utilizada para calcular la masa atómica estándar. Las distribuciones isotópicas de los diferentes elementos de una muestra no son necesariamente independientes entre sí: por ejemplo, una muestra que ha sido destilada se enriquecerá con los isótopos más ligeros de todos los elementos presentes. Esto complica el cálculo de la incertidumbre estándar en la masa molar.

Una convención útil para el trabajo normal de laboratorio es citar las masas molares con dos decimales para todos los cálculos. Esto es más preciso de lo que normalmente se requiere, pero evita errores de redondeo durante los cálculos. Cuando la masa molar es superior a 1000 g / mol, rara vez es apropiado utilizar más de un decimal. Estas convenciones se siguen en la mayoría de los valores tabulados de masas molares. ^{[14] [15]}

Medida

Las masas molares casi nunca se miden directamente. Pueden calcularse a partir de masas atómicas estándar y, a menudo, se enumeran en catálogos de productos químicos y en hojas de datos de seguridad (SDS). Las masas molares suelen variar entre:

1-238  g / mol para átomos de elementos naturales;

10–1000 g / mol para compuestos químicos simples ;

1000-5 000 000  g / mol para polímeros , proteínas , fragmentos de ADN , etc.

Si bien las masas molares se calculan casi siempre, en la práctica, a partir de pesos atómicos, también se pueden medir en ciertos casos. Tales medidas son mucho menos precisas que las modernas medidas espectrométricas de masas de pesos atómicos y masas moleculares, y son de interés principalmente histórico. Todos los procedimientos se basan en propiedades coligativas y se debe tener en cuenta cualquier disociación del compuesto.

Densidad de vapor

Artículo principal: Densidad de vapor

La medición de la masa molar por densidad de vapor se basa en el principio, enunciado por primera vez por Amedeo Avogadro , de que volúmenes iguales de gases en condiciones idénticas contienen el mismo número de partículas. Este principio se incluye en la ecuación del gas ideal :

${\displaystyle pV=nRT\ }$

donde n es la cantidad de sustancia . La densidad de vapor (ρ) viene dada por

${\displaystyle \rho ={{nM} \over {V}}.\ }$

La combinación de estas dos ecuaciones da una expresión de la masa molar en términos de densidad de vapor para condiciones de presión y temperatura conocidas .

${\displaystyle M={{RT\rho } \over {p}}\ }$

Depresión del punto de congelación

Artículo principal: depresión del punto de congelación

El punto de congelación de una solución es más bajo que el del solvente puro , y la depresión del punto de congelación (Δ T ) es directamente proporcional a la concentración de la cantidad para las soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante crioscópica ( K
_F) y es característico de cada disolvente. Si w representa la fracción de masa del soluto en solución, y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar está dada por

${\displaystyle M={{wK_{f}} \over {\Delta T}}.\ }$

Elevación del punto de ebullición

Artículo principal: Elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una solución de un soluto no volátil es más alto que el del solvente puro , y la elevación del punto de ebullición (Δ T ) es directamente proporcional a la concentración de la cantidad para las soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante ebulloscópica ( K
_B) y es característico de cada disolvente. Si w representa la fracción de masa del soluto en solución, y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar está dada por

${\displaystyle M={{wK_{b}} \over {\Delta T}}.\ }$

Referencias

1. Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (1993). Cantidades, unidades y símbolos en química física , 2ª edición, Oxford: Blackwell Science. ISBN  0-632-03583-8 . pag. 41. Versión electrónica.
2. "Valor CODATA 2018: constante de masa molar" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
3. Mohr, Peter J .; Taylor, Barry N .; Newell, David B. (2011). "Valores recomendados de CODATA de las constantes físicas fundamentales: 2010" .Base de datos desarrollada por J. Baker, M. Douma y S. Kotochigova. Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , Gaithersburg, MD 20899.
4. Wieser, ME (2006), "Pesos atómicos de los elementos 2005" (PDF) , Química pura y aplicada , 78 (11): 2051–66, doi : 10.1351 / pac200678112051
5. "Unión internacional de química pura y aplicada, comisión de nomenclatura macromolecular, nota sobre la terminología de masas molares en la ciencia de los polímeros". Revista de ciencia de polímeros: Edición de letras de polímeros . 22 (1): 57. 1984. Bibcode : 1984JPoSL..22 ... 57. . doi : 10.1002 / pol.1984.130220116 .
6. Metanomski, WV (1991). Compendio de nomenclatura macromolecular . Oxford: Blackwell Science . págs. 47–73. ISBN 0-632-02847-5.
7. La masa molecular de aire de la caja de herramientas de ingeniería
8. IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida online: (2006–) " masa molar relativa ". doi : 10.1351 / goldbook.R05270
9. La definición técnica es que la masa molar relativa es la masa molar medida en una escala donde la masa molar de 12 átomos de carbono nounidos, en reposo y en su estado fundamental electrónico, es 12. La definición más simple dada aquí es equivalente a la completa definición debido a la forma en quese define la constante de masa molar .
10. Oficina internacional de pesos y medidas (2006), El sistema internacional de unidades (SI) (PDF) (8ª ed.), P. 126, ISBN  92-822-2213-6, archivado (PDF) desde el original el 14 de agosto de 2017
11. "Pesos atómicos y composiciones isotópicas para todos los elementos" . NIST . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
12. "Directrices de autor - diseño del artículo" . Publicaciones RSC . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
13. Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los Elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . pag. 21. ISBN 978-0-08-037941-8.
14. Véase, por ejemplo, Weast, RC, ed. (1972). Manual de Química y Física (53ª ed.). Cleveland, OH: Chemical Rubber Co.
15. Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; Hibbert, D. Brynn (4 de enero de 2018). "Interpretación y propagación de la incertidumbre de los pesos atómicos estándar (Informe técnico IUPAC)" . Química pura y aplicada . 90 (2): 395–424. doi : 10.1515 / pac-2016-0402 .

Enlaces externos

• Aplicación web y móvil HTML5 Molar Mass Calculator .
• Calculadora de masa molar en línea con la incertidumbre de M y todos los cálculos mostrados
• Calculadora de masa molar Calculadora de masa molar y composición elemental en línea
• Add-In de estequiometría para Microsoft Excel para el cálculo de pesos moleculares, coeficientes de reacción y estequiometría. Incluye tanto los pesos atómicos medios como los isotópicos.
• Masa molar: curso de segundo nivel de química .