Concentración másica (química)

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 sin diferenciarse por un símbolo adicional (como un superíndice de estrella, un símbolo en negrita o varrho ).

La concentración másica depende de la variación del volumen de la disolución, debida principalmente a la dilatación 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.

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

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

Por lo tanto, para un componente puro, la concentración másica es igual a la densidad de dicho componente.

En biología y medicina , el símbolo " % " se usa con frecuencia, aunque erróneamente , para denotar la concentración másica, también llamada "porcentaje masa/volumen". Una solución con 1  g de soluto disuelto en un volumen final de 100  mL se etiquetaría como "1%" o "1% m/v" (masa/volumen). Los nombres comunes de las soluciones intravenosas de azúcar, como D5W y D50W , reflejan esta convención. La notación es matemáticamente errónea porque la unidad " % " solo se puede usar para cantidades adimensionales. Por lo tanto, los términos "solución porcentual" o "solución de porcentaje" se reservan mejor para "soluciones de porcentaje en masa" (m/m = m% = masa de soluto/masa total de la solución después de la mezcla) o "soluciones de porcentaje en volumen" (v/v = v% = volumen de soluto por volumen de la solución total después de la mezcla). Los términos muy ambiguos "solución porcentual" y "soluciones de porcentaje", sin otros calificadores, todavía se encuentran ocasionalmente.  

Este uso común de  % para referirse a m/v en biología se debe a que muchas soluciones biológicas son diluidas y a base de agua, una solución acuosa . El agua líquida tiene una densidad aproximada de 1  g/cm³ ⁽ 1  g/mL). Por lo tanto, 100  mL de agua equivalen aproximadamente a 100  g. En consecuencia, una solución con 1  g de soluto disuelto en un volumen final de 100  mL de solución acuosa también puede considerarse al 1 %  m/m (1  g de soluto en 99  g de agua). Esta aproximación deja de ser válida a medida que aumenta la concentración de soluto (por ejemplo, en mezclas de agua y NaCl ). Las altas concentraciones de soluto a menudo no son fisiológicamente relevantes, pero se encuentran ocasionalmente en farmacología, donde todavía se utiliza la notación de masa por volumen. Un ejemplo extremo es la solución saturada de yoduro de potasio (SSKI), que alcanza una concentración másica del 100 % m/v de yoduro de potasio (1  gramo de KI por 1  ml de solución) únicamente 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 contrarios, cabe destacar que las unidades de medida comúnmente utilizadas para  %  p/v son gramos por mililitro (g/mL).  A veces se piensa que las soluciones al 1 % m/v equivalen a gramos/100  mL, pero esto no tiene en cuenta que  %  m/v se expresa en g/mL; 1  g de agua tiene un volumen aproximado de 1  mL (a temperatura y presión estándar) y se dice que su concentración másica 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 volumétricos son el material de vidrio más adecuado para este procedimiento, ya que pueden producirse desviaciones del comportamiento ideal de la solución con altas concentraciones de soluto.

En disoluciones, la concentración másica se suele expresar como la relación masa/volumen de disolución, o m/v. En disoluciones acuosas con cantidades relativamente pequeñas de soluto disuelto (como en biología), estas cifras se pueden expresar en porcentaje multiplicando por 100 la relación de gramos de soluto por mL de disolución. El resultado se expresa como porcentaje masa/volumen. Por ejemplo, la concentración másica de 1  gramo de soluto en 100  mL de disolución se expresa como "1 %  m/v  ".

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

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

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

El volumen específico es el inverso de la concentración másica solo en el caso de sustancias puras, para las cuales la concentración másica es igual a la densidad de la sustancia pura:

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

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 .

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

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

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.

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

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