Concentração de soluções

Uma razão precisa de numerador e denominador

Concentração expressa quanto de um componente está presente em uma quantidade de solução ou de solvente, conforme a grandeza utilizada. O primeiro passo não é escolher uma fórmula: é identificar o que está sendo dividido e em quais unidades. Gramas por litro, mols por litro e porcentagem em massa não são maneiras intercambiáveis de escrever o mesmo número.

Uma mesma solução pode ter sua composição descrita por diferentes concentrações. A conversão entre elas exige dados, como massa molar e densidade. Por isso, duas soluções que apresentam o número “10” no rótulo não têm necessariamente a mesma composição: faltam unidade e base de cálculo.

Concentração em massa por volume

A concentração em massa, frequentemente chamada de concentração comum, pode ser escrita como $C=m_{\text{soluto}}/V_{\text{solução}}$. Se a massa estiver em gramas e o volume em litros, C será expressa em g/L.

Uma solução com 12 g de soluto em volume final de 0,40 L apresenta $12/0{,}40=30$ g/L. O volume usado é o da solução pronta, não o volume inicial de solvente. Dissolver um material em 400 mL de água não garante automaticamente 400 mL de solução final.

A unidade mg/L também representa massa por volume e aparece em concentrações pequenas. Converter 30 g/L em mg/L produz 30 000 mg/L. A unidade muda, mas a quantidade física representada permanece a mesma.

Concentração em quantidade de matéria

A concentração molar, ou molaridade, é $c=n_{\text{soluto}}/V_{\text{solução}}$, normalmente em mol/L. Para encontrá-la a partir de massa, calcule primeiro $n=m/M$, usando a massa molar da espécie considerada.

Considere 9,0 g de glicose em volume final de 250 mL. Com massa molar de 180 g/mol, a amostra contém 0,050 mol. Como 250 mL são 0,250 L, a concentração molar é 0,20 mol/L. A concentração em massa da mesma solução é 36 g/L.

A relação entre essas duas descrições é $C=cM$. A conferência fornece $0{,}20\times180=36$ g/L. O símbolo escolhido para molaridade pode variar entre livros; o essencial é não confundi-lo com massa molar e conferir sempre as unidades.

Porcentagem exige uma base explícita

Uma porcentagem em massa de 10% significa 10 g de soluto em 100 g de solução. Se o sistema tiver apenas soluto e solvente, isso corresponde a 90 g de solvente. Dissolver 10 g de soluto em 100 g de solvente produz 110 g de solução e porcentagem de aproximadamente 9,1%, não 10%.

A porcentagem massa/volume, escrita % m/v, corresponde a gramas de soluto por 100 mL de solução. A porcentagem volume/volume, % v/v, expressa um volume de componente por 100 volumes de solução, segundo as condições e a convenção empregadas. Essas grandezas não devem ser convertidas entre si sem as informações necessárias.

Em misturas de líquidos, os volumes podem não ser aditivos. Portanto, 20 mL de um líquido adicionados a 80 mL de outro não garantem exatamente 100 mL finais. Um exercício pode adotar essa aproximação, mas deve informá-la ou fornecer o volume final.

ppm e densidade

Quando ppm expressa uma fração em massa, 1 ppm equivale a 1 mg por kg de solução. Em soluções aquosas diluídas com densidade próxima de 1 kg/L, pode-se aproximar 1 mg/L por 1 ppm. A equivalência depende dessa densidade e não vale universalmente para todo líquido.

Por exemplo, uma solução com 4 mg de soluto por litro e densidade de 0,80 kg/L contém $4/0{,}80=5$ mg/kg, ou 5 ppm em massa. Igualar diretamente os dois números produziria um erro. A densidade faz a ligação entre o denominador em volume e o denominador em massa.

Molalidade e fração molar

Molalidade é a quantidade de matéria de soluto por massa de solvente, em mol/kg. Seu denominador não é o volume da solução. Ao contrário da molaridade, ela não muda apenas por expansão térmica de volume, desde que as quantidades dos componentes permaneçam as mesmas.

A fração molar de um componente é sua quantidade de matéria dividida pela quantidade total de matéria dos componentes. Ela não possui unidade, e a soma das frações molares é 1. Essas descrições serão úteis em propriedades coligativas, onde é necessário relacionar partículas dissolvidas à quantidade de solvente.

Conferência antes de concluir

Em diluição e mistura, a escolha correta dessa razão permitirá conservar o soluto sem misturar bases incompatíveis.