
Soluciones 2
Comprenderás qué es la concentración y aprenderás a expresarla en unidades físicas y químicas, convertir entre ellas y resolver diluciones, mezclas y neutralizaciones ácido-base.
Ruta de estudio
Estudia a tu ritmo
El contenido cambia según tu experiencia, pero tu progreso queda separado y nunca se pierde.
El porqué del tema
¿Para qué estudiamos este tema?
En el tema anterior, Soluciones 1, aprendimos a reconocer una solución como una mezcla homogénea, a identificar el soluto y el solvente, y a clasificar las soluciones según su estado físico. Pero saber que una solución es una mezcla homogénea no basta: un vaso de agua con una pizca de sal y otro con dos cucharadas de sal son ambos “soluciones”, aunque sus comportamientos y usos son muy distintos.
Este tema, Soluciones 2, responde a una pregunta concreta: ¿cuánto soluto contiene exactamente una solución? Esa información se llama concentración. También nos enseña a hacer algo que en la vida real y en el laboratorio es casi obligatorio: modificar esa concentración añadiendo solvente, mezclando soluciones o haciendo reaccionar un ácido con una base.
Esto no es un asunto teórico: el suero fisiológico que se usa en hospitales debe ser una solución de NaCl al 0,9 % m/v; una concentración distinta puede ser peligrosa. Los análisis de contaminación de aguas se expresan en ppm (partes por millón); los ácidos comerciales se compran con un porcentaje en masa y una densidad, y a partir de esos datos se preparan soluciones de molaridad conocida. En las preguntas de admisión de San Marcos, este tema tiene un peso numérico importante porque integra conceptos de mol, masa molar, proporciones y reacciones químicas.
Al terminar, comprenderás las unidades físicas y químicas de concentración, sabrás convertirlas entre sí y podrás resolver operaciones de dilución, mezcla y neutralización ácido-base. Todo esto dejará preparado el terreno para el siguiente tema, cinética química, en el que la velocidad de reacción se expresa, precisamente, como un cambio de concentración en el tiempo.
Antes de empezar
Lo que necesitas saber antes
Para estudiar este tema con soltura conviene recordar lo siguiente:
- Solución: mezcla homogénea formada por soluto y solvente. El soluto suele estar en menor proporción y el solvente en mayor proporción. En una solución acuosa, el solvente es el agua.
- Masa molar (): masa en gramos de un mol de sustancia. Se calcula sumando las masas atómicas de sus átomos. Por ejemplo, para el ácido sulfúrico, : .
- Número de moles (): se calcula dividiendo la masa entre la masa molar:
- Unidades de conversión: , , .
- Densidad (): . Se usa cuando se necesita convertir masa de solución a volumen o viceversa.
- Logaritmo decimal: el pH y el pOH se calculan con logaritmos en base 10. Por ejemplo, .
Si dominas estos conceptos previos, las definiciones y los cálculos de concentración resultarán mucho más naturales.
1. Panorama: unidades físicas y químicas de concentración
La concentración es la cantidad de soluto disuelto en una cantidad determinada de solución o de solvente. Como el soluto puede medirse en masa, en volumen o en moles, existen varias formas de expresarla.
En los cursos preuniversitarios se suelen clasificar en dos grandes grupos:
| Tipo | Unidades principales | Magnitudes usadas |
|---|---|---|
| Físicas | Porcentaje en masa (% m/m), porcentaje en volumen (% v/v), porcentaje masa/volumen (% m/v), partes por millón (ppm) | masa y volumen |
| Químicas | Molaridad (M), normalidad (N), molalidad (m), fracción molar (X) | moles, equivalentes-gramo |
Las unidades físicas son muy usadas en la industria, la medicina y el comercio porque no requieren conocer la fórmula química de la sustancia; solo interesa cuánto soluto hay por cada cierta cantidad de solución.
Las unidades químicas son imprescindibles para el laboratorio y para los cálculos estequiométricos, porque expresan la cantidad de sustancia en moles o en equivalentes de reacción, lo que permite relacionarla directamente con otras sustancias en una ecuación química.
2. Unidades físicas de concentración
2.1 Porcentaje en masa (% m/m)
Indica la masa de soluto que hay por cada 100 gramos de solución (no de solvente). Se calcula con:
donde .
Interpretación: si una solución es de NaCl al 20 % m/m, significa que cada 100 g de solución contienen 20 g de NaCl y 80 g de agua.
Ejemplo rápido: si disolvemos 15 g de azúcar en 135 g de agua, la masa de la solución es . Entonces:
Esto se lee: “10 gramos de azúcar por cada 100 gramos de solución”.
Esta unidad se usa mucho en etiquetas de alimentos, ácidos comerciales, salmueras y productos de limpieza. Es importante no confundir masa de solución con masa de solvente: el denominador siempre es la masa total.
2.2 Porcentaje en volumen (% v/v)
Se aplica cuando el soluto y el solvente son líquidos miscibles, como alcohol en agua. Indica el volumen de soluto por cada 100 mL de solución.
Ejemplo rápido: una bebida alcohólica de 40 % v/v contiene 40 mL de etanol por cada 100 mL de bebida. El grado alcohólico que se lee en las botellas es, precisamente, un porcentaje en volumen.
En soluciones ideales o diluidas se suele suponer que los volúmenes son aditivos:
Sin embargo, esto es una aproximación: al mezclar dos líquidos puede producirse una ligera contracción o expansión de volumen. Para los problemas de admisión, normalmente se asume aditividad.
2.3 Porcentaje masa/volumen (% m/v)
Indica la masa de soluto, en gramos, disuelta en 100 mL de solución. Es muy utilizada en medicina y farmacia.
Ejemplo rápido: el suero fisiológico es una solución acuosa de NaCl al 0,9 % m/v. Esto significa que contiene 0,9 g de NaCl por cada 100 mL de solución.
Esta unidad es práctica porque en el laboratorio es más fácil medir un volumen de líquido que pesarlo. Por eso se usa en la preparación de medicamentos, vacunas y soluciones intravenosas.
2.4 Partes por millón (ppm)
Se emplea para expresar concentraciones muy pequeñas, como contaminantes en el agua o en el aire. Una concentración de 1 ppm significa que hay una parte de soluto por cada un millón de partes de solución o de solvente.
Para soluciones acuosas muy diluidas se usa frecuentemente la relación:
¿Por qué funciona así? Porque 1 litro de agua aproximadamente tiene una masa de 1 kg, es decir, . Entonces 1 mg de soluto en 1 L de agua corresponde aproximadamente a 1 parte de soluto por cada millón de partes de masa, es decir, 1 ppm.
Ejemplo rápido: si en 2 L de agua se detectan 10 mg de iones plomo , la concentración es:
Esto se lee: “hay 5 mg de iones plomo por cada litro de agua”.
También puede expresarse como:
cuando la solución es sólida o líquida y se conocen las masas. Esta unidad es clave en los análisis ambientales, en los límites permisibles de metales pesados en el agua potable y en la contaminación de ríos; por ejemplo, en el Perú los relaves mineros suelen evaluarse reportando metales en ppm.
3. Unidades químicas de concentración
3.1 Molaridad (M)
La molaridad es probablemente la unidad de concentración más importante en química. Indica el número de moles de soluto disueltos en un litro de solución.
Sus unidades son , que se abrevia como M y se lee “molar”.
Interpretación: una solución de HCl 2 M contiene 2 moles de HCl por cada litro de solución.
Para preparar una solución de una molaridad determinada, no se disuelve el soluto directamente en un litro de agua y se acabó. Lo correcto es disolver el soluto en una cierta cantidad de agua y luego completar con agua hasta el volumen final deseado en un matraz aforado. Por eso la molaridad relaciona moles con volumen total de solución, no con volumen de solvente.
Ejemplo rápido: ¿qué molaridad tiene una solución que contiene 4 g de NaOH (masa molar 40 g/mol) en 500 mL de solución?
Primero convertimos la masa a moles:
Luego pasamos el volumen a litros: . Entonces:
La solución es 0,2 M.
La molaridad es muy útil porque permite calcular directamente moles a partir del volumen:
Y también calcular masa:
Esta última ecuación es una de las más usadas para resolver problemas de preparación de soluciones.
3.2 Normalidad (N)
La normalidad es una unidad de concentración muy usada en reacciones de neutralización y en química analítica. Indica el número de equivalentes-gramo de soluto disueltos en un litro de solución.
Para entenderla, primero hay que definir qué es un equivalente-gramo (eq-g). En general, un equivalente es la cantidad de sustancia que cede, gana o reacciona con un mol de cargas de interés:
- En un ácido, un equivalente es la masa de ácido que puede ceder 1 mol de iones .
- En una base o hidróxido, un equivalente es la masa de base que puede ceder 1 mol de iones .
- En una sal, un equivalente es la masa de sal que contiene 1 mol de carga positiva total del catión.
- En reacciones redox, un equivalente es la masa que transfiere 1 mol de electrones.
El número que indica cuántos equivalentes hay por mol se representa con la letra griega (“theta”) o con la letra .
| Tipo de soluto | Ejemplo | |
|---|---|---|
| Ácido | número de ionizables | HCl: ; : |
| Hidróxido | número de | NaOH: ; : |
| Sal | carga total del catión | KCl: ; : |
Así, para el ácido sulfúrico, , se cumple que 1 mol de equivale a 2 equivalentes de ácido.
La masa de un equivalente-gramo de una sustancia se obtiene dividiendo su masa molar entre :
Por ejemplo, para , y , por lo que su masa equivalente es .
El número de equivalentes-gramo se relaciona con los moles de la siguiente manera:
De allí se deduce una relación muy importante:
La normalidad es siempre un múltiplo entero de la molaridad. Por ejemplo:
- HCl: , por lo tanto .
- : , por lo que una solución 0,1 M es 0,2 N.
- : , por lo que una solución 0,5 M es 1,0 N.
- : , por lo que .
Ejemplo rápido: si una solución contiene 0,1 eq-g de en 250 mL de solución, su normalidad es:
Para calcular la masa de soluto a partir de la normalidad se usa:
Esta ecuación es exactamente la que se necesita para resolver preguntas como la que vino en el examen UNMSM 2014-I.
3.3 Molalidad (m)
La molalidad indica el número de moles de soluto disueltos en 1 kilogramo de solvente (no de solución).
Se simboliza con una m minúscula y se lee “molal”. No debe confundirse con la molaridad.
Ejemplo rápido: si una solución contiene 1,5 moles de HCl en 500 g de agua, la molalidad es:
La principal ventaja de la molalidad es que no depende de la temperatura, porque usa masas, que no cambian con la temperatura, en lugar de volúmenes, que sí se dilatan o contraen. La molaridad, en cambio, puede variar ligeramente si cambia la temperatura porque el volumen de la solución cambia. Por eso la molalidad se prefiere en estudios de propiedades coligativas (aumento del punto de ebullición, descenso del punto de congelación, etc.).
3.4 Fracción molar (X)
La fracción molar es una unidad adimensional que expresa la proporción de moles de un componente con respecto al número total de moles de la solución.
Para el soluto:
Para el solvente:
donde .
En una solución de dos componentes se cumple siempre:
Ejemplo rápido: si una solución contiene 2 moles de etanol y 8 moles de agua, los moles totales son 10. Entonces:
La fracción molar tampoco depende de la temperatura y es útil para comprender la composición de las soluciones a nivel molecular.
3.5 pH, pOH y concentración de iones
Muchas soluciones de interés son ácidos o bases. Al disolverse en agua, los ácidos fuertes liberan iones y las bases fuertes liberan iones . La concentración de estos iones determina la acidez o basicidad de la solución.
Para medir la acidez se usa el pH:
Y para la basicidad, el pOH:
En soluciones acuosas a 25 °C se cumple:
Cuando un ácido fuerte se disocia completamente, la concentración de se relaciona con la molaridad del ácido y su :
Por ejemplo:
- HCl 0,01 M: , entonces , y .
- : , entonces , y .
Análogamente, para una base fuerte:
Por ejemplo, NaOH 0,01 M tiene , por lo que y .
Esta conexión entre molaridad, y pH es exactamente la que se evaluó en el examen UNMSM 2023-II.
Es importante recordar que un ácido como no debe tratarse como si cediera un solo por mol cuando se trabaja con normalidad o con pH. Si el ácido es monoprótico (HCl, HNO), ; pero si es diprótico fuerte o triprótico, hay que multiplicar por .
3.6 Conversión entre unidades de concentración
En muchos problemas no basta con conocer una sola unidad: es necesario convertir, por ejemplo, de porcentaje en masa a molaridad, o de porcentaje masa/volumen a ppm. La idea general es:
- Tomar una base de cálculo cómoda, por lo general 100 g de solución si se trabaja con % m/m, o 100 mL de solución si se trabaja con % m/v.
- Calcular la masa del soluto a partir del porcentaje.
- Convertir la masa del soluto a moles usando la masa molar.
- Calcular el volumen o la masa de la solución según convenga, usando la densidad si es necesario.
- Aplicar la definición de la unidad deseada.
Caso práctico: convertir % m/m a molaridad cuando se conoce la densidad de la solución.
Si una solución tiene de soluto y densidad en g/mL, entonces:
La razón es la siguiente: en 100 g de solución hay g de soluto; su volumen es mL, es decir, litros. Al dividir los moles del soluto entre ese volumen se obtiene la fórmula anterior.
Ejemplo rápido: el HCl comercial tiene aproximadamente 36,5 % m/m y densidad 1,18 g/mL. Como :
Este valor es típico del ácido clorhídrico concentrado de laboratorio.
También es útil recordar que para soluciones acuosas diluidas:
Por ejemplo, una solución de NaCl al 0,9 % m/v tiene aproximadamente .
4. Operaciones con soluciones
Conocer la concentración de una solución es solo el primer paso. En la práctica, constantemente se preparan soluciones menos concentradas a partir de soluciones concentradas, se mezclan soluciones del mismo soluto y se neutralizan ácidos con bases. Estas tres operaciones tienen una lógica común: la cantidad de soluto no desaparece; solo se reparte, se suma o reacciona.
4.1 Dilución
Diluir consiste en añadir más solvente a una solución, con lo cual la concentración disminuye. Lo que no cambia es la cantidad de soluto: no se agrega ni se quita soluto.
Dilución: el número de partículas de soluto no cambia al agregar solvente
Como la cantidad de soluto se conserva, si la cantidad se mide en moles:
Pero , por lo que:
donde .
Si se prefiere trabajar con normalidad, la misma lógica se aplica a los equivalentes-gramo:
Ejemplo rápido: ¿qué volumen de agua se debe añadir a 200 mL de HCl 6 M para obtener una solución 2 M?
Tenemos , , . Entonces:
Como , el agua añadida es:
Una regla importante: al diluir, los moles del soluto no cambian. Lo que cambia es el volumen total de la solución, y por eso la concentración disminuye. Es un error común sumar moles de solvente como si fueran moles de soluto.
4.2 Mezcla de soluciones del mismo soluto
Cuando se mezclan dos soluciones de un mismo soluto pero de distintas concentraciones, se obtiene una solución cuya concentración es intermedia entre ambas. La cantidad total de soluto en la mezcla es la suma de las cantidades de soluto de cada solución inicial.
Si se trabaja con molaridad:
donde si los volúmenes son aditivos.
De forma análoga, con normalidad:
Ejemplo rápido: se mezclan 125 mL de HNO 4 M con 375 mL de HNO 6 M. Calcula la molaridad final.
Moles del soluto:
La mezcla es una operación sencilla, pero hay que tener presente que la concentración resultante no es el promedio simple de las concentraciones; es un promedio ponderado por los volúmenes.
4.3 Neutralización ácido-base
La neutralización es una reacción química entre un ácido y una base para producir sal y agua:
En el punto de equivalencia, los equivalentes-gramo de ácido que reaccionan son exactamente iguales a los equivalentes-gramo de base:
Si se usan normalidades y volúmenes:
Esta ecuación es muy práctica porque, al trabajar con equivalentes, ya se está teniendo en cuenta cuántos o hay por mol.
Si en lugar de normalidad se dan molaridades, la relación es:
Ejemplo rápido: ¿qué volumen de NaOH 0,5 N se necesita para neutralizar 25 mL de HCl 0,2 N?
Si se mezclan cantidades no equivalentes, queda un exceso de ácido o de base, y el pH de la solución final depende de ese exceso. Para resolver ese tipo de problemas se comparan equivalentes, no moles a secas:
- Calcular equivalentes de ácido: o .
- Calcular equivalentes de base: o .
- Restar para hallar el exceso.
- Dividir el exceso entre el volumen total para hallar o .
- Calcular pH o pOH.
Este procedimiento conecta la neutralización con el cálculo de pH.
Cuidado
5. Errores frecuentes
Los errores más comunes en este tema suelen deberse a confusiones de definiciones o de unidades. Algunos de los más importantes son:
- Confundir masa de solución con masa de solvente. En el % m/m el denominador es la masa total de la solución, no solo el agua o el solvente; en la molalidad, en cambio, sí se usa la masa de solvente.
- No convertir mililitros a litros. En molaridad, normalidad y dilución, las fórmulas exigen volúmenes en litros; usar mililitros correctamente en ambos lados puede funcionar, pero es mejor convertir para evitar errores.
- Olvidar al hallar la normalidad o el pH de ácidos dipróticos. Para el , , no .
- Asumir que siempre. Eso solo es cierto cuando , como en HCl, NaOH o NaCl.
- Pensar que al diluir se conserva la concentración. La cantidad de soluto se conserva, pero la concentración disminuye al aumentar el volumen.
- Sumar moles de solvente a los moles de soluto en una dilución. Son magnitudes distintas.
- Promediar concentraciones en una mezcla sin ponderar por volúmenes. La concentración final es intermedia, pero no un promedio simple.
- Igualar molaridades en una neutralización sin considerar . Por ejemplo, con y NaOH, un mol de ácido consume dos moles de base.
Revisar estos errores antes de un examen puede evitar muchas equivocaciones en problemas aparentemente sencillos.
Aprende resolviendo
6. Ejemplos resueltos
Ejemplo 1: % m/v y ppm
Enunciado: Se disuelven 2,5 g de bicarbonato de sodio en agua suficiente para completar 250 mL de solución. Calcula el porcentaje masa/volumen y la concentración en ppm.
Paso 1: Calcular el % m/v.
La fórmula es:
Interpretación: hay 1 g de bicarbonato por cada 100 mL de solución.
Paso 2: Convertir a ppm.
Para soluciones acuosas diluidas:
Convertimos la masa a miligramos:
Convertimos el volumen a litros:
También podríamos usar la relación , lo que da el mismo resultado.
Ejemplo 2: Conversión de % m/m a molaridad
Enunciado: Una solución acuosa de ácido nítrico tiene una densidad de 1,20 g/mL y una concentración de 31,5 % m/m. Determina su molaridad. Masa molar del .
Paso 1: Tomar como base 100 g de solución.
Si la solución es del 31,5 % m/m, en 100 g de solución hay 31,5 g de puro.
Paso 2: Calcular los moles de soluto.
Paso 3: Calcular el volumen de los 100 g de solución usando la densidad.
Convertimos a litros:
Paso 4: Calcular la molaridad.
La solución es aproximadamente 6 M.
Este procedimiento es muy común cuando se dispone de un ácido comercial con etiqueta de porcentaje y densidad.
Ejemplo 3: Normalidad y masa de soluto
Enunciado: Calcula la masa de contenida en 100 mL de una solución acuosa 0,5 N del ácido. Masas atómicas: , , .
Paso 1: Masa molar del ácido.
Paso 2: Identificar .
El es un ácido diprótico, por lo tanto .
Paso 3: Calcular equivalentes-gramo presentes.
Paso 4: Convertir equivalentes a masa.
La masa equivalente del ácido sulfúrico es:
Entonces:
Respuesta: en 100 mL de solución 0,5 N de hay 2,45 g de ácido puro.
Ejemplo 4: Neutralización con exceso y pH final
Enunciado: Se mezclan 50 mL de 0,2 M con 150 mL de NaOH 0,1 M. Suponiendo volúmenes aditivos, determina el pH de la solución resultante.
Paso 1: Calcular los moles y los equivalentes de ácido.
Moles de :
Como , los equivalentes de ácido son:
Paso 2: Calcular los moles y equivalentes de base.
Moles de NaOH:
Como , los equivalentes de base son:
Paso 3: Determinar cuál está en exceso.
Hay más equivalentes de ácido que de base:
Paso 4: Hallar la concentración de en el volumen total.
Volumen total:
Paso 5: Calcular el pH.
Respuesta: la solución final es ácida y su pH es aproximadamente 1,60.
Este ejemplo muestra la importancia de trabajar con equivalentes y no comparar moles directamente sin considerar la capacidad de cada sustancia de producir u .
Lo que viene
Hacia el siguiente tema
Ahora que sabemos calcular concentraciones, diluir soluciones y neutralizar ácidos con bases, estamos en condiciones de estudiar cinética química. En ese tema analizaremos qué tan rápido se consume un reactante o se forma un producto; para expresar esa velocidad se necesitará justamente la variación de la concentración molar en el tiempo. Así, los conceptos de molaridad, concentración y reacción entre partículas en solución se convierten en la base natural para comprender el siguiente capítulo.
¿Lo dominas?
Pon a prueba lo que aprendiste
20 preguntas de práctica tipo admisión y 3 preguntas reales de San Marcos, con clave y resolución explicada.
Evaluación del tema
20 preguntas para medir aprendizaje real
Hasta 6 básicas, 8 intermedias y 6 avanzadas; si un nivel no alcanza, se completa con el nivel más cercano. El diagnóstico recomienda una ruta; la evaluación final actualiza el porcentaje y puede marcar el tema como aprendido.
Aprender desde las preguntas
