Unidades de concentração

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Concentração

A concentração, no seu sentido mais geral, é uma medida da quantidade de soluto presente numa solução, ou da proporção entre o solvente e o soluto da solução. Na pratica, por muito complexa que seja a solução (por exemplo, alguns soros farmacológicos) é sempre possível determinar a composição exacta de uma amostra desta se tivermos as concentrações de todos os seus componentes e uma forma de avaliar o volume ou a massa da amostra.

A concentração (C), ou concentração molar, de uma substância numa solução é a quantidade de matéria dessa substância num dado volume de solução. Ou seja, é o número de átomos, moléculas ou iões de soluto (n) que existem num dado volume de solução (V).

C=n/V
Ora, como já vimos, a unidade de quantidade no sistema internacional é a mole, que corresponde a 6,023x1023 unidades. O volume, no sistema internacional, é medido em metros cúbicos, pelo que a unidade de concentração no sistema internacional é a mol/m3. No entanto, o metro cúbico é uma unidade muito grande para as aplicações laboratoriais do dia-a-dia, por isso exprime-se o volume da solução em litros ou decímetros cúbicos (1L = 1dm3), pelo que a unidade de concentração mais usada é a mol/L ou mol/dm3.

Concentração mássica

Exprimir a concentração em mol/L tem a vantagem de sabermos qual a quantidade de soluto existente num dado volume de solução. No entanto, a quantidade de matéria não é uma grandeza que se possa medir directamente... pelo menos não num laboratório de química convencional. Num laboratório normal, medem-se massas, as quais, depois se relacionam com a quantidade de matéria, através da massa molar de cada substância. Assim, para ajudar em situações onde é importante que as soluções sejam preparadas com uma certa rapidez, os frascos indicam no seu rótulo a concentração mássica.

Ora, a concentração mássica é a massa de soluto que foi dissolvida para forma um dado volume de solução. Em termos práticos, se prepararmos uma solução com uma massa (m) de soluto dissolvida de modo a dar um volume (V) de solução, então a concentração mássica da solução é dada por

Cm = m/V

A unidade SI da massa é o quilograma, pelo que a unidade SI da concentração mássica é o kg/m3. Mais uma vez, esta unidade é demasiado grande para ser usada em situações do dia-a-dia laboratorial. Unidades mais pequenas permitem efectuar um pequeno cálculo mental que nos permite saber a massa de soluto num volume relativamente pequeno de solução, como é o caso do grama por litro (g/L), do grama por decímetro cúbico (g/dm3) ou do grama por centímetro cúbico (g/cm3). Escolher uma unidade mais pequena para indicar a concentração mássica permite-nos escrever esta grandeza sem necessidade de recorrer à notação científica, diminuindo o risco de confusão de rótulos.

Percentagem massa/massa

A percentagem massa/massa é um canivete suíço, podemos usá-la para expressar a composição de qualquer mistura, ainda que não seja necessariamente uma solução. A percentagem massa/massa é, como o nome indica, a percentagem da massa de solução que corresponde à massa de soluto, ou seja:

%(m/m)=(m(soluto))/(m(solução))*100

Alternativamente, como a massa de solução é a massa de solvente mais a massa de soluto, podemos escrever a fórmula como:

%(m/m)=(m(soluto))/(m(soluto)+m(solucao))*100
Assim, se tivermos 100g de açúcar e dissolvermos esse açúcar em 2000g de água (2 litros, se estivermos a 4ºC), obteremos uma solução de açúcar em água, com uma concentração de (100g/2100g)x100 = 7.46%(m/m).

Percentagem volume/volume

A percentagem volume/volume é uma forma um pouco estranha de exprimir a concentração. Estranha, porque na maior parte das vezes não conseguimos fazer uma conversão directa do volume para outras propriedades físicas, como seja a massa ou a quantidade de matéria (número de moles). Por isso normalmente só se usa esta unidade de concentração para misturas gasosas, já que nos gases existe uma relação directa entre o volume e o número de moles. Ocasionalmente também se usa esta concentração em situações industriais, como no caso do etanol a 96%(v/v).

A percentagem volume/volume é dada por uma fórmula semelhante à da percentagem massa/massa:

%(v/v)=(v(soluto))/(v(solução))*100

No entanto, nem sempre se pode substituir o volume de solução pela soma dos volumes dos soluto e do solvente, já que essa igualdade raramente se verifica ao nível experiental.

Partes por milhão (ppm)

Expressar a concentração em partes por milhão ou em partes por bilião, é o mesmo que fazer uma fracção, na qual a massa (ou volume, ou quantidade de matéria) de soluto e solução se encontram em unidades definidas.

Assim, usando massas, a massa do soluto virá em miligramas e a massa de solução virá em quilogramas.

Fracção molar

A fracção molar é a razão entre a quantidade de soluto e a quantidade de matéria presente na solução. Se tivermos uma mistura de dois componentes, um soluto A e um solvente B, então a fracção molar de A é dada por:

x(a) = n(a)/(n(a)+n(b))

Se tivermos uma mistura de vários componentes, A, B, C, D, etc... Então a fracção molar de A é dada por:

x(a) = n(a)/(n(a)+n(b)+n(c)+..)

a fracção molar de B é dada por

x(b) = n(b)/(n(a)+n(b)+n(c)+..)

e assim por diante, para cada componente. Eventualmente podemos multiplicar as fracções molares por 100 e ficar com a percentagem molar (curiosamente, não é vulgar encontrar o termo percentagem mole/mole).

A fracção molar é normalmente usada quando queremos estudar a composição de um sistema ao longo do tempo - cinética química - ou quando queremos a forma como as propriedades de um sistema variam com a sua composição.

Notas finais

Depois de termos apresentado as diferentes unidades com que podemos expressar a composição de uma mistura em termos quantitativos, resta lançar umas breves ideias sobre o seu uso em situações práticas.

Qualquer investigador ou analista concorda com a necessidade de exprimir a concentração em moles por decímetro cúbico, ou, em geral, moles por unidade de volume. Isto acontece porque, falando em moles de soluto por unidade de volume, podemos relacionar directamente os aspectos teóricos de uma experiência (como as proporções estequiométricas) e os aspectos práticos da mesma (como os volumes e as soluções a usar).

As concentrações mássicas são muito usadas quando não importa tanto estudar uma reacção química, mas antes conhecer a composição da solução. Em biologia marinha, por exemplo, é normal usar soluções salinas a 4g/L, para simular a água do mar... seria ridículo pensar nessa solução em termos de moles por litro. São também úteis em síntese, quando já se conhece a reacção química e importa simplesmente preparar rapidamente as soluções que entram na mesma.

As concentrações mássicas e as partes por milhão e por bilião tão também usadas na divulgação dos resultados das análises (à água, ao ar, ao sangue, etc), não só pela maior comunidade em interpretar resultados nestas unidades, mas também porque nem tudo o que se analisa tem uma massa molecular determinada (por exemplo, as proteínas associadas ao colesterol, ou a mineralização total de uma água).

Mostrar a composição de uma mistura em percentagem, massa/massa ou volume/volume, é comum quando estamos a falar de reagentes, e dos respectivos graus de pureza.

Quanto à fracção molar e à percentagem molar, estas unidades são normalmente encontradas em trabalhos de investigação, sempre que se faz um estudo comparativo entre sistemas com composição diferente em termos quantitativos.

Em geral, expressam-se as concentrações de forma a facilitar o trabalho posterior, seja ele a preparação experimental das mesmas, o estudo das reacções ou a apresentação de resultados.