Concentração das Soluções

1. Introdução às unidades de concentração

Na Química, saber quanto de um soluto está dissolvido em um solvente é de extrema importância. Sendo importante, precisamos de um jeito para medir. 

Se você parar para pensar, não existe apenas uma maneira de se fazer uma solução insaturada.

Se o CS de um soluto é 10g/100g de água, uma solução contendo 2 g de soluto é insaturada da mesma forma que uma solução contendo 9 g de soluto.

O que torna essas duas soluções diferentes é a concentração do soluto dentro da solução.

Quanto mais próximo o soluto estiver do CS, mais concentrada essa solução será. Quanto mais distante, mais diluída essa solução será.

Esse capítulo de soluções servirá apenas para te mostrar as fórmulas que usamos para calcular as concentrações das soluções na Química de maneira precisa.

Para facilitar a nossa vida (ou não), usamos diferentes formas de medir a concentração de uma solução, dependendo do que queremos destacar.

Mas existe uma regra na notação que não muda nunca: 

• Grandezas que possuírem 1 referem-se ao soluto. Por exemplo, $n_1$ é número de mols do soluto. 
• Grandezas que possuírem 2 referem-se ao solvente. Por exemplo, $n_2$ é o número de mols do solvente.
• Grandezas que não possuírem número referem-se à solução toda. Por exemplo, V é o volume da solução toda. 

2. Concentração comum (C) e densidade (d)

A concentração comum (C) nos diz quantos gramas de soluto estão dissolvidos em cada litro de solução. Sua fórmula é:

$C = \frac{m_1}{V}$

Onde:

• C = concentração comum (g/L)
• $m_1$ = massa do soluto (g)
• V = volume da solução (L)

Já a densidade (d) nos diz qual é a massa total da solução para cada litro de volume. A fórmula é:

$d = \frac{m}{V}$

Onde:

• d = densidade (g/mL ou g/L)
• m = massa total da solução (g)
• V = volume da solução (mL ou L)

Perceba que a diferença entre os dois é que concentração comum é a massa do soluto, enquanto que a densidade é a massa da solução toda. Não confunda!

Outra diferença é que densidade normalmente é em g/mL, enquanto que concentração comum normalmente é em g/L.

3. Molaridade (ɱ)

Agora, em vez de falar em massa, podemos falar em quantidade de matéria (mols).

Isso nos leva à molaridade (ɱ), que nos diz quantos mols de soluto temos em cada litro de solução:

Mas como a gente geralmente recebe a massa do soluto nos problemas, usamos:

ɱ = $\frac{n_1}{V}$

Onde:

• ɱ = molaridade (mol/L)
• $n_1$ = número de mols do soluto (mol)
• V = volume (L)

Se quisermos escrever em função da massa do soluto, podemos dizer que:

ɱ = $\frac{m_1}{M_1 V}$

E sabendo que $C = \frac{m_1}{V}$, podemos dizer que ɱ = $\frac{C}{M_1}$

4. Título em massa e em volume (Ʈm e Ʈv)

O título é uma forma de expressar a composição de uma solução sem depender de unidades de medida, pois é uma grandeza adimensional.

Ele pode ser expresso em relação à massa ou ao volume.

• Título em massa (Ʈ): Representa a fração da massa do soluto na solução total. A fórmula é Ʈ = $\frac{m_1}{m_1+m_2}$
• Título em volume (Ʈ): Representa a fração do volume do soluto na solução total. A fórmula é Ʈ = $\frac{V_1}{V_1+V_2}$

O título é muito útil para expressar concentrações sem precisar especificar unidades.

Ele pode ser expresso em forma decimal ou percentual. Portanto, um título de 10% (m/m) significa que você tem 10 g de soluto para 100 g de solução.

5. Frações molares do soluto e do solvente (X₁ e X₂)

Outra forma de medir a composição de uma solução é por meio das frações molares.

A fração molar mostra a proporção entre o número de mols do soluto e do solvente na solução:

• Fração molar do soluto (X₁): $X_1 = \frac{n_1}{n_1+n_2}$
• Fração molar do solvente (X₂): $X_2 = \frac{n_2}{n_1+n_2}$

Perceba que, como n = $n_1$ + $n_2$, a soma das frações molares sempre dá 1: $X_1$ + $X_2$ = 1.

6. Molalidade (ɯ)

A molalidade é parecida com a molaridade, mas, em vez de dividir pelo volume da solução, dividimos pela massa do solvente (em Kg):

ɯ = $\frac{n_1}{m_2 (Kg)}$

Tome muito cuidado para não confundir, a massa que utilizamos é a massa do solvente (na maioria das vezes a massa da água) e não a massa total!

Se fosse a massa total, seria simplesmente um título em massa e não faria sentido existir duas fórmulas para a mesma coisa.

Como geralmente recebemos a massa do soluto ($m_1$) nos problemas, podemos escrever:

ɯ = $\frac{m_1}{M_1 \cdot m_2 (Kg)}$ e se você deixar tudo em gramas (g), temos: ɯ = $\frac{m_1}{1000 \cdot M_1 \cdot m_2 (g)}$

7. Relação entre Título, Densidade e Concentração Comum

Essa é uma conversão que não é muito intuitiva, mas que às vezes te ganha um tempo gigantesco em uma questão.

Se você não souber dela, não vai mudar sua vida, você conseguirá responder tudo do mesmo jeito. Mas se achar que ainda cabe coisa na cabeça, aprenda que:

C (g/L) = 1000 . Ʈ . d (g/mL)

A demonstração dela é simples:

Ʈ = $\frac{m_1}{m_1+m_2}$ (substituindo em C)

$d = \frac{m}{V} \rightarrow V = \frac{m}{d} \rightarrow V = \frac{m_1+m_2}{d}$ (substituindo em C)

$C = \frac{m_1}{V} = \frac{m_1}{m_1+\frac{m_2}{d}} = m_1 \cdot \frac{d}{m_1+m_2}$

$\rightarrow C = Ʈ \cdot d$

Porém, como C é em g/L e d em g/mL, para ajustar as unidades: C = 1000. Ʈ . d

8. ppm e ppb

Quando as concentrações são muito pequenas, podemos expressá-las como “ppm” ou “ppb”.

ppm significa “partes por milhão” e é uma proporção normalmente comparando massa do soluto com a massa da solução.

Portanto, dizer que a concentração de um sal é de 5 ppm é o mesmo que dizer que temos 5 g do sal para um $10^6$ g de solução (um milhão de gramas).

Da mesma forma, temos ppb significando “partes por bilhão”. Falar 5 ppb é o mesmo que dizer 5 g do sal para $10^9$ g de solução (um bilhão de gramas).

Quando o solvente da solução é água, podemos fazer um ajuste nas unidades de “ppm” e de “ppb”, já que a densidade da água é d = 1 g/mL. Vamos mostrar:

1 ppm = $\frac{1 \text{ g soluto}}{10^6 \text{ g solução}}$.

Concordando que a solução é praticamente toda água, temos que:

1 ppm = $\frac{1 \text{ g soluto}}{10^6 \text{ g água}}$ = $\frac{1 \text{ g soluto}}{10^6 \text{ mL água}}$ = $\frac{10^3 \text{ mg soluto}}{10^3 \text{ L água}}$

$\rightarrow$ 1 ppm = 1 mg/L

Usando o mesmo raciocínio, você descobre que 1 ppb = 1 µg/L (micrograma por litro)

9. O que é concentração então?

Existem algumas questões que não especificam que tipo de concentração ela está pedindo ou te fornecendo pelo nome.

Mas falando apenas “concentração”, ela pode estar se referindo a concentração comum, concentração molar, concentração molal, concentração normal (que nem estudamos mais, mas existe)...

E aí, como saber qual a certa? Qual escolher?

Nunca esqueça: quem define o tipo de concentração não é o nome, é a unidade de medida!

Além disso, é importante ter em mente o seguinte: em um litro de solução, formado por 1 g de sal em água, quantos litros de água a gente tem?

Um litro né? Errado! Um litro é de solução (ou seja, o volume do sal com o volume da água), então o volume da água é um pouco menos de um litro!

Em 99% das questões a gente vai aproximar o volume da água (solvente em geral) para o volume da solução, mas entenda que teoricamente não é a mesma coisa!

Moral da história: esse capítulo é para decorar as fórmulas, pois você usará isso pelo resto da sua vida na Química.

Envolvendo apenas concentração de soluções, existem quatro modelos de questão importantes, envolvendo quatro cenários de manipulação de soluções.

Teremos um capítulo para cada cenário importante, portanto vamos com calma.

Não abordarei exemplos nesse capítulo porque teremos muitos nos próximos.