A molalidade é uma medida do número de moles de soluto em uma solução correspondente a 1 kg ou 1000 g de solvente. Isso contrasta com a definição de molaridade, que é baseada em um volume específico de solução.
Uma unidade comumente usada para molalidade em química é mol / kg . Uma solução com concentração de 1 mol / kg também é às vezes indicada como 1 molal . A unidade mol / kg requer que a massa molar seja expressa em kg / mol , em vez dos habituais g / mol ou kg / kmol .
Definição
A molalidade ( b ) de uma solução é definida como a quantidade de substância (em moles ) de soluto, n soluto , dividido pela massa (em kg ) do solvente , m solvente :
No caso de soluções com mais de um solvente, a molalidade pode ser definida para o solvente misto considerado um pseudo-solvente puro. Em vez de soluto molar por quilograma de solvente como no caso binário, as unidades são definidas como soluto molar por quilograma de solvente misto.
Origem
O termo molalidade é formado em analogia à molaridade, que é a concentração molar de uma solução. O mais antigo uso conhecido da molalidade de propriedade intensiva e de sua unidade adjetiva, o agora obsoleto molal , parece ter sido publicado por GN Lewis e M. Randall na publicação de 1923 de Thermodynamics and the Free Energies of Chemical Substances. Embora os dois termos possam ser confundidos um com o outro, a molalidade e a molaridade de uma solução aquosa diluída são quase as mesmas, pois um quilograma de água (solvente) ocupa o volume de 1 litro à temperatura ambiente e uma pequena quantidade de soluto tem pouco efeito no volume.
Unidade
A unidade SI para molalidade é moles por quilograma de solvente.
Uma solução com uma molalidade de 3 mol / kg é frequentemente descrita como "3 molal", "3 m" ou "3 m ". No entanto, seguindo o sistema de unidades SI, o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia , autoridade dos Estados Unidos em medição , considera o termo "molal" e o símbolo de unidade "m" obsoletos e sugere mol / kg ou uma unidade relacionada do SI. Essa recomendação ainda não foi implementada universalmente na academia.
Considerações de uso
- Vantagens
A principal vantagem de usar a molalidade como medida de concentração é que a molalidade depende apenas das massas de soluto e solvente, que não são afetadas por variações de temperatura e pressão. Em contraste, as soluções preparadas volumetricamente (por exemplo, concentração molar ou concentração de massa ) podem mudar conforme a temperatura e a pressão mudam. Em muitas aplicações, esta é uma vantagem significativa porque a massa, ou a quantidade, de uma substância é frequentemente mais importante do que seu volume (por exemplo, em um problema de reagente limitante ).
Outra vantagem da molalidade é o fato de que a molalidade de um soluto em uma solução é independente da presença ou ausência de outros solutos.
- Áreas problemáticas
Ao contrário de todas as outras propriedades composicionais listadas na seção "Relação" (abaixo), a molalidade depende da escolha da substância a ser chamada de "solvente" em uma mistura arbitrária. Se houver apenas uma substância líquida pura em uma mistura, a escolha é clara, mas nem todas as soluções são assim: em uma solução de álcool-água, qualquer uma delas poderia ser chamada de solvente; em uma liga ou solução sólida , não há escolha clara e todos os constituintes podem ser tratados da mesma forma. Em tais situações, massa ou fração molar é a especificação de composição preferida.
Relação com outras quantidades composicionais
No que se segue, o solvente pode receber o mesmo tratamento que os outros constituintes da solução, de modo que a molalidade do solvente de uma solução n- soluta, digamos b 0 , seja considerada nada mais do que o recíproco de seu molar massa, M 0 (expresso como kg / mol):
Para os solutos, a expressão das molalidades é semelhante:
As expressões que ligam molalidades a frações de massa e concentrações de massa contêm as massas molares dos solutos M i :
Da mesma forma, as igualdades abaixo são obtidas a partir das definições das molalidades e das outras quantidades composicionais.
A fração molar de solvente pode ser obtida a partir da definição, dividindo o numerador e o denominador pela quantidade de solvente n 0 :
Em seguida, a soma das razões das outras quantidades molares para a quantidade de solvente é substituída por expressões abaixo contendo molalidades:
dando o resultado
Fração de massa
As conversões de e para a fração de massa , w 1 , do soluto em uma solução de soluto único são
onde b 1 é a molalidade e M 1 é a massa molar do soluto.
Mais geralmente, para uma solução n- soluto / um solvente, deixando b i e w i serem, respectivamente, a molalidade e a fração de massa do i -ésimo soluto,
onde M i representa a massa molar do i th soluto, e w 0 é a fracção de massa do solvente, que pode ser expresso tanto como uma função dos molalities, bem como uma função das outras fracções de massa,
A substituição dá:
Fração molar
As conversões de e para a fração molar , x 1 fração molar do soluto em uma solução de soluto único são
onde M 0 é a massa molar do solvente.
Mais geralmente, para um n solução -solute / um-solvente, deixando x i ser a fracção molar do i th soluto,
onde x 0 é a fração molar do solvente, expressável tanto em função das molalidades quanto em função das outras frações molares:
A substituição dá:
Concentração molar (molaridade)
As conversões de e para a concentração molar , c 1 , para soluções de um soluto são
onde ρ é a densidade de massa da solução, b 1 é a molalidade e M 1 é a massa molar (em kg / mol) do soluto.
Para soluções com n solutos, as conversões são
onde a concentração molar do solvente c 0 é expressável tanto em função das molalidades quanto em função das outras molaridades:
A substituição dá:
Concentração de massa
As conversões de e para a concentração de massa , ρ soluto , de uma solução de soluto único são
ou
onde ρ é a densidade de massa da solução, b 1 é a molalidade e M 1 é a massa molar do soluto .
Para a solução geral n- soluto, a concentração de massa do i ésimo soluto, ρ i , está relacionada à sua molalidade, b i , como segue:
onde a concentração de massa do solvente, ρ 0 , é expressável tanto em função das molalidades quanto em função das outras concentrações de massa:
A substituição dá:
Razões iguais
Alternativamente, pode-se usar apenas as duas últimas equações fornecidas para a propriedade de composição do solvente em cada uma das seções anteriores, juntamente com as relações fornecidas abaixo, para derivar o restante das propriedades nesse conjunto:
onde i e j são subscritos que representam todos os constituintes, os n solutos mais o solvente.
Exemplo de conversão
Uma mistura de ácido consiste em 0,76, 0,04 e 0,20 frações de massa de HNO 3 de 70% , HF de 49% e H 2 O, onde as porcentagens se referem a frações de massa dos ácidos engarrafados com um equilíbrio de H 2 O. A primeira etapa é determinar as frações de massa dos constituintes:
As massas molares aproximadas em kg / mol são
Primeiro derive a molalidade do solvente, em mol / kg,
e use isso para derivar todos os outros usando as proporções iguais:
Na verdade, b H 2 O é cancelado, porque não é necessário. Neste caso, há uma equação mais direta: nós a usamos para derivar a molalidade de HF:
As frações molares podem ser derivadas deste resultado:
Osmolalidade
Osmolalidade é uma variação da molalidade que leva em consideração apenas os solutos que contribuem para a pressão osmótica de uma solução . É medido em osmoles do soluto por quilograma de água. Esta unidade é frequentemente usada em resultados de laboratórios médicos no lugar da osmolaridade , porque pode ser medida simplesmente pela depressão do ponto de congelamento de uma solução ou crioscopia (ver também: osostato e propriedades coligativas ).
Relação com propriedades aparentes (molar)
A molalidade aparece na expressão do volume aparente (molar) de um soluto como uma função da molalidade b desse soluto (e densidade da solução e do solvente):
Para sistemas multicomponentes, a relação é ligeiramente modificada pela soma das molalidades dos solutos. Além disso, uma molalidade total e um volume molar aparente médio podem ser definidos para os solutos juntos e também uma massa molar média dos solutos como se fossem um único soluto. Neste caso, a primeira igualdade de cima é modificada com a massa molar média M do pseudo-soluto em vez da massa molar do soluto único:
-
,
-
, Y i, j sendo indicadores ligados molalities de solutos de i, j e o total de molalidade b t .
A soma das molalidades dos produtos - volumes molares aparentes de solutos em suas soluções binárias é igual ao produto entre a soma das molalidades dos solutos e o volume molar aparente em solução ternária ou multicomponente.
-
,
Relação com propriedades molares aparentes e coeficientes de atividade
Para soluções iônicas concentradas, o coeficiente de atividade do eletrólito é dividido em componentes elétricos e estatísticos.
A parte estatística inclui molalidade b, número de índice de hidratação h , o número de íons da dissociação e a razão r a entre o volume molar aparente do eletrólito e o volume molar de água.
A parte estatística da solução concentrada do coeficiente de atividade é:
-
,
Molalidades de uma solução ternária ou multicomponente
As molalidades dos solutos b 1 , b 2 em uma solução ternária obtida pela mistura de duas soluções aquosas binárias com diferentes solutos (digamos, um açúcar e um sal ou dois sais diferentes) são diferentes das molalidades iniciais dos solutos b ii em suas soluções binárias .
É calculado o teor de solvente nas frações de massa w 01 e w 02 de cada solução de massas m s1 e m s2 a ser misturada em função das molalidades iniciais. Em seguida, a quantidade (mol) de soluto de cada solução binária é dividida pela soma das massas de água após a mistura:
As frações de massa de cada soluto nas soluções iniciais w 11 e w 22
são expressas como uma função das molalidades iniciais b 11 , b 22 :
Essas expressões de frações de massa são substituídas nas molalidades finais.
Os resultados de uma solução ternária podem ser estendidos a uma solução multicomponente (com mais de dois solutos).
Das molalidades das soluções binárias
As molalidades dos solutos em uma solução ternária podem ser expressas também a partir das molalidades nas soluções binárias e suas massas:
As molalidades da solução binária são:
As massas dos solutos determinadas a partir das molalidades dos solutos e as massas de água podem ser substituídas nas expressões das massas das soluções:
Da mesma forma para a massa da segunda solução:
A partir daqui pode-se obter as massas de água a serem somadas no denominador das molalidades dos solutos nas soluções ternárias.
Assim, as molalidades ternárias são:
Referências