Masa molar

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Masa molar
Símbolos comunes
METRO
unidad SIkg/mol
Otras unidades
g/mol

En química , la masa molar de un compuesto químico se define como la masa de una muestra de ese compuesto dividida por la cantidad de sustancia en esa muestra, medida en moles . [1] La masa molar es una propiedad general, no molecular, de una sustancia. La masa molar es un promedio de muchas instancias del compuesto, que a menudo varían en masa debido a la presencia de isótopos . Más comúnmente, la masa molar se calcula a partir de los pesos atómicos estándary es así un promedio terrestre y una función de la abundancia relativa de los isótopos de los átomos constituyentes en la Tierra. La masa molar es apropiada para convertir entre la masa de una sustancia y la cantidad de una sustancia para cantidades a granel.

El peso molecular se usa comúnmente como sinónimo de masa molar, particularmente para compuestos moleculares; sin embargo, las fuentes más autorizadas lo definen de manera diferente (ver Masa molecular ).

El peso de la fórmula es un sinónimo de masa molar que se usa con frecuencia para compuestos no moleculares, como las sales iónicas .

La masa molar es una propiedad intensiva de la sustancia, que no depende del tamaño de la muestra. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad coherente de masa molar es kg / mol . Sin embargo, por razones históricas, las masas molares casi siempre se expresan en g /mol.

El mol se definió de tal manera que la masa molar de un compuesto, en g/mol, es numéricamente igual (a todos los efectos prácticos) a la masa promedio de una molécula, en daltons . Así, por ejemplo, la masa media de una molécula de agua es de unos 18,0153 daltons y la masa molar del agua es de unos 18,0153 g/mol.

Para los elementos químicos sin moléculas aisladas, como el carbono y los metales, la masa molar se calcula dividiendo por el número de moles de átomos. Así, por ejemplo, la masa molar del hierro es de unos 55,845 g/mol.

Desde 1971, SI definió la "cantidad de sustancia" como una dimensión separada de medición . Hasta 2019, el mol se definía como la cantidad de sustancia que tiene tantas partículas constituyentes como átomos hay en 12 gramos de carbono-12 . Durante ese período, la masa molar del carbono-12 era exactamente 12 g/mol, por definición. Desde 2019, un mol de cualquier sustancia se ha redefinido en el SI como la cantidad de esa sustancia que contiene un número exactamente definido de partículas,6.022 140 76 × 10 23 . La masa molar de un compuesto en g/mol es igual a la masa de este número de moléculas del compuesto en g.

Masas molares de elementos

La masa molar de los átomos de un elemento viene dada por la masa atómica relativa del elemento multiplicada por la constante de masa molar , M u  = 0.999 999 999 65 (30) × 10 −3  kg⋅mol −1 . [2] Para muestras normales de la tierra con una composición isotópica típica, el peso atómico puede aproximarse mediante el peso atómico estándar [3] o el peso atómico convencional.

METRO ( H ) =1.007 97 (7)  × M tu  =1,007 97 (7) g/mol
METRO (S) =32.065(5)  × M tu  =32,065(5) g/mol
M (Cl) =35.453(2)  × M tu  =35,453(2) g/mol
M (Fe) =55.845(2)  × M tu  =55,845(2) g/mol .

Multiplicar por la constante de masa molar asegura que el cálculo sea dimensionalmente correcto: las masas atómicas relativas estándar son cantidades adimensionales (es decir, números puros) mientras que las masas molares tienen unidades (en este caso, gramos por mol).

Algunos elementos se encuentran generalmente como moléculas , por ejemplo, hidrógeno (H
2
), azufre (S
8
), cloro (Cl
2
). La masa molar de las moléculas de estos elementos es la masa molar de los átomos multiplicada por el número de átomos en cada molécula:

METRO ( H
2
) = 2 × 1.007 97(7) × METRO tu  =2,015 88 (14) g/mol
METRO (S
8
) = 8 × 32,065(5) × M tu  =256,52(4) g/mol
M (Cl
2
) = 2 × 35,453(2) × METRO tu  =70,906(4) g/mol .

Masas molares de compuestos

La masa molar de un compuesto viene dada por la suma de la masa atómica relativa A
r
de los átomos que forman el compuesto multiplicado por la constante de masa molar M
tu
:

Aquí, M.
r
es la masa molar relativa, también llamada peso fórmula. Para muestras normales de la tierra con una composición isotópica típica, se puede usar el peso atómico estándar o el peso atómico convencional como una aproximación de la masa atómica relativa de la muestra. Los ejemplos son:

M (ClNa) = [22.989 769 28 (2) +35.453(2) ] ×1.000 000  g/mol  =58,443(2) g/mol
METRO (C
12
H
22
O
11
) = ([12 ×12.0107(8) ] + [22 ×1.007 94 (7) ] + [11 ×15.9994(3) ]) ×1.000 000  g/mol  =342,297(14) g/mol .

Se puede definir una masa molar promedio para mezclas de compuestos. [1] Esto es particularmente importante en la ciencia de los polímeros , donde diferentes moléculas de polímero pueden contener diferentes cantidades de unidades monoméricas (polímeros no uniformes). [4] [5]

Masa molar promedio de mezclas

La masa molar promedio de las mezclas.se puede calcular a partir de las fracciones molares de los componentes y sus masas molares:

También se puede calcular a partir de las fracciones de masa de los componentes:

Como ejemplo, la masa molar promedio del aire seco es 28,97 g/mol. [6]

Cantidades relacionadas

La masa molar está estrechamente relacionada con la masa molar relativa ( M
r
) de un compuesto, al término más antiguo peso fórmula (FW) y a las masas atómicas estándar de sus elementos constituyentes. Sin embargo, debe distinguirse de la masa molecular (que a veces también se conoce confusamente como peso molecular), que es la masa de una molécula (de cualquier composición isotópica única ) y no está directamente relacionada con la masa atómica , la masa de una átomo (de cualquier isótopo individual ). El dalton , símbolo Da, también se usa a veces como unidad de masa molar, especialmente en bioquímica ., con la definición 1 Da = 1 g/mol, a pesar de que es estrictamente una unidad de masa (1 Da = 1 u =1.660 539 066 60 (50) × 10 −27  kg , a partir de los valores recomendados por CODATA de 2018).

Gram masa atómica es otro término para la masa, en gramos, de un mol de átomos de ese elemento. "Átomo de gramo" es un término anterior para un mol.

El peso molecular (MW) es un término más antiguo para lo que ahora se llama más correctamente masa molar relativa ( M
r
). [7] Esta es una cantidad adimensional (es decir, un número puro, sin unidades) igual a la masa molar dividida por la constante de masa molar . [8]

Masa molecular

La masa molecular ( m ) es la masa de una molécula determinada: normalmente se mide en daltons (Da o u). [9] Diferentes moléculas del mismo compuesto pueden tener diferentes masas moleculares porque contienen diferentes isótopos de un elemento. Esto es distinto pero está relacionado con la masa molar, que es una medida de la masa molecular promedio de todas las moléculas en una muestra y, por lo general, es la medida más apropiada cuando se trata de cantidades macroscópicas (pesables) de una sustancia.

Las masas moleculares se calculan a partir de las masas atómicas de cada nucleido , mientras que las masas molares se calculan a partir de los pesos atómicos estándar [10] de cada elemento . El peso atómico estándar tiene en cuenta la distribución isotópica del elemento en una muestra dada (generalmente se supone que es "normal"). Por ejemplo, el agua tiene una masa molar de18,0153(3) g/mol , pero las moléculas de agua individuales tienen masas moleculares que oscilan entre18.010 564 6863 (15) Da ( 1 H
2
16 O) y22.027 7364 (9) Da ( 2 H
2
18 O).

La distinción entre masa molar y masa molecular es importante porque las masas moleculares relativas se pueden medir directamente mediante espectrometría de masas , a menudo con una precisión de unas pocas partes por millón . Esto es lo suficientemente preciso como para determinar directamente la fórmula química de una molécula. [11]

Uso de la síntesis de ADN

El término peso fórmula (FW) tiene un significado específico cuando se usa en el contexto de la síntesis de ADN: mientras que una base nitrogenada de fosforamidita individual que se agrega a un polímero de ADN tiene grupos protectores y su peso molecular se indica incluyendo estos grupos, la cantidad de peso molecular lo que finalmente agrega esta nucleobase a un polímero de ADN se denomina peso fórmula de la nucleobase (es decir, el peso molecular de esta nucleobase dentro del polímero de ADN, menos los grupos protectores).

Precisión e incertidumbres

La precisión con la que se conoce una masa molar depende de la precisión de las masas atómicas a partir de las cuales se calculó y del valor de la constante de masa molar . La mayoría de las masas atómicas se conocen con una precisión de al menos una parte en diez mil, a menudo mucho mejor [3] (la masa atómica del litio es una excepción notable y grave [12] ). Esto es adecuado para casi todos los usos normales en química: es más preciso que la mayoría de los análisis químicos y supera la pureza de la mayoría de los reactivos de laboratorio.

La precisión de las masas atómicas y, por tanto, de las masas molares, está limitada por el conocimiento de la distribución isotópica del elemento. Si se requiere un valor más preciso de la masa molar, es necesario determinar la distribución isotópica de la muestra en cuestión, que puede ser diferente de la distribución estándar utilizada para calcular la masa atómica estándar. Las distribuciones isotópicas de los diferentes elementos de una muestra no son necesariamente independientes entre sí: por ejemplo, una muestra que ha sido destilada estará enriquecida en los isótopos más ligeros de todos los elementos presentes. Esto complica el cálculo de la incertidumbre estándar en la masa molar.

Una convención útil para el trabajo normal de laboratorio es citar las masas molares con dos decimales para todos los cálculos. Esto es más preciso de lo que normalmente se requiere, pero evita errores de redondeo durante los cálculos. Cuando la masa molar es superior a 1000 g/mol, rara vez es apropiado utilizar más de un decimal. Estas convenciones se siguen en la mayoría de los valores tabulados de masas molares. [13] [14]

Medida

Las masas molares casi nunca se miden directamente. Se pueden calcular a partir de masas atómicas estándar y, a menudo, se enumeran en catálogos químicos y en hojas de datos de seguridad (SDS). Las masas molares suelen variar entre:

1–238 g/mol para átomos de elementos naturales;
10–1000 g/mol para compuestos químicos simples ;
1000–5 000 000  g/mol para polímeros , proteínas , fragmentos de ADN , etc.

Si bien las masas molares casi siempre, en la práctica, se calculan a partir de pesos atómicos, también se pueden medir en ciertos casos. Estas medidas son mucho menos precisas que las modernas medidas espectrométricas de masas de pesos atómicos y masas moleculares, y son principalmente de interés histórico. Todos los procedimientos se basan en propiedades coligativas y se debe tener en cuenta cualquier disociación del compuesto.

Densidad de vapor

La medición de la masa molar por densidad de vapor se basa en el principio, enunciado por primera vez por Amedeo Avogadro , de que volúmenes iguales de gases en condiciones idénticas contienen el mismo número de partículas. Este principio está incluido en la ecuación de los gases ideales :

donde n es la cantidad de sustancia . La densidad de vapor ( ρ ) viene dada por

La combinación de estas dos ecuaciones da una expresión para la masa molar en términos de densidad de vapor para condiciones de presión y temperatura conocidas :

Depresión del punto de congelación

El punto de congelación de una solución es más bajo que el del solvente puro , y la depresión del punto de congelación (Δ T ) es directamente proporcional a la cantidad de concentración para soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante crioscópica ( K
F
) y es característico para cada solvente. Si w representa la fracción de masa del soluto en solución y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar viene dada por

Elevación del punto de ebullición

El punto de ebullición de una solución de un soluto no volátil es más alto que el del solvente puro , y la elevación del punto de ebullición (Δ T ) es directamente proporcional a la cantidad de concentración para soluciones diluidas. Cuando la composición se expresa como molalidad , la constante de proporcionalidad se conoce como constante ebullioscópica ( K
B
) y es característico para cada solvente. Si w representa la fracción de masa del soluto en solución y suponiendo que no hay disociación del soluto, la masa molar viene dada por

Véase también

Referencias

  1. ^ a b Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (1993). Cantidades, unidades y símbolos en química física , 2ª edición, Oxford: Blackwell Science. ISBN  0-632-03583-8 . pags. 41. Versión electrónica.
  2. ^ "Valor CODATA 2018: constante de masa molar" . La referencia NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20-05-2019 .
  3. ^ a b Wieser, ME (2006), "Pesos atómicos de los elementos 2005" (PDF) , Química pura y aplicada , 78 (11): 2051–66, doi : 10.1351/pac200678112051
  4. ^ "Unión internacional de química pura y aplicada, comisión de nomenclatura macromolecular, nota sobre la terminología de masas molares en ciencia de polímeros". Journal of Polymer Science: Edición de letras de polímeros . 22 (1): 57. 1984. Bibcode : 1984JPoSL..22...57. . doi : 10.1002/pol.1984.130220116 .
  5. ^ Metanomski, Virginia Occidental (1991). Compendio de Nomenclatura Macromolecular . Oxford: Ciencia Blackwell . págs. 47–73. ISBN 0-632-02847-5.
  6. ^ The Engineering ToolBox Masa molecular del aire
  7. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " masa molar relativa ". doi : 10.1351/goldbook.R05270
  8. ^ La definición técnica es que la masa molar relativa es la masa molar medida en una escala en la que la masa molar de los átomos de carbono 12 libres, en reposo y en su estado fundamental electrónico, es 12. La definición más simple que se da aquí es equivalente a la completa definición debido a la formase define la constante de masa molar .
  9. ^ Oficina Internacional de Pesos y Medidas (2006), El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (8ª ed.), p. 126, ISBN  92-822-2213-6, archivado (PDF) desde el original el 4 de junio de 2021 , consultado el 16 de diciembre de 2021
  10. ^ "Pesos atómicos y composiciones isotópicas de todos los elementos" . NIST . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
  11. ^ "Directrices para el autor: diseño del artículo" . Editorial RSC . Consultado el 14 de octubre de 2007 .
  12. ^ Greenwood, normando N .; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2ª ed.). Butterworth-Heinemann . pags. 21. ISBN 978-0-08-037941-8.
  13. ^ Véase, por ejemplo, West, RC, ed. (1972). Manual de química y física (53ª ed.). Cleveland, OH: Chemical Rubber Co.
  14. ^ Possolo, Antonio; van der Veen, Adriaan MH; Meija, Juris; Hibbert, D. Brynn (2018-01-04). "Interpretación y propagación de la incertidumbre de los pesos atómicos estándar (Informe Técnico IUPAC)" . Química Pura y Aplicada . 90 (2): 395–424. doi : 10.1515/pac-2016-0402 . S2CID 145931362 . 

Enlaces externos