Física - Magnitudes físicas

La masa molar (símbolo M) de una sustancia dada es una propiedad física definida como su masa por unidad de cantidad de sustancia.¹​ Su unidad de medida en el SI es kilogramo por mol (kg/mol o kg·mol⁻¹), sin embargo, por razones históricas, la masa molar es expresada casi siempre en gramos por mol (g/mol).

Las sustancias puras, sean estas elementos o compuestos, poseen una masa molar intensiva y característica. Por ejemplo, la masa molar aproximada del agua es: M (H₂O) ≈ 18 g·mol⁻¹.

Elementos[editar]

La masa molar de los átomos de un elemento está dado por el peso atómico de cada elemento²​ multiplicado por la constante de masa molar, M
u = 1×10⁻³ kg/mol = 1 g/mol.³​ Su valor numérico coincide con el de la masa molecular, pero expresado en gramos/mol en lugar de unidades de masa atómica (u), y se diferencia de ella en que mientras la masa molecular alude una sola molécula, la masa molar corresponde a un mol (6,022×10²³) de moléculas. Ejemplos:

M(H) = 1,007 97(7) u × 1 g/mol = 1,007 97(7) g/mol

M(S) = 32,065(5) u × 1 g/mol = 32,065(5) g/mol

M(Cl) = 35,453(2) u × 1 g/mol = 35,453(2) g/mol

M(Fe) = 55,845(2) u × 1 g/mol = 55,845(2) g/mol

La multiplicación por la constante de masa molar asegura que el cálculo es dimensionalmente correcto: los pesos atómicos son cantidades adimensionales (i. e. números puros, sin unidades) mientras que las masas molares tienen asociada una unidad asociada a una magnitud física (en este caso, g/mol).

Usualmente algunos elementos son encontrados en forma molecular, como el hidrógeno (H
2), azufre (S
8), cloro (Cl
2), etc. La masa molar de las moléculas homonucleares es el número de átomos en cada molécula multiplicado por el peso atómico del elemento constante, multiplicado por la constante de masa molar (M
u). Ejemplos:

M(H
2) = 2 × 1,007 97(7) u × 1 g/mol = 2,015 88(14) g/mol

M(S
8) = 8 × 32,065(5) u × 1 g/mol = 256,52(4) g/mol

M(Cl
2) = 2 × 35,453(2) u × 1 g/mol = 70,906(4) g/mol

Compuestos[editar]

La masa molar de un compuesto está dada por la suma de los pesos atómicos estándar de los átomos que forman el compuesto, multiplicado por la constante de masa molar (M
u). Ejemplo:

M(NaCl) = [22,989 769 28(2) + 35,453(2)] × 1 g/mol = 58,443(2) g/mol

M(C
12H
22O
11) = ([12 × 12,010 7(8)] + [22 ×1,007 94(7)] + [11 ×15,999 4(3)]) × 1 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 polímeros, donde moléculas de un polímero pueden tener distinto número de monómeros(polímeros no uniformes).⁴​⁵​

Mezclas[editar]

La masa molar promedio de mezclas ${\displaystyle {\bar {M}}}$ pueden ser calculados mediante las fracciones molares (x_i) de los compuestos y sus masas molares (M_i) como sigue:

${\displaystyle {\bar {M}}=\sum _{i}x_{i}M_{i}}$

También puede ser calculado a partir de la fracción de masa (w_i) de los compuestos:

${\displaystyle 1/{\bar {M}}=\sum _{i}{\frac {w_{i}}{M_{i}}}}$

Por ejemplo, la masa molar promedio del aire seco es 28,97 g/mol.

Cantidades relacionadas[editar]

La masa molar está fuertemente relacionada con la masa molar relativa (M
r) de un compuesto y con las masas atómicas estándar de los elementos constituyentes. Sin embargo, debe ser distinguida de la masa molecular, la cual es la masa de una molécula de una composición isotópica particular, y no está directamente relacionada a la masa atómica, que es la masa de un átomo de cierto isótopo. El dalton (Da), es usado a veces como unidad de la masa molar, especialmente en bioquímica, con la definición 1 Da = 1 g/mol, a pesar del hecho de que estrictamente es una constante de masa (1 Da = 1 u = 1,660 538 921(73)×10⁻²⁷ kg).⁶​³​

El peso molecular (P.M.) es un antiguo término para lo que ahora se llama, más correctamente, masa molar relativa (M
r).⁷​ Es una cantidad adimensional igual a la masa molar dividida por la constante de masa molar. La definición técnica es que la masa molar relativa es una masa molar medida en una escala donde la masa molar de un átomos no enlazados de carbono-12, en reposo y en su estado fundamental, es 12. La primera definición es equivalente a la completa, debido a la manera en que está definida la constante de masa molar.

Masa molecular[editar]

Artículo principal: Masa molecular

La masa molecular (m) es la masa de determinada molécula: se mide en daltons (Da) o unidad de masa atómica unificada (u).⁶​ Moléculas diferentes de un mismo compuesto pueden tener masas moleculares distintas debido a que este puede contener diferentes isótopos de un mismo elemento. La masa molar es una medida del promedio de la masa molecular de todas las moléculas de una muestra, y generalmente es de la medida más apropiada para trabajar con cantidades macroscópicas (que pueden ser pesadas) de una sustancia.

La masas moleculares se calculan a partir de las masas atómicas relativas⁸​ de cada nucleido, mientras que las masas molares se calculan a partir del peso atómico de cada elemento. El peso atómico considera la distribución isotópica de cada elemento en una muestra dada (habitualmente se asume que es "normal"). Por ejemplo, el agua tiene una masa molar de 18,015 3(3) g/mol; sin embargo, moléculas individuales de agua tienen masas entre 18,010 564 686 3(15) u y 22,027 736 4(9) u, pertenecientes a las composiciones isotópicas ¹H
2¹⁶O y ²H
2¹⁸O, respectivamente.

La distinción entre masa molar y masa molecular es importante debido a que las masas moleculares relativas pueden medirse directamente mediante espectometría, a menudo con una precisión de pocas partes por millón. Esta precisión es suficiente para determinar directamente la fórmula química de una molécula.⁹​

Usos en la síntesis de ADN[editar]

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El término peso atómico tiene un significado específico cuando se utiliza en el contexto de la síntesis de ADN:

El término peso fórmula (F.W.) tiene un significado específico cuando se utiliza en el contexto de la síntesis del ADN: mientras que una nucleobase fosforamidita individual que ha de añadirse a un polímero de ADN cuenta con grupos protectores y tiene su peso molecular estimado que incluye estos grupos, la cantidad de peso molecular añadida finalmente por esta nucleobase a un polímero de ADN se denomina peso fórmula, es decir, el peso molecular de esta nucleobase dentro del polímero de ADN menos los grupos protectores.

Precisión e incertidumbres[editar]

La precisión con que se conoce cada masa molar depende de la precisión de los pesos atómicos con los que es calculada. Se conoce la mayoría de los pesos atómicos a una precisión de al menos una parte en 10 000, siendo esta a menudo mucho mejor.²​ Sin embargo, el peso atómico del litio es una notable y seria excepción.¹⁰​ La precisión es adecuada para casi todos los usos químicos normales: 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 los pesos atómicos, y por ende de las masas molares, está limitado por el conocimiento de la distribución isotópica del elemento. Si se requiere de un valor más preciso, es necesario determinar la distribución isotópica de la muestra investigada, la cual puede ser diferente de la distribución estándar usada para calcular el peso atómico estándar. Las distribuciones isotópicas de elementos diferentes de una muestra no son necesariamente independientes entre sí: por ejemplo, una muestra que ha sido destilada estará enriquecidaen el isótopo más liviano de todos los elementos presentes. Esto complica el cálculo de la incertidumbre estándarde la masa molar.

Una útil convención para el trabajo común de laboratorio es poner entre paréntesis dos posiciones decimales de las masas molares para todos los cálculos. Esto es más riguroso de lo que usualmente es requerido, pero evita caer en errores de redondeo mediante los cálculos. Cuando la masa molar es mayor a 1000 g/mol, raramente es apropiado usar más de una posición decimal. Estas convenciones son seguidas en la mayoría de los valores tabulados de masas molares.¹¹​

Medición[editar]

Las masas molares casi nunca se miden directamente. En vez de eso, pueden ser calculadas a partir de las masas atómicas estándar, las cuales son listadas con frecuencia en catálogos de química y fichas de datos de seguridad (FDS). Las masas molares típicamente varían entre:

• 1-238 g/mol para átomos de elementos no sintéticos.
• 10-1000 g/mol para compuestos sencillos.
• 1000-5,000,000 g/mol para polímeros, proteínas, fragmentos de ADN, etc.

Si bien las masas molares son casi siempre, en la práctica, calculadas a partir de los pesos atómicos, también pueden ser medidas en ciertos casos. Tales mediciones son mucho menos precisas que las mediciones modernas de espectromía de masas utilizadas para medir los pesos atómicos, y prácticamente solo son de interés histórico. Todos los procedimientos confían en las propiedades coligativas, y cualquier disociación del compuesto debe ser tomada en cuenta.

Densidad de vapor[editar]

La medición de la masa molar por densidad de vapor confía en el principio, enunciado originalmente por Amadeo Avogadro, que iguales volúmenes de gases, bajo idénticas condiciones, contienen igual cantidad de partículas. Este principio se incluye en la ley de los gases ideales:

${\displaystyle pV=nRT\ }$

donde n es la cantidad de sustancia. La densidad de vapor (ρ) está dada en términos de:

${\displaystyle \rho ={{nM} \over {V}}\ }$

Combinando estas dos ecuaciones se obtiene la expresión para la masa molar en términos de la densidad de vapor para condiciones conocidas de presión y temperatura:

${\displaystyle M={{RT\rho } \over {p}}\ }$

Descenso crioscópico[editar]

El punto de congelación de una disolución es inferior que el del solvente puro, y el descenso crioscópico (ΔT) es directamente proporcional a la molaridad de la disolución. Cuando la composición está expresada como molalidad, la constante proporcional es conocida como la constante crioscópica (K
f) y es característica para cada solvente. Si w representa el concentración porcentual en peso de un soluto en disolución, y suponiendo que el soluto no está disuelto, la masa molar está dada por:

${\displaystyle M={{wK_{f}} \over {\Delta T}}\ }$

Aumento ebulloscópico[editar]

El punto de ebullición de una disolución de un soluto no volátil es mayor que el de un solvente puro, y el aumento ebulloscópico (ΔT) es directamente proporcional a la molaridad de las disoluciones. Cuando la concentración está expresada en molalidad, la constante de proporcionalidad es conocida como constante ebulloscópica (K
b) y es característica para cada solvente. Si w representa la concentración porcentual en peso de una disolución, y suponiendo que soluto no está disuelto, la masa molar se obtiene por:

${\displaystyle M={{wK_{b}} \over {\Delta T}}.\ }$

Cómo calcular la masa molar

 

Los átomos son demasiado pequeños para permitir medidas significativas de sustancias químicas. Para trabajar con cantidades significativas de sustancias, los científicos las agrupan en unidades llamadas moles. Un mol es definido como el número de átomos de carbono en 12 gramos de un isótopo de carbón-12, el cual es 602,2 sextillones (6,022 por 10 a la potencia 23) de átomos. Este número es llamado número de Avogadro o constante de Avogadro. Es usado como el número de átomos para cualquier sustancia y la masa de 1 mol de una sustancia es su masa molar. Aquí verás cómo calcular la masa molar de los elementos y compuestos. 
 
Calcula la masa molar para un elemento 
 

} 

1:Encuentra la masa atómica relativa de un elemento.La masa atómica relativa de un elemento es el promedio de masa, en unidades atómicas, de una muestra de todos sus isótopos. Esta información puede ser encontrada en la tabla periódica de elementos. Por ejemplo, para el hidrógeno, la masa relativa es 1,007; para el carbono es 12,0107; para el oxígeno es 15,9994; y para el cloro es 35,453. 
 
 
 

2:Multiplica por la constante molar.Esta es definida como 0,001 kilogramos por mol, o 1 gramo por mol. Esto convierte unidades atómicas en gramos por moles, haciendo que la masa molar del hidrógeno sea 1,007 gramos por mol, del carbono 12,0107 gramos por mol, del oxígeno 15,9994 gramos por mol y del cloro 35,453 gramos por mol. 
 
3:Encuentra la masa molar de una molécula divalente.Algunos elementos son normalmente encontrados en moléculas de 2 o más átomos de ese elemento. Esto quiere decir que si quieres hallar la masa molar de un elemento que está compuesto por 2 átomos, como el hidrógeno, el oxígeno y el cloro, entonces tienes que encontrar sus masas atómicas relativas, multiplicarlas por la constante de masa molar y luego multiplicar el resultado por 2. 

*En esos casos, la verdadera masa molar para el elemento es la masa molar para cada átomo multiplicada por el número de átomos de cada molécula: para hidrógeno 1,007 por 2, o 2,014 gramos por mol; para oxígeno, 15,9994 por 2, o 31,9988 gramos por mol; y para el cloro 35,453 por 2, o 70,096 gramos por mol.

 concentración molar (también llamada molaridad), es una medida de la concentración de un soluto en una disolución, ya sea alguna especie molecular, iónica, o atómica. Al ser el volumen dependiente de la temperatura, el problema se resuelve normalmente introduciendo coeficientes o factores de corrección de la temperatura, o utilizando medidas de concentración independiente de la temperatura tales como la molalidad.

Concentración molar (M)[editar]

La concentración molar o molaridad" representada por la letra M, se define como la cantidad de soluto(expresada en moles) por litro de disolución,²​ o por unidad de volumen disponible de las especies:³​

${\displaystyle M={\frac {n}{V}}={\frac {m}{PM}}{\frac {1}{V}}}$

Donde n es la cantidad de soluto en moles,¹​ m es la masa de soluto expresada en gramos, PM es la masa molarexpresada en g/mol, y V el volumen en litros de la disolución.

Unidades[editar]

Las unidades SI para la concentración molar son mol/m³ (Milimolar). Sin embargo, la mayor parte de la literatura química utiliza tradicionalmente el mol/dm³, o mol. dm^-3, que es lo mismo que mol/L. Esta unidad tradicional se expresa a menudo por la M (mayúscula) (pronunciada molar), precedida a veces por un prefijo del SI, como en:

1 mol/m³ = 10^-3 mol/dm³ = 10^-3 mol/dm³ = 1M = 10³ mM.

Nota: es útil recordar que los términos "milimolar" (mM) y "micromolar" (μM) se refieren a 10^-3 mol/L y 10^-6 mol/L, respectivamente.

Nombre	Abreviatura	Concentración
Milimolar	mM	10-3 molar
Micromolar	μM	10-6 molar
Nanomolar	nM	10-9 molar
Picomolar	pM	10-12 molar
Femtomolar	fM	10-15 molar
Attomolar	aM	10-18 molar
Zeptomolar	zM	10-21 molar
Yoctomolar	yM4​	10-24 molar (1 molécula por 1.6 litros)