Concentrazione (chimica)

Esempi di soluzioni diluite e concentrate. La concentrazione è evidenziata qualitativamente dalla colorazione data dall'inchiostro.

La concentrazione di un componente in una miscela è una grandezza che esprime il rapporto tra la quantità del componente rispetto alla quantità totale di tutti i componenti della miscela (compreso il suddetto componente), o, in alcuni modi di esprimerla, del componente più abbondante.

Nel caso specifico di una soluzione (che è un tipo particolare di miscela), la concentrazione di un determinato soluto nella soluzione esprime il rapporto tra la quantità del soluto rispetto alla quantità totale di soluzione, o, in alcuni modi di esprimerla, del solo solvente (ad esempio molalità).

Quando la sostanza in esame ha una concentrazione molto elevata nella miscela, si parla in genere di purezza; se non è diversamente specificato, la purezza viene intesa come la percentuale in peso della sostanza in esame rispetto al peso totale della miscela. Ad esempio se un campione di 100 grammi di argento presenta una purezza del 99,9% vuol dire che tale campione contiene 99,9 grammi di argento e 0,1 grammi di altre sostanze (dette impurezze).

Modi per esprimere la concentrazione

Notazione quantitativa

Concentrazione massica (Densità in soluzione)

La densità in soluzione $ρ_{i}$ indica il rapporto tra la massa del soluto $m_{i}$ rispetto al volume dell'intera soluzione $V$ :

ρ_{i} = \frac{m_{i}}{V} .

La densità in soluzione si esprime in kg/m³ (pari a g/L).

Molarità

La molarità (o concentrazione molare) $c_{i}$ si definisce come il rapporto del numero di moli del soluto $n_{i}$ rispetto al volume della soluzione $V$ in litri:

c_{i} = \frac{n_{i}}{V} .

L'unità di misura della molarità sono i kmol/m³ (che, si ricorda, equivalgono a mol/L, a loro volta pari a mol/dm³).

Densità di numero

La densità di numero $C_{i}$ indica il numero di determinati oggetti $N_{i}$ per unità di volume $V$ :

C_{i} = \frac{N_{i}}{V} .

La densità di numero è misurata in 1/m³.

Percentuale in volume

La percentuale in volume $ϕ_{i}$ corrisponde ai millilitri (mL) di soluto $V_{i}$ disciolti in 100 millilitri di soluzione $V$ :

ϕ_{i} = \frac{V_{i}}{V} .

Trattandosi di una grandezza adimensionale, la percentuale in volume è definita da un numero o da una percentuale (per esempio, 0,18 o 18%).

Quantità relative

Normalità

La normalità indica il numero di equivalenti di un soluto disciolti in un litro di soluzione. Si calcola con la formula:

N = \frac{n_{e q}}{V}

Questa grandezza oggi è abolita sia dalla IUPAC che dal Sistema Internazionale, ma si continua comunque a farne uso.

Molalità

La molalità $b_{i}$ , da non confondersi con la molarità, è definita come il rapporto tra il numero di moli del soluto $n_{i}$ e la massa del solvente $m_{s o l v e n t e}$ espressa in chilogrammi (non la massa della soluzione).

b_{i} = \frac{n_{i}}{m_{s o l v e n t e}} .

La molalità si esprime, quindi, in mol/kg.

Frazione molare

La frazione molare $r_{i}$ è definita come il rapporto della quantità di sostanza della specie chimica in questione $n_{i}$ e la quantità di sostanza di tutte le specie presenti nella miscela:

r_{i} = \frac{n_{i}}{n_{t o t}} .

Rapporto di mescolanza

Il rapporto di mescolanza $r_{i}$ è il rapporto tra la massa $m_{v}$ di vapore acqueo e la massa $m_{d}$ d'aria secca contenute in una certa massa d'aria umida:

r_{i} = \frac{m_{v}}{m_{d}} .

Frazione massica

La frazione ponderale (della massa) $w_{s o l u t o}$ definita come il rapporto tra la massa della specie chimica in questione e la massa totale della miscela.

w_{s o l u t o} = \frac{m_{s o l u t o}}{m_{s o l u t o} + m_{s o l v e n t e}}

Trattandosi di una grandezza adimensionale, la percentuale in massa è definita da un numero o da una percentuale (per esempio, 0,23 o 23%).

Tabella riassuntiva

Tipo di concentrazione	Simbolo	Definizione	Unità di misura	Altre unità
percentuale massa/volume	$ρ_{i}$ o $γ_{i}$	$m_{i} / V$	kg/m³	g/100mL (= g/dL)
concentrazione molare	$c_{i}$	$n_{i} / V$	mol/m³	M (= mol/L)
densità di numero	$C_{i}$	$N_{i} / V$	1/m³	1/cm³
percentuale in volume	$ϕ_{i}$	$V_{i} / V$	m³/m³	%, ‰, ppm, ppb, ppt
Quantità relative	Simbolo	Definizione	Unità di misura	Altre unità
normalità	$N$	$c_{i} / f_{e q}$	mol/m³	N (= mol/L)
molalità	$b_{i}$	$n_{i} / m_{s o l v e n t e}$	mol/kg
frazione molare	$x_{i}$	$n_{i} / n_{t o t}$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
rapporto di mescolanza	$r_{i}$	$n_{i} / (n_{t o t} - n_{i})$	mol/mol	ppm, ppb, ppt
frazione massica	$w_{i}$	$m_{i} / m_{t o t}$	kg/kg	%, ‰, ppm, ppb, ppt

Altre notazioni

Notazione complementare alla % è il rapporto relativo soluto:miscela (in peso o volume) con notazione Q_soluto : Q_miscela (es. rapporto zucchero-bevanda 3:100).

Precisazioni

Come spiegato nella nota sopra, occorre fare sempre attenzione, specie nel caso delle soluzioni in cui il solvente è molto preponderante in confronto al soluto, che le % di concentrazione sono riferite alla soluzione (il risultato finale cioè il totale) e non al solvente (che è solo un componente del totale). Ad esempio: nella miscela di carburante benzina-olio al 2% (in volume), per ottenere 10 litri di prodotto occorre combinare 0,2 litri di olio (soluto) con 9,8 litri di benzina (solvente) e non (e qui sta il classico errore) 0,2 litri di olio in 10 litri di benzina (il risultato complessivo sarebbe 10,2 litri di miscela al 1,9%).

Inoltre, la concentrazione di una soluzione è funzione della densità della stessa. Solo in caso di soluzioni acquose diluite (ad esempio il vino secco) si può trascurare la densità reale e approssimarla all'unità. In tutti gli altri casi, per passare da concentrazione espressa in % massa/massa a concentrazione % volume/volume o a % massa/volume occorre considerare la densità effettiva della soluzione (la massa non cambia ma il volume cambia se si considera la densità effettiva della miscela).

Nel caso di soluzioni acquose (per cui la densità è prossima all'unità) si assimila la concentrazione (in massa sul volume) in g/l a concentrazione per mille (‰). La concentrazione in ‰ è usata, ad esempio, nel settore enologico (i disciplinari impiegano la concentrazione per mille per designare l'acidità o l'estratto secco nel vino). Similmente, sempre per soluzioni acquose, la concentrazione espressa in % equivale a g/ml (ad esempio acqua zuccherata a 70 g/l cioè 0,07 g/ml equivale al 7%). In pasticceria o in enotecnica lo sciropppo zuccherino al 60% equivale a 600 g/l. In campo farmaceutico la soluzione fisiologica, ad esempio al 3%, esprime 3 g di NaCl (sale) disciolti in 100 ml di acqua purificata. Idem la soluzione nutrizionale parentale di tipo zuccherino al 5% (100 ml di soluzione acquosa contengono 5 g di glucosio disciolti). In maniera equivalente si usa la % per indicare la concentrazione in Kg/l invece che g/ml.

Quando non precisato, solitamente la concentrazione % (anche di miscele liquide) è intesa in massa/massa (come in pasticceria o in enotecnica): in questi casi, quando si sta parlando di soluzioni acquose (di densità vicina a quella dell'acqua) allora è approssimabile a % volume/volume. Altrimenti, quando la densità della soluzione è significativamente diversa da 1 Kg/l, va sempre precisata la grandezza di cui si sta parlando per esprimere il rapporto % (se in massa o in volume) per non compiere errori grossolani.

Note

↑ IUPAC. Compendium of Chemical Terminology, seconda edizione (1997). (EN) concentration.
↑ Come succede nella realtà tecnica quasi sempre si usa erroneamente la parola peso al posto di massa.
↑ Silvestroni, p. 238.
↑ In alcuni casi (a meno che non sia diversamente esplicitato) si fa un errore concettuale perché si riporta alla quantità del solvente e non alla quantità della miscela (soluto + solvente) cioè rispetto al totale. Questo accade perché in molte casi pratici di miscele, la quantità di solvente è molto maggiore di quella del soluto.
↑ Come nelle proporzioni si legge "tre a cento".
↑ Colline novaresi DOC, su vinacciolo.it.
↑ Tanto è vero che in pasticceria si usa la bilancia anche per pesare un ingrediente liquido.
↑ Come nel caso di uno sciroppo zuccherino.

Bibliografia

R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot, Fenomeni di trasporto, a cura di Enzo Sebastiani, Milano, Casa editrice ambrosiana, 1979, ISBN 88-408-0051-4. URL consultato il 9 novembre 2009 (archiviato dall'url originale il 24 settembre 2009).
Paolo Silvestroni, Fondamenti di chimica, 10ª ed., CEA, 1996, ISBN 88-408-0998-8.