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molar) (Conversiones
entre unidades de concentración líquidas)
(Unidades
de concentración en gases) (Conversiones
de unidades de concentración gaseosas)
(Cambios
de concentración subcríticos) (Alícuotas,
destilaciones y mezclas) (Referencias
bibliográficas)
La concentración normal o concentración de equivalentes (eq) se define como el número de equivalentes por cada litro de solución y sus unidades son eq/L.
(56)
Su nombre verdadero es la concentración
de equivalentes, debido a que es una medida de la dispersión
volumétrica de la cantidad de equivalentes. Su simbología varía mucho a lo
largo de la bibliografía, en especial porque tradicionalmente su símbolo de
variable y su símbolo de unidad derivada son iguales, e iguales al símbolo de
número de partículas (N) es confuso, o como dirían los historiadores de
la ciencia, una infelicidad derivada del devenir histórico de la investigación
científica, y también que los químicos no se ponen de acuerdo con facilidad.
A
demás no existe entrada para la concentración equivalente en el libro dorado de
la IUPAC debido a que es una unidad que trata de dejarse excluida o en desuso,
sin embargo, algunas ramas de la medicina aun la emplean rutinariamente
especialmente en la forma de miliequivalentes sobre litro.
La pregunta que debemos hacernos es ¿Qué es
un equivalente? Y mucho más importante ¿Cómo podemos relacionar los
equivalentes con las cargas relativas (z)
y el número de átomos en un sistema (Ni)?
Aunque
el libro de oro de la IUPAC no tiene entrada para la concentración equivalente,
si tiene entrada para equivalente, la cual literalmente se traduce de la
siguiente forma.
“Entidad equivalente: Entidad correspondiente a la transferencia
de un ion H+ en una reacción de neutralización, de un electrón en
una reacción redox, o de una magnitud de carga igual a 1 en iones. Ejemplos: 1/2H2SO4,
1/5KMnO4, 1/3Fe3+” https://goldbook.iupac.org/terms/view/E02192.
Sin embargo, nosotros tendremos 2
interpretaciones del equivalente. Por un lado, un equivalente será igual a una
constante de carga relativa para exactamente un mol de sustancia. También
podemos interpretar al equivalente como igual a la carga de Faraday 96485
culombios. Tengan en cuenta que en este contexto diferenciamos la carga de Faraday,
de la constante de Faraday, que tiene el mismo valor, pero sus unidades serán
culombios sobre mol.
Por otro lado, al igual que sucede
con la masa en que existen dos variables de masa, una llamada masa (m) y
otra masa molar (M), Para los equivalentes, también tendremos dos
variables, una el número de equivalentes (e) y la otra el equivalente
molar (em). Ahondaremos en estos conceptos posteriormente.
Símbolo de variable
de la normalidad
En base a esto propondremos como símbolo de variable εi, que debe leerse como
concentración equivalente, y ei
como símbolo de entidad equivalente medida precisamente en equivalentes.
(57)
Por lo tanto, las unidades de la concentración equivalente
serán eq/L. En textos antiguos eq/L tiende a expresarse con una unidad derivada
llamada normal, de símbolo N, pero no se aconseja usar esta unidad derivada por
dos razones:
- Tiende a confundirse con el símbolo para la variable
número de partículas (Ni)
o con el número de Avogadro (NA).
- La unidad derivada normal no sirve para hacer análisis
dimensional.
Por lo anterior, cada vez que encuentre un enunciado que
emplea la unidad normal (N) que se reconoce por estar a la izquierda de un
valor, reemplácela por la expresión eq/L.
Los fluidos
corporales contienen una mezcla de electrolitos (YouTube), tales como Na+, Cl-,
K+ y Ca2+. Medimos cada ion individual en términos
de un equivalente (eq) o 2 eq para el calcio debido a que tiene dos cargas
iónicas. En cualquier solución, la carga de los iones positivos es siempre
equilibrada por la carga de los iones negativos. Las concentraciones de
electrolitos en líquidos intravenosos se expresan en miliequivalentes por litro
(meq/L) o mN “denominado milinormal”; 1 eq = 1000 meq. Por ejemplo, una
solución que contiene 25 meq / L de Na+ y 4 meq / L de K+ tiene
una carga positiva total de 29 meq / L. Si Cl- es el único
anión, su concentración debe ser 29 meq / L.
Básicamente la
concentración normal se usa para soluciones de mezclas de más de un soluto,
donde la propiedad que nos interesa, la carga, y todas las que de esta se
desprendan como la presión osmótica y el potencial eléctrico dependen de la
acción conjunta de todos los iones simultáneamente. En este caso los
equivalentes ayudan a modelar muchos iones como si fueran una misma cosa, ya
que la propiedad a analizar es homogénea a todos los iones presentes,
especialmente en los sistemas vivos.
Los electrolitos en
el cuerpo juegan un papel importante en el mantenimiento de la función adecuada
de las células y órganos en el cuerpo. Típicamente, los electrolitos sodio,
potasio, cloruro y bicarbonato se miden en un análisis de sangre. Los iones
sodio regulan el contenido de agua en el cuerpo y son importantes en llevar
impulsos eléctricos a través del sistema nervioso. Los iones de potasio también
están implicados en la transmisión de impulsos eléctricos y juegan un papel en
el mantenimiento de un latido cardíaco regular. Los iones cloruro equilibran
las cargas de los iones positivos y también controlan el equilibrio de los
fluidos en el cuerpo. El bicarbonato es importante para mantener el pH adecuado
de la sangre. A veces, cuando el vómito, la diarrea, o si la sudoración es
excesiva, las concentraciones de ciertos electrolitos pueden disminuir. Luego
se pueden administrar fluidos como Pedialyte para volver los niveles de electrolitos a
la normalidad, y probablemente de allí se desprenda el nombre de la unidad de
la concentración equivalente, normal.
Como calcular el equivalente
La
concentración equivalente es posiblemente la unidad de concentración más
difícil de manipular por el hecho de que los enunciados rara vez nos van a dar
los valores directos del número de equivalentes. En otras palabras, debemos
poder calcular el número de equivalentes a partir de otras magnitudes físicas
dadas en un enunciado, como por ejemplo la masa o la cantidad de sustancia.
Para
resolver este problema emplearemos la definición de equivalente molar, que es
el número de equivalentes sobre cantidad de sustancia, Y, por lo tanto, sus
unidades son eq/mol.
(58)
Por lo
tanto, el problema ahora se traslada a encontrar el equivalente molar, pero es
mucho más fácil porque, al igual que la masa molar, el equivalente molar es una
constante de proporcionalidad que dependerá de la identidad de la sustancia y
del tipo de ecuación química en la que esté insertada la sustancia.
Adicionalmente,
el equivalente molar es una magnitud que sólo existe para ecuaciones químicas o
para entidades con cargas eléctricas relativas, como los iones, en una reacción
de ionización o como los electrones en reacciones de óxido-reducción.
- Para
exactamente un mol de cualquier ion aislado, su equivalente molar es igual al
valor absoluto de su número de carga expresado en equivalente sobre mol. En
este caso eq/mol, va a funcionar como una constante unitaria, homologa a la
constante de masa molar, que también es 1 g/mol. En consecuencia,
simbolizaremos la constante de equivalente molar como emu.
(59)
- Para una
sustancia ionizable en una ecuación química el equivalente molar va a ser igual
al radio estequiométrico de la ionización multiplicado por el equivalente molar
del ion.
(60)
La ecuación
anterior también sirve para reacciones de oxidación o reducción, pero en este
caso, asumiendo que el ion es el electrón.
Qué tiene de normal la
concentración equivalente?
El término "normalidad" se deriva del antiguo
término alemán para concentración equivalente (die Äquivalentkonzentration),
es decir, el Normalität,
que fue acuñado por Karl Friedrich Mohr. Según (Wilhelm, 1989), Mohr introdujo el
concepto de solución normal y normalidad (como se conoce en el mundo moderno)
en la primera edición de su Lehrbuch der chemisch-analytischen Titrirmethode
(Mohr, 1855). El prefacio contenía
las siguientes definiciones, entre otras:
La temperatura normal de los líquidos es 14 °R = 17.5 °C.
Fluido normal significa una solución que contiene 1 átomo de sustancia,
expresada en gramos, en 1 litro. Líquido normal Zehend significa una solución
que contiene 1/10 átomo de sustancia, expresada en gramos, a 1 litro o que
actúa con 1/10 átomo de un cuerpo contenido (por ejemplo, oxígeno). El libro
también enumera numerosas definiciones "normales" para el punto de
vista de Mohr, y dado que el básicamente inventó el análisis cuantitativo
estandarizado y propuso numerosas herramientas y técnicas analíticas, se acuñó,
más aún porque la ciencia más avanzada de su tiempo era alemana, y todos los
demás se copiaron. Entre estas definiciones hay:
Normalwägung
- pesaje estándar [procedimiento]; Normalbürette - bureta estándar (un
tubo de vidrio de 500 mm de largo, 13.5 mm de diámetro interno, contiene 60 cm3
de líquido dividido en cinco partes, cada cm3 tiene 7 mm de largo); Normale Stärke -
fuerza de una solución normal de ácido / base; Normalsäure y Normalnatron: soluciones estándar / normales de ácido
y base que, curiosamente, Mohr sugirió etiquetar con los trozos de papel rojo y
azul, respectivamente; Normalkleesäure, Normalsalpetersäure,
Normalchlorbaryum,
etc. - soluciones normales de oxálico, ácido nítrico y cloruro de bario (II),
etc.
Al mismo tiempo, se usó la normalidad para describir la
relación normal entre la estequiometría de los elementos (especialmente C, O,
N) y el número de equivalentes encontrados en compuestos complejos como
proteínas o fármacos (Zeising, 1856). Así pues, la
concentración equivalente era lo normal en esa época, ya que los pesos normales
eran los pesos equivalentes; pero actualmente los pesos normales son las masas
molares, y la concentración normal es realmente la contracción de cantidad de
sustancia.
Esa unidad
de concentración nos recuerda que la electricidad también es química. Y que el
concepto de Cantidad de sustancia está estrechamente vinculado al concepto de
carga de Faraday, o constante de Faraday.
En los
capítulos introductorios de la materia nos dimos cuenta de que el agua es la
medida de toda la química y que sólo hasta que los químicos estuvieron de
acuerdo de que la fórmula molecular del agua es (H2O) Que la química
moderna comenzó a desarrollarse realmente.
Adicionalmente,
debemos recordar que el agua siempre estuvo vinculada al experimento de
Cavendish, es decir, a la ionización del agua por una corriente eléctrica para
formar hidrógeno y oxígeno gaseosos.
El punto
importante aquí es que cuando se logró la tecnología para medir la corriente
eléctrica necesaria para romper dos moles de agua para generar dos moles de
hidrógeno gaseoso, y un mol de oxígeno gaseoso, la corriente eléctrica
necesaria siempre era un valor constante, igual a la carga de Faraday (Laing, 1996). Cuando se aplicó la misma carga de
Faraday a otras reacciones químicas simples, se dieron cuenta que las
cantidades de sustancia obtenidas siempre eran iguales a sus correspondientes
números estequiométricos teóricos expresados en moles, siempre y cuando se
emplearán las mismas cantidades de sustancia iguales a sus números
estequiométricos de los reactivos.
(61)
Si nos
volvemos a fijar en el agua, eso quiere decir que para obtener una sola mol de
oxígeno molecular se requiere una carga de Faraday. Y por el mismo razonamiento
que nos permite calcular el número de moléculas a través de la cantidad de
sustancia, Si dividimos la carga de Faraday entre el número de Avogadro,
obtendremos la constante, pero para una sola partícula, Que se denomina
constante de carga elemental.
(62)
De hecho,
un solo protón tiene una carga igual a la constante de carga elemental y un
solo electrón tiene una carga igual al negativo de dicha carga elemental.
Combinaremos
las ecuaciones 57 y 58, siempre y cuando se conozca el equivalente molar.
(63)
Lo anterior
nos lleva al modo en que los libros Detexto normalmente representan la
concentración normal como igual, al equivalente molar por la concentración
molar, ya que cantidad de sustancia de El soluto sobre el volumen de la
solución es ci.
(64)
Y la
ecuación 60 servirá para calcular el equivalente molar en la mayoría de las
situaciones.
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