Molarità, molalità e frazione molare: le unità di concentrazione

Dire che una soluzione è «concentrata» non basta: in laboratorio e in produzione serve un numero. Ma di numeri ce ne sono diversi — molarità, molalità, frazione molare, percentuali in massa o in volume — e ciascuno risponde a una domanda diversa. Sapere quale unità usare e perché evita errori di preparazione e rende i calcoli successivi immediati.

Vediamo una per una le unità di concentrazione, come si calcolano, e soprattutto in quali situazioni conviene l’una piuttosto che l’altra.

Soluto, solvente e soluzione

Una soluzione è una miscela omogenea: il soluto è la sostanza che si scioglie (in genere la minore), il solvente è quella che la accoglie (in genere la maggiore, spesso acqua). La concentrazione misura quanto soluto c’è rispetto al solvente o all’intera soluzione. Tutte le unità che vedremo esprimono lo stesso concetto in modi diversi: cambia ciò che si mette al numeratore e al denominatore, e da quella scelta dipende quando ognuna è comoda.

Molarità (M): la più usata in laboratorio

La molarità è il numero di moli di soluto per litro di soluzione. È la regina del laboratorio perché il volume si misura subito con un matraccio o una pipetta, e la maggior parte delle reazioni in soluzione si ragiona in moli.

M = moli di solutolitri di soluzione   (mol/L)

Attenzione al denominatore: è il volume della soluzione finale, non del solvente aggiunto. Per questo una soluzione 1 M non si prepara sciogliendo una mole in un litro d’acqua, ma sciogliendola e poi portando a volume di un litro. C’è però un limite: il volume dipende dalla temperatura (i liquidi si dilatano), quindi la molarità di una stessa soluzione cambia leggermente se la si scalda o la si raffredda.

Molalità (m): indipendente dalla temperatura

La molalità è il numero di moli di soluto per chilogrammo di solvente. Qui al denominatore c’è una massa, non un volume: e poiché la massa non cambia con la temperatura, la molalità resta costante quando la soluzione viene scaldata o raffreddata. È per questo che la si preferisce nello studio delle proprietà colligative (abbassamento crioscopico, innalzamento ebullioscopico), dove la temperatura varia per definizione.

m = moli di solutokg di solvente   (mol/kg)

Frazione molare (x): senza unità, per i gas e le miscele

La frazione molare di un componente è il rapporto tra le sue moli e le moli totali della miscela. È un numero puro, compreso tra 0 e 1, e la somma delle frazioni molari di tutti i componenti vale sempre 1. È comodissima quando si lavora con miscele di gas (compare nella legge di Dalton e in quella di Henry) o quando si ragiona sui rapporti relativi tra più sostanze senza riferirsi a volumi o masse assolute.

x_A = n_An_totali

Percentuali: %m/m e %m/V, le più pratiche

Le percentuali sono le unità più intuitive e diffuse fuori dal laboratorio analitico, per esempio nelle schede tecniche e nei prodotti commerciali. La percentuale in massa (% m/m) è la massa di soluto su 100 grammi di soluzione; la percentuale massa/volume (% m/V) è i grammi di soluto in 100 mL di soluzione, molto usata per soluzioni acquose diluite (per esempio una soluzione fisiologica allo 0,9%).

% m/m = massa solutomassa soluzione × 100  ·  % m/V = massa soluto (g)volume soluzione (mL) × 100

Esiste anche la percentuale in volume (% V/V), tipica delle miscele di liquidi come le bevande alcoliche. Le percentuali sono semplici da capire ma poco adatte ai calcoli stechiometrici, perché non parlano direttamente di moli: per quelli si converte in molarità o molalità.

Quale unità scegliere: tabella di confronto

Ogni unità ha il suo terreno d’elezione. Questa tabella riassume formula, dipendenza dalla temperatura e impiego tipico:

Saper passare da un’unità all’altra è un’abilità di base: serve conoscere la massa molare del soluto e, per le conversioni che coinvolgono volumi, la densità della soluzione. Una volta nota la concentrazione in una qualsiasi forma, tutte le altre si ricavano con pochi passaggi.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra molarità e molalità?

La molarità è il numero di moli di soluto per litro di soluzione, la molalità per chilogrammo di solvente. La differenza chiave è al denominatore: la molarità usa un volume (che cambia con la temperatura), la molalità una massa (che non cambia). Per questo la molalità si preferisce quando la temperatura varia, mentre la molarità è più pratica per dosare reagenti.

Perché la molarità dipende dalla temperatura?

Perché al denominatore c’è il volume della soluzione, e i liquidi si dilatano quando si scaldano e si contraggono quando si raffreddano. Lo stesso numero di moli, in un volume leggermente diverso, dà una molarità leggermente diversa. La molalità e la frazione molare, basate su masse e moli, restano invece costanti.

Che cos’è la frazione molare?

È il rapporto tra le moli di un componente e le moli totali della miscela. È un numero senza unità, compreso tra 0 e 1, e la somma delle frazioni molari di tutti i componenti vale 1. Si usa molto per le miscele di gas e nei calcoli teorici, perché non dipende dalla temperatura.

Qual è la differenza tra % m/m e % m/V?

La percentuale in massa (% m/m) è la massa di soluto su 100 grammi di soluzione; la percentuale massa/volume (% m/V) è i grammi di soluto in 100 mL di soluzione. La prima è un rapporto tra masse e non dipende dalla temperatura, la seconda coinvolge un volume e quindi ne dipende leggermente. La % m/V è comoda per le soluzioni acquose diluite.

Per dosare un reagente che concentrazione conviene usare?

In laboratorio quasi sempre la molarità, perché si lavora con volumi (matracci, pipette, burette) e con moli, ed è immediato calcolare quante moli di reagente sono contenute in un dato volume. Per le proprietà colligative o i calcoli a temperatura variabile si passa invece alla molalità, e per le miscele di gas alla frazione molare.