Descripción de la calculadora La calculadora de cantidad de sustancia convierte los gramos de una balanza en las «porciones» de una ecuación química: n = m / M n = m/M n = m / M , con la masa m m m (g) y la masa molar M M M (g/mol) se obtiene la cantidad de sustancia n n n (mol); multiplicando después por la constante de Avogadro N A N_A N A se obtiene el número de partículas N = n N A N = n N_A N = n N A : cuántos moles son 18 g de agua y cuántas moléculas contienen, cuántos moles son 2.922 g de sal de mesa o cuántos átomos hay en 1 g de oro y en 1 g de hidrógeno. También se puede despejar: cuántos gramos son 0.25 mol de sal o qué masa molar tiene una sustancia de la que 10 g son 0.2 mol.
Es el primer paso de la estequiometría. Las reacciones proceden por número de partículas, pero la balanza solo pesa masas, y M M M es el factor de conversión entre ambas: cuántos gramos por mol . Qué es el mol, por qué se ajusta por número y no por masa y cómo se relaciona con las concentraciones se explica a fondo en el anclaje del bloque de química, la calculadora de molaridad ; una vez obtenido n n n , para preparar disoluciones se acude allí y para diluir, a la calculadora de dilución . Esta página solo trata sus tres temas propios: cómo se calcula la masa molar a partir de las masas atómicas, por qué N A N_A N A es un valor exacto desde 2019 y a quién hay que creer entre los 8 decimales que se muestran y tus cifras significativas.
Lo que no hace: no busca masas molares (hay que sumar las masas atómicas según la fórmula química; aquí se explica el método y se dan valores habituales); no convierte kg ↔ g ni mg ↔ g; no distingue entre moléculas, iones y átomos, porque N N N cuenta las «entidades elementales» que representa la fórmula química; y no calcula concentraciones de disoluciones.
Ejemplos Los cuatro ejemplos han sido recalculados por el método compute del motor chem-moles; n n n , m m m y M M M se muestran con un máximo de 8 decimales y sin ceros finales, N N N en forma exponencial con 7 cifras significativas, y las unidades son g, g/mol y mol.
Ejemplo 1: por qué 18 g de agua no son exactamente 1 mol
Con las entradas por defecto m = 18 m = 18 m = 18 y M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 : n = 18 / 18.015 = 0.99916736 n = 18 / 18.015 = 0.99916736 n = 18/18.015 = 0.99916736 y N = 0.99916736 × 6.02214076 × 10 23 = 6.017126 × 10 23 N = 0.99916736 \times 6.02214076 \times 10^{23} = 6.017126 \times 10^{23} N = 0.99916736 × 6.02214076 × 1 0 23 = 6.017126 × 1 0 23 . La interfaz muestra: cantidad n 0.99916736 y partículas N 6.017126e+23 .
Si se cambia la masa a 18.015: la interfaz muestra n 1 y N 6.022141e+23 , exactamente 1 mol, con un número de partículas igual a N A N_A N A . La diferencia entre 18 y 18.015 es del 0.08% y se debe a que la masa molar del H₂O, 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 2 \times 1.008 + 15.999 = 18.015 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 , no es un número entero: las masas atómicas del hidrógeno y del oxígeno no son enteras (mezcla de isótopos y energía de enlace nuclear), así que «18 g de agua = 1 mol» es una simplificación de los libros de texto.
Esas 6.017 × 10 23 6.017 \times 10^{23} 6.017 × 1 0 23 moléculas caben en una cucharada grande. Si se contaran mil millones por segundo, se tardarían unos 19 millones de años: por eso la química inventó el mol, una «docena grande» que reduce el número a cifras que se pueden leer.
Figura 1: las dos conversiones del ejemplo 1. A la izquierda, lo que se puede pesar; a la derecha, lo que se puede hacer reaccionar; M y N_A son los dos factores de conversión
Ejemplo 2: sal y un terrón de azúcar: de preparar una disolución a pesar en la balanza
2.922 g de sal (la cantidad que hay que pesar en el ejemplo 2 de la calculadora de molaridad ), con M NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 M_\text{NaCl} = 22.990 + 35.45 = 58.44 M NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 . Con m = 2.922 m = 2.922 m = 2.922 y M = 58.44 M = 58.44 M = 58.44 : la interfaz muestra n 0.05 y N 3.011070e+22 , es decir, 3.0 × 10 22 3.0 \times 10^{22} 3.0 × 1 0 22 unidades de fórmula NaCl, o lo que es lo mismo, 3.0 × 10 22 3.0 \times 10^{22} 3.0 × 1 0 22 iones Na⁺ y otros tantos Cl⁻. El NaCl es un cristal iónico y no hay «moléculas de NaCl»: N N N cuenta unidades de fórmula.
Despejar la masa : ¿cuántos gramos son 0.25 mol de sal? Vacía m m m y pon n = 0.25 n = 0.25 n = 0.25 y M = 58.44 M = 58.44 M = 58.44 : m = 14.61 m = 14.61 m = 14.61 . La interfaz muestra: masa m 14.61 y N 1.505535e+23 .
Un terrón de azúcar : 4 g de sacarosa C₁₂H₂₂O₁₁, con M = 12 × 12.011 + 22 × 1.008 + 11 × 15.999 = 342.297 M = 12 \times 12.011 + 22 \times 1.008 + 11 \times 15.999 = 342.297 M = 12 × 12.011 + 22 × 1.008 + 11 × 15.999 = 342.297 . Con m = 4 m = 4 m = 4 y M = 342.297 M = 342.297 M = 342.297 : la interfaz muestra n 0.01168576 y N 7.037328e+21 . Con unos pocos gramos de sustancia, cuanto mayor es la molécula, menos moles hay: esa es la razón de que en el ejemplo 3 de la calculadora de molaridad «9 g de glucosa sean 0.05 mol y 9 g de sal sean 0.154 mol».
Ejemplo 3: los mismos 1 g de sustancia, 200 veces más átomos
1 g de oro , M Au = 196.96657 M_\text{Au} = 196.96657 M Au = 196.96657 : con m = 1 m = 1 m = 1 y M = 196.96657 M = 196.96657 M = 196.96657 , la interfaz muestra n 0.005077 y N 3.057443e+21 .
1 g de átomos de hidrógeno , M H = 1.008 M_\text{H} = 1.008 M H = 1.008 : la interfaz muestra n 0.99206349 y N 5.974346e+23 . Con el mismo 1 g, el número de átomos de hidrógeno es unas 195 veces mayor que el de oro, porque cada átomo de oro pesa unas 195 veces más. n ∝ 1 / M n \propto 1/M n ∝ 1/ M : con la masa fija, la cantidad de sustancia es inversamente proporcional a la masa molar.
100 g de cobre , M Cu = 63.546 M_\text{Cu} = 63.546 M Cu = 63.546 : la interfaz muestra n 1.57366317 y N 9.476821e+23 .
44 g de dióxido de carbono , M = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 M = 12.011 + 2 \times 15.999 = 44.009 M = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 , con m = 44 m = 44 m = 44 : la interfaz muestra n 0.9997955 y N 6.020909e+23 : igual que el agua de 18 g, «le falta un poco» para ser 1 mol. Solo con m = 44.009 m = 44.009 m = 44.009 se obtiene exactamente 1 .
Ejemplo 4: despejar la masa molar, gramos y kilogramos, y una trampa de visualización
Identificar una sustancia desconocida : una muestra de 10 g resulta ser 0.2 mol. Vacía M M M y pon m = 10 m = 10 m = 10 y n = 0.2 n = 0.2 n = 0.2 : M = 50 M = 50 M = 50 . La interfaz muestra: masa molar M 50 y N 1.204428e+23 . Una masa molar de 50 g/mol permite descartar más de la mitad de las fórmulas candidatas.
Obtener la masa a partir de n n n : ¿cuánto pesan 2 mol de agua? Vacía m m m y pon n = 2 n = 2 n = 2 y M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 : la interfaz muestra m 36.03 y N 1.204428e+24 .
La trampa del kilogramo : escribir 18 g como 0.018 (kg): con m = 0.018 m = 0.018 m = 0.018 y M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 , la interfaz muestra n 0.00099917 y N 6.017126e+20 : mil veces menos. La unidad del campo es el gramo.
La trampa de la visualización : en el estado por defecto (m = 18 m = 18 m = 18 , M = 18.015 M = 18.015 M = 18.015 ), basta con escribir 2 en «Cantidad n» para que los tres campos sean entradas y el número de partículas pase a 1.204428e+24 : el motor calcula N N N con esos 2 mol y ya no mira 18/18.015. No avisa de que los tres números se contradicen.
8 decimales no son 8 cifras significativas
El 0.99916736 que muestra la interfaz es el criterio de visualización del motor, no la precisión de una medida. Un «18 g» pesado en una balanza de cocina suele tener dos cifras significativas y la cantidad correspondiente debería expresarse como 1.0 mol; para que 0.999167 tenga sentido, hay que pesar 18.0000 g en una balanza analítica. La masa molar también tiene su precisión: la IUPAC da intervalos para elementos como H, C u O (por ejemplo, de 15.99903 a 15.99977 para el O), y en la enseñanza y el cálculo corriente se usan los valores convencionales 1.008, 12.011 y 15.999. Las cifras significativas del resultado vienen determinadas por el dato de partida que menos tenga.
Las entradas del ejemplo 1 se pueden escribir directamente en el panel para reproducirlo; cambia la masa a 18.015 y verás que n pasa a 1 y N a N_A; cambia la masa molar a 58.44 (sal) o 196.96657 (oro) y observa cómo, con los mismos 18 g, el número de moles disminuye de forma inversamente proporcional a M.
Fundamentos y deducción Cómo se calcula la masa molar
M M M es la suma de las masas atómicas estándar de todos los átomos de la fórmula química, en g/mol. Las masas atómicas estándar las mantiene el Comité de Pesos Atómicos y Abundancias Isotópicas (CIAAW) de la IUPAC; valores habituales:
Elemento
Masa atómica convencional
Elemento
Masa atómica convencional
H
1.008
Na
22.990
C
12.011
Cl
35.45
N
14.007
Cu
63.546
O
15.999
Au
196.966 570
Así, H₂O = 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 = 2 \times 1.008 + 15.999 = 18.015 = 2 × 1.008 + 15.999 = 18.015 , NaCl = 22.990 + 35.45 = 58.44 = 22.990 + 35.45 = 58.44 = 22.990 + 35.45 = 58.44 , CO₂ = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 = 12.011 + 2 \times 15.999 = 44.009 = 12.011 + 2 × 15.999 = 44.009 y C₆H₁₂O₆ = 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 = 6 \times 12.011 + 12 \times 1.008 + 6 \times 15.999 = 180.156 = 6 × 12.011 + 12 × 1.008 + 6 × 15.999 = 180.156 . Las masas atómicas no son enteras porque los elementos naturales son mezclas de isótopos (el cloro es aproximadamente un 76% de ³⁵Cl y un 24% de ³⁷Cl, con una media de 35.45) y porque la energía de enlace hace que la masa del núcleo sea algo menor que la suma de sus nucleones. El agua pesada D₂O tiene M = 20.03 M = 20.03 M = 20.03 : la misma fórmula con otros isótopos cambia la masa molar.
Por qué g/mol coincide numéricamente con la masa molecular relativa
La escala de las masas atómicas relativas toma «1/12 de la masa del átomo de ¹²C como unidad». Entre 1971 y 2019, el mol se definía como «el número de átomos que hay en 0.012 kg de ¹²C», y las dos convenciones juntas garantizaban que la masa de 1 mol de cualquier sustancia, en gramos, coincidiera numéricamente con su masa molecular relativa. Esa es la razón de que el mol tenga este tamaño: no es una constante de la naturaleza, sino una elección deliberada para alinear el «gramo» con la «masa relativa». Desde 2019, N A N_A N A es un valor exacto por definición y esa igualdad solo se cumple con una precisión de orden 10 − 9 10^{-9} 1 0 − 9 , algo sin ninguna consecuencia práctica.
N A N_A N A : de valor medido a valor definido
En 1811, Avogadro propuso que «volúmenes iguales de gases, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas», pero no sabía cuánto valía ese número. En 1909, Perrin obtuvo por varios métodos independientes (entre ellos el movimiento browniano) resultados coherentes entre 6.5 6.5 6.5 y 7 × 10 23 7 \times 10^{23} 7 × 1 0 23 , lo llamó «número de Avogadro» y aportó una prueba decisiva de que las moléculas existen de verdad (Premio Nobel de Física de 1926). Durante el siglo siguiente, N A N_A N A se fue midiendo cada vez con más precisión, hasta alcanzar una incertidumbre relativa de 10 − 8 10^{-8} 1 0 − 8 mediante el método de densidad por rayos X con esferas monocristalinas de silicio-28; la novena edición del SI, en vigor desde el 20 de mayo de 2019, directamente lo definió como el valor exacto 6.022 140 76 × 10 23 mol − 1 6.022\,140\,76 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1} 6.022 140 76 × 1 0 23 mol − 1 , y el mol dejó de depender de los 12 g de carbono-12. Ese es el valor incorporado en el motor.
Por qué las dos conversiones se explican por separado
N = m N A / M N = m N_A / M N = m N A / M puede calcularse en un solo paso, pero en química casi nunca hace falta N N N : los coeficientes de las ecuaciones son razones en moles, y tanto las disoluciones como las valoraciones y los volúmenes de gas (22.4 L/mol) se manejan con n n n . El sentido de N N N es que permite ver el tamaño del mol: un número del orden de 10 23 10^{23} 1 0 23 es la manifestación directa de que la materia macroscópica está hecha de partículas microscópicas. El criterio que sigue el motor con N N N refleja eso mismo: toma «el n n n que hayas introducido o, en su defecto, m / M m/M m / M », de modo que n n n es el resultado principal y N N N una conversión auxiliar.
Cifras significativas
El aviso que sigue a los ejemplos ya lo adelanta: los 8 decimales que se muestran son un criterio del programa. Los resultados de la estequiometría se expresan con las cifras significativas del dato de partida que menos tenga, y basta con dar la masa molar con una cifra más que la masa. Desde 2009, la IUPAC publica intervalos en lugar de un único valor para elementos como H, Li, B, C, N, O, Si, S, Cl o Tl, porque la composición isotópica de las muestras varía según su origen; para el cálculo corriente bastan los valores convencionales, y solo el análisis de isótopos necesita los intervalos.