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El mol

Reflexiona sobre lo que comemos

¿Has escuchado alguna vez la expresión Somos lo que comemos? Este dicho encierra una gran verdad acerca de la relación entre la alimentación y nuestra salud. Ingerimos diariamente muchos alimentos no siendo conscientes del efecto que pueden tener en nuestro bienestar corporal y a la hora de prevenir enfermedades. En ese sentido, las etiquetas alimentarias juegan un papel crucial al proporcionar información sobre los ingredientes y el contenido nutricional presentes en los productos que consumimos. Al comprender y analizar estas etiquetas, podemos tomar decisiones más informadas, elegir unos productos frente a otros, restringir el consumo de algunos y, en general, nos permite adoptar hábitos más saludables. ¡Apliquemos conocimientos de Química para interpretar esas etiquetas! 

Observa los siguientes productos alimentarios. ¿Qué tienen en común? ¡Explora sus etiquetas con ayuda de la lupa!

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¿Qué has observado?

Los productos de estas imágenes se corresponden con un bote de salsa de tomate (1), un paquete de cereales (2), zumos de frutas (3 y 4), y barritas energéticas (5 y 6). Si nos fijamos en su composición, todos ellos contienen altas cantidades de azúcar, y además algunos de ellos contienen también aditivos. 

Muchas veces los consumimos sin ser conscientes de esto, o incluso con la creencia infundada por los envases de que este tipo de productos son sanos. En el caso concreto de estas imágenes, podríamos leer en el reverso de sus envases mensajes como "sin conservadores" (1), "fitness" (2), "nutribebida con vitamina D, ayuda a tu sistema inmune" (3), "100% exprimido de naranja premium" (4), "sin azúcares añadidos" (5), o muestran una imagen de deportistas (6).

Vamos a indagar más sobre este tipo de sustancias a continuación, desde el punto de vista de la Química.

¿Qué es el azúcar?

El término "azúcar" hace referencia a varias moléculas diferentes, todas ellas formadas por los elementos carbono, hidrógeno y oxígeno, y que tienen en común proporcionar un sabor dulce. A temperatura ambiente estas moléculas son sólidos cristalinos, y son solubles en agua. Coloquialmente utilizamos la palabra "azúcar" para referirnos a un tipo de azúcar en concreto, muy conocido: la sacarosa. Esta sustancia es un disacárido, ya que está compuesta por dos azúcares más simples: la glucosa (anillo hexagonal) y la fructosa (anillo pentagonal).

La imagen de la izquierda nos muestra su estructura. Fíjate tanto en su representación tridimensional con bolitas de colores, como en su representación esquemática mediante una fórmula desarrollada.

Descubre qué color representa cada elemento

En Química Orgánica, se utiliza el color negro para representar los átomos de carbono; el color blanco, para los átomos de hidrógeno; y el rojo, para el oxígeno.

Apoyo visual

Existen muchos más tipos de azúcares presentes en los alimentos, además de la sacarosa, como la fructosa, la lactosa o el almidón. Todos ellos son moléculas orgánicas formadas por carbono, oxígeno e hidrógeno, y pertenecen al grupo de los hidratos de carbono. Los productos alimentarios que vimos al principio (zumos, cereales de desayuno, galletas, salsas, etc.) contienen millones de moléculas de alguno de estos tipos de azúcares. Pero, ¿cuántas, exactamente?

Amplía: Clasificación de los azúcares

Para poder embarcarnos en nuestro proyecto de investigación, vamos a comprender cómo podemos cuantificar la materia, por ejemplo para expresar cuánto azúcar contiene un producto. Hasta ahora estarás habituado a hablar en términos de gramos (y sus múltiplos y submúltiplos), y también te serán familiares los conceptos de átomos y moléculas. Sin embargo, existe otra unidad muy útil en química para medir la materia: el mol.

¿Cuántos moles de azúcar?

Si pensamos en un zumo de frutas y quisiéramos cuantificar cuántas moléculas de azúcar contiene, necesitaríamos utilizar un número natural muy elevado, como por ejemplo 1,9 · 1022. Este número es muy engorroso de visualizar, de manejar para los cálculos, de decir y de escribir, ¿no te parece?

Por practicidad, los científicos emplean una magnitud fundamental que nos permite cuantificar más cómodamente la materia: la cantidad de sustancia. Esta magnitud química cuantifica la cantidad de entidades elementales o unidades que tenemos de una determinada sustancia y su unidad fundamental es el mol.

Recuerda que el Sistema Internacional (S.I.) contempla siete magnitudes fundamentales: longitud, masa, tiempo, temperatura, cantidad de sustancia, intensidad de corriente eléctrica e intensidad luminosa.

Átomos, moléculas, iones... etc.

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Amplía la definición

Por convenio, un mol también se define como la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kg del isótopo de carbono-12. Es decir, se estableció que 12 gramos de ese tipo de carbono contienen 6,022 · 1023 átomos de carbono, lo que nos permite saber que 12 gramos de carbono equivale a 1 mol de carbono. 

La unidad mol se puede comprender como un sustantivo colectivo que abarca 6,022 · 1023 entidades. Por ejemplo, podríamos imaginar que una piscina infantil contiene 5 mol de gotas de agua (unas 3 · 1024 gotas), mientras que una playa tendrá... ¿100 mol de granos de arena? ¡Imposible de contar! Estos son ejemplos ficticios. El uso de la palabra "mol" se restrige al campo de la química exclusivamente, y no se emplea coloquialmente para describir aspectos cotidianos.

Se definen como "sustantivo numeral colectivo" aquellos sustantivos que, si bien están expresados en singular, expresan una colección o agrupación de entidades semejantes. Ejemplos: una docena de huevos, un centenar personas, un par de zapatos...

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Participa

La siguiente imagen nos muestra tres recipientes que contienen cada uno de ellos 1 mol de tres sustancias comunes: agua, sal y azúcar. ¿Qué tienen en común?

Como ves, cualquier porción de materia va a contener en su interior millones de moles de átomos o moléculas. Sin embargo, no existe ningún instrumento de laboratorio que nos permita medir con precisión cuántos contiene exactamente. ¿Cómo podemos saber entonces cuántos moles hay en una determinada sustancia? Volviendo a nuestros ejemplos de alimentos, ¿cómo podemos saber cuántos moles de azúcar contiene nuestro zumo de frutas? Para esto, necesitamos trabajar con los conceptos de masa atómica, masa molecular y masa molar. 

Masa atómica

Es la masa de un determinado átomo. Como esta masa es muy, muy pequeña, no se utilizan las unidades habituales de masa (kg, g,...) sino que se define una nueva unidad para expresarla: la uma (Unidad de Masa Atómica), que se abrevia también u. 

El valor medio de la masa de un elemento puede ser consultado en la Tabla Periódica. Por ejemplo, el elemento carbono tiene una masa de 12 u, mientras que el elemento oxígeno tiene una masa de 16 u (es decir, tiene mayor masa, es más pesado).

Su símbolo es MA.

Masa molecular

La mayor parte de las veces los átomos no se encuentran aislados, separados, en la naturaleza, sino que se encuentran unidos entre sí formando moléculas. La masa molecular nos indica cuánta masa, en umas, tiene una determinada molécula. Puede ser calculada sumando las masas de todos los átomos que constituyen esa molécula. El siguiente vídeo te mostrará cómo.

Su símbolo es MM.

Masa molar

Es la masa de un mol de partículas o entidades elementales (átomos, moléculas, iones...). Su valor coincide con la masa atómica o molecular de la sustancia, expresada en g/mol. Por ejemplo, la masa molar del carbono es 12 g/mol.

Su símbolo es M.

¿Quieres recordar cómo calcular la masa molecular de un compuesto químico? El siguiente vídeo te refrescará cómo...¡en menos de un minuto!

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Si quieres poner en práctica el cálculo de masa molecular y molar, echa un vistazo a este ejemplo resuelto.

Ejemplo resuelto

Volviendo a nuestro ejemplo del azúcar.

Si observamos la molécula de azúcar (sacarosa), vemos que está formada por 12 átomos de carbono, 22 átomos de hidrógeno y 11 átomos de oxígeno. Por lo tanto, su fórmula molecular es C12H22O11. Si consultamos la Tabla Periódica, veremos que la masa atómica del carbono es aproximadamente 12 u, la del hidrógeno es 1 u, y la del oxígeno es 16 u.

Por lo tanto, la masa de una molécula de azúcar es 342 u. El cálculo sale de hacer:

MM = 12 · 12 + 22 · 1 + 11 · 16 = 342 u

A partir del anterior dato, podemos decir que la masa molar del azúcar es 342 g/mol. Esto significa que 1 mol de azúcar tiene una masa de 342 g. O lo que es lo mismo, si pesamos con una báscula 342 g de azúcar, ¡tendremos 1 mol de azúcar sobre la báscula!

De los anteriores conceptos, nos vamos a quedar con la masa molar como herramienta matemática para conocer cuántos mol hay en una determinada sustancia. 

Por otra parte, recuerda que para relacionar los moles con el número de átomos o moléculas utilizamos el nº de Avogadro (6,022 · 1023). 

El siguiente esquema ilustra esta idea.

Ejemplo resuelto

Tomando como ejemplo la sustancia agua (H2O):
Su masa molar es 18 g/mol, por lo que tendremos 1 mol de agua en un recipiente cuando su masa sea 18 gramos; tendremos 2 mol de agua cuando su masa sea 36 gramos; y 8 mol de agua cuando su masa sea 144 gramos. Observa que utilizamos la masa molar para hacer el cálculo, en este caso multiplicando. ¿Y si fuera al revés, si quisiéramos saber cuántos mol de agua hay en una botella de 500 gramos, como la de la imagen? En ese caso, dividiremos entre el valor de la masa molar, para averiguar que contiene 27,7 mol. 
Por otra parte, esos 27,7 mol de agua contienen 1,67 · 1025 moléculas de H2O (sale de multiplicar el nº de Avogadro por 27,7). 

Ahora calcula tú

Dificultad:
★☆☆
Agrupamiento:
Individual

En el apartado anterior vimos una fotografía de tres recipientes con sustancias diferentes: agua, sal y azúcar. Se nos indicaba que cada recipiente contenía exactamente 1 mol de cada una de las sustancias. ¿Qué masa, en gramos, habrá dentro de cada recipiente?

Caso práctico: analiza las etiquetas

Dificultad: ★★☆   
Agrupamiento: Parejas

Un consumo excesivo de azúcar está asociado con aparición de diabetes, inflamación, aumento del riesgo de enfermedades cardíacas y sobrepeso.

Para tomar consciencia de la cantidad de azúcar que ingerimos, vamos a investigar acerca de cuánto azúcar contienen productos alimentarios comunes, como los que veíamos en imágenes al principio de esta sección (sube hasta el apartado "Reflexiona sobre lo que comemos"). Vamos a asumir que los distintos tipos de azúcares que pueden contener estos productos están recogidos todos ellos en el apartado "De los cuales azúcares" de la etiqueta, y para efectos de cálculo vamos a considerar que son sacarosa (Masa molecular: 342,29 u).

Examina la composición que viene en la etiqueta de estos alimentos y determina:

  • Cuántos gramos de azúcar ingerimos si consumimos el producto entero.
  • A cuántos moles equivalen esos gramos de sacarosa.
  • Cuántas moléculas de sacarosa se encuentran en cada producto.
  • Si cantidad de azúcares libres máxima recomendada por la Organización Mundial de la Salud (OMS) es de 25 gramos al día, ¿qué tan buenos para la salud son estos productos?

Ayuda

Consultad con vuestro/a profesor/a si tenéis dudas u os habéis atascado, y también finalmente para ver si habéis llegado a la respuesta correcta.

Ejercicio de refuerzo

Dificultad:
★☆☆
Agrupamiento:
Individual, o con ayuda de un/a compañero/a

Con este ejercicio vamos a reforzar cómo interconvertir las unidades de gramos a moles, y de moles a moléculas o átomos. 
Vamos a practicar con sustancias químicas comunes en el laboratorio. Realiza los cálculos aparte, y comprueba la solución en el desplegable.

Un vidrio de reloj sostiene 12 g de hidróxido de sodio en polvo (NaOH). ¿Cuántos moles son? ¿Y cuántos átomos de sodio, Na, hay en esa muestra? 

Solución: 0,3 mol; 1,8 · 1023 átomos de Na.

Un matraz contiene 170 g de etanol (C2H6O). ¿A cuántos moles equivale? ¿Cuántas moléculas de etanol hay en el matraz?

Solución: 3,7 mol de etanol; 2,2 · 1024 moléculas.

Un tubo de ensayo contiene una disolución de ácido clorhídrico (HCl), en la que hay disueltas 1,51 · 1023 moléculas de HCl. ¿Cuántos moles y cuántos gramos son?

Solución: 0,25 mol; 9,15 g.

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