038 – Preparación de soluciones por disolución

La preparación de una solución de concentración conocida es la operación que se realiza con mayor frecuencia en cualquier laboratorio. Un estándar de calibración para un instrumento, un reactivo para una titulación, un búfer para un cultivo celular, un líquido intravenoso, un jarabe en una línea de producción: todos se elaboran mediante la misma rutina de tres pasos: calcular la masa de soluto que requiere la concentración deseada, pesar esa masa y llevarla a un volumen final conocido. Vale la pena aprender la técnica con cuidado, porque cada resultado cuantitativo obtenido posteriormente se basa en la concentración de las soluciones utilizadas para obtenerlo.

Dos cosas hacen que la rutina sea menos obvia de lo que parece. La primera es que la concentración se puede expresar de varias formas que son numéricamente diferentes pero describen la misma cantidad: una concentración másica en gramos por litro, un porcentaje masa en volumen o una concentración molar en moles por litro. Convertir correctamente entre ellas es la mitad del ejercicio. La segunda es que los volúmenes de líquidos y sólidos no son aditivos. Disolver un sólido en 100 ml de agua no da 100 ml de solución; da un poco más, porque las partículas disueltas ocupan su propio espacio. Es por eso que una solución siempre se prepara disolviendo el soluto en menos que el volumen final y luego completando hasta una marca de calibración, y por qué el recipiente utilizado es un matraz aforado en lugar de un vaso de precipitados o una probeta graduada.

En este trabajo de laboratorio prepararás dos soluciones de cristales de zumo, cada una con un volumen final de 100 ml: la solución A con una concentración másica de 25 g/l, y la solución B con una relación m/v de 5 %, que primero deberás convertir a gramos por litro. Para cada una de ellas, calcularás la masa necesaria, la pesarás en una balanza electrónica en una barquilla tarada, la disolverás en unos 50 ml de agua destilada en un matraz aforado de 100 ml, la completarás hasta la marca de calibración, la mezclarás y transferirás el resultado a un vaso de precipitados etiquetado. A continuación, compararás ambas soluciones con una serie de soluciones de referencia frente a una tarjeta negra e identificarás con cuál de ellas coincide cada una: se trata de una estimación puramente visual de la concentración y una primera aproximación al principio en el que se basa la colorimetría.

Objetivos Educativos

Al final de este laboratorio, los estudiantes serán capaces de:

Cálculo de la masa del soluto

• m = C * V.
• Convierte un porcentaje de masa por volumen en gramos por litro y explica por qué 5 % m/v equivale a 50 g/L y no a 5 g/L ni a 50 g/kg.
• Indique por qué no se puede citar una concentración molar para los cristales de jugo y calcule una para una sustancia pura de masa molar conocida.

Uso de la balanza electrónica

• Coloque un platillo de pesaje en el platillo de la balanza y ponga la balanza a cero con la función de tara, y explique qué hace la tara al valor mostrado.
• Añade un sólido con una espátula en pequeños incrementos hasta alcanzar una masa objetivo, en lugar de pasarte y tener que retirar material.
• Lea la pantalla según la resolución del instrumento y registre la masa con el número correcto de cifras significativas.

Técnica volumétrica

• Utiliza una probeta graduada para un volumen aproximado y un matraz aforado para el volumen final, y justifica la elección de cada uno.
• Disuelve el soluto en un volumen inferior al volumen final; a continuación, completa hasta la marca de calibración y explica por qué, si se sigue el orden inverso, se obtiene una solución demasiado diluida.
• Lleve el menisco hasta la marca con un cuentagotas para la última fracción de mililitro.

Disolución y homogenización

• Reconocer la disolución como un cambio físico que da lugar a una mezcla homogénea, e identificar el soluto y el disolvente.
• Mezclar por inversión y agitación circular hasta que no queden cristales, y explicar por qué una solución debe volver a mezclarse después de haber sido aforada hasta la marca.

Estimación de una concentración a partir del color

• Compare una solución coloreada con una serie de referencias de concentración conocida, observadas contra una tarjeta negra, y asigne la coincidencia más cercana.
• Explique por qué la intensidad del color aumenta con la concentración y establezca los límites de una comparación visual.

Mantenimiento de registros

• Anote las masas, los volúmenes y las observaciones a medida que avanza el trabajo en lugar de reconstruirlos posteriormente.

Protocolo

Dos vasos de precipitados de 100 mL están a tu derecha, etiquetados como A y B.

Preparación de la solución azucarada A

1. Queremos añadir cristales de zumo para obtener una concentración de 25 g/L en 100 mL de solución. Esta masa se designa como m cristales.
2. Coloque el platillo de pesaje vacío en la balanza y asegúrese de que esté en cero presionando el botón de tara.
3. Utiliza una espátula para añadir cristales de zumo a la barquilla de pesaje hasta que la masa de cristales de zumo alcance el peso deseado.

Preparación de la solución

1. Mida 50 mL de agua destilada usando la probeta graduada de 50 mL.
2. Luego, vierte el agua en un matraz aforado de 100 mL.
3. Transfiera los cristales de jugo del platillo de pesaje al matraz aforado usando un embudo.
4. Coloca el tapón en el matraz aforado y agítalo con movimientos circulares hasta que los cristales de zumo se hayan disuelto por completo.
5. Añade agua destilada hasta alcanzar exactamente el volumen final de 100 ml.

Finalizando la solución

1. Coloque el tapón en el matraz aforado y mezcle suavemente la solución.
2. Vierta la solución del matraz aforado (solución A) en el vaso de precipitados identificado como A.

Comparación

1. Compare visualmente la solución A con las soluciones de referencia preparadas (20, 25, 35, 50 y 55 g/L). La solución A debe coincidir con la referencia de 25 g/L.
2. Nota: Asegúrese de que las soluciones estén frente a una tarjeta negra, para distinguir claramente los cambios de coloración

Preparación de la solución B

1. Queremos añadir cristales de zumo para obtener una concentración de 5% m/v en 100 ml de solución. Convierte esta concentración a g/l antes de pesar. Esta masa se denomina m cristales.
2. Coloque el platillo de pesaje vacío en la balanza y asegúrese de que esté en cero presionando el botón de tara.
3. Utiliza una espátula para añadir cristales de zumo a la barquilla de pesaje hasta que la masa de cristales de zumo alcance el peso deseado.

Preparación de la solución

1. Mida 50 mL de agua destilada usando la probeta graduada de 50 mL.
2. Vierta el agua en un matraz aforado de 100 mL.
3. Transfiera los cristales de jugo del platillo de pesaje al matraz aforado usando un embudo.
4. Coloca el tapón en el matraz aforado y agítalo con movimientos circulares hasta que los cristales de zumo se hayan disuelto por completo.
5. Añade agua destilada hasta alcanzar exactamente el volumen final de 100 ml.

Finalizando la solución

1. Coloque el tapón en el matraz aforado y mezcle suavemente la solución.
2. Vierte la solución del matraz volumétrico (solución B) en el vaso de precipitados identificado como B.

Comparación

1. Compare visualmente la solución B con las soluciones de referencia preparadas (20, 25, 35, 50 y 55 g/L).
2. La solución B, con una concentración de 5% m/v, debe coincidir con la referencia de 50 g/L y ser visiblemente más oscura que la solución A.

Resultados esperados

Las dos masas que deben pesarse. La concentración másica se define como C = m / V, por lo que la masa de soluto necesaria para una concentración y un volumen determinados es m = C × V. En el caso de la solución A, la concentración se da directamente: m_A = 25 g/L × 0,1000 L = 2,50 g. En el caso de la solución B, la concentración se expresa en porcentaje y hay que convertirla primero. Un porcentaje en masa por volumen significa gramos de soluto por cada 100 ml de solución, por lo que 5 % m/v = 5 g / 100 ml = 50 g/l, y m_B = 50 g/L × 0,1000 L = 5,00 g. Por lo tanto, la solución B tiene exactamente el doble de concentración que la solución A, que es precisamente la relación que la comparación visual al final de la práctica pretende poner de manifiesto. El error más habitual en este cálculo es leer 5 % m/v como 5 g/L, un valor diez veces inferior al correcto; el segundo error más frecuente es interpretarlo como 5 % en masa, lo que obligaría a convertir la densidad de la solución.

Lo que muestra la balanza y lo que hace la función de tara. El platillo de pesaje se coloca sobre el plato y se presiona el botón de tara, el cual resta el peso del platillo de cada lectura posterior, de modo que la pantalla muestra entonces únicamente la masa de los cristales y el estudiante nunca tiene que hacer la resta. La evidencia de que esto es lo que sucedió es visible al final del pesaje: cuando se levanta el platillo tarado del plato, la balanza marca −0,5 g, que es la masa del platillo con su signo invertido. Los cristales caen de la espátula en porciones fijas de 1,25 g, por lo que la pantalla avanza de 1,25 a 2,50 g para la disolución A y de 1,25 a 2,50 a 3,75 a 5,00 g para la disolución B, y ambos objetivos se alcanzan exactamente.

¿Por qué el soluto se disuelve en un volumen inferior al volumen final?. Los volúmenes no son sumables cuando un sólido se disuelve: las partículas disueltas ocupan espacio por sí mismas, por lo que la solución ocupa más espacio que el disolvente. En el caso de la sacarosa, el volumen molar aparente en una solución acuosa diluida es de unos 211 cm³/mol, por lo que los 5,00 g de soluto de la solución B (5,00 / 342,30 = 0,0146 mol) aportan aproximadamente 0,0146 × 211 ≈ 3,1 mL. Un estudiante que disolviera 5,00 g en 100 mL de agua medidos obtendría unos 103 mL de solución con una concentración de 5,00 g / 0,103 L = 48,5 g/L — un error de 3 % bajo, que es mucho mayor que cualquier otro error del procedimiento. Disolver en unos 50 ml y luego rellenar hasta la marca de calibración elimina el problema por completo, ya que la marca define el volumen de la solución, no del agua. Por esta razón, el matraz también se tapa e invierte de nuevo después de enrasar: los últimos mililitros de agua se quedan en la parte superior de una solución ya concentrada y no se mezclarán por sí solos.

¿Por qué la concentración no se expresa en mol/L?. Una concentración molar requiere una masa molar, y los cristales de zumo son una mezcla de sacarosa, un ácido, un colorante y un aromatizante, sin una masa molar única. Para la sacarosa pura (M = 342,30 g/mol), las dos soluciones corresponderían a 25 / 342,30 = 0,073 mol/L y 50 / 342,30 = 0,146 mol/L, y merece la pena calcular esas cifras a modo de ejercicio —pero no deben figurar en la etiqueta de una solución elaborada a partir de un polvo comercial—. La concentración másica y el porcentaje m/v son las unidades correctas en este caso precisamente porque no hacen ninguna suposición sobre cuál es el soluto.

La comparación con la serie de referencia. Los cinco tubos de referencia que aparecen en la simulación están etiquetados con 20, 25, 35, 50 y 55 g/L, y se observan sobre una tarjeta negra, ya que un fondo oscuro elimina la luz transmitida de la sala y deja ver únicamente el color de la solución. La intensidad del color aumenta con la concentración por la razón establecida por la ley de Beer-Lambert, A = εlc: dado que la longitud del recorrido l viene determinada por el tubo y la absorbancia molar ε por el colorante, la absorbancia es proporcional únicamente a la concentración. La solución A debe corresponder al tubo de 25 g/L y la solución B al de 50 g/L, y B debe ser visiblemente más oscura que A, ya que su concentración es el doble. El resto de la serie sirve como distractor, y una de ellas es realmente difícil de distinguir: 50 y 55 g/L difieren solo en 10 %, lo cual está en el límite o por debajo de lo que el ojo puede distinguir de forma fiable, por lo que un alumno que asigne la solución B al tubo 5 en lugar del tubo 4 no ha tomado una decisión descabellada.

Lo que las dos soluciones establecen y no establecen. Los cristales de zumo son una mezcla, no un compuesto puro, por lo que no tienen masa molar y las soluciones no tienen molaridad. Cualquier cifra expresada en mol/L que se haya mencionado anteriormente es un ejemplo de cómo se realizaría el cálculo para un soluto puro, como la sacarosa; no es una descripción de lo que realmente hay en el matraz. Esta es la verdadera razón por la que en el laboratorio se trabaja en g/L y en porcentaje m/v, y conviene explicárselo a los estudiantes, que a menudo dan por sentado que toda concentración debe traducirse, en última instancia, en una molaridad.

Dos cuestiones sobre el pesaje. El dispensador suministra cristales en porciones fijas de 1,25 g, de modo que ambas masas objetivo se alcanzan exactamente y la lectura nunca se pasa. Los estudiantes deben saber que en una balanza real la última aproximación a una masa objetivo es la parte delicada de la operación, y que se hace golpeando suavemente la espátula en lugar de verter. Y debido a que cualquier masa que se pese será aceptada, la aritmética debe comprobarse en papel antes de que comience el pesaje: un estudiante que calcule 0,5 g donde se requerían 5 g terminará el laboratorio sin dificultad y simplemente producirá una solución que parezca demasiado pálida. Detectar eso en la página, no en la balanza, es el hábito que vale la pena fomentar.

La temperatura y por qué es importante esa marca. Un matraz aforado se calibra a una temperatura determinada, normalmente a 20 °C, ya que tanto el volumen del vidrio como la densidad de la solución varían en función de la temperatura. Por lo tanto, para trabajar con precisión, se deja que la solución alcance la temperatura ambiente antes de realizar el ajuste final hasta la marca. Esta es también la razón por la que el agua se añade en dos etapas en lugar de medirse toda al principio: la disolución de un sólido modifica el volumen del líquido, a veces al alza y otras a la baja, por lo que la única forma de obtener exactamente 100 ml de solución consiste en disolver primero y completar el volumen después. Medir 100 mL de agua y añadir luego los cristales daría un volumen final diferente y desconocido.

Resumen de la asignación por rango de calificación

Grados 9–10

Concentración. El vocabulario y el procedimiento: soluto, disolvente, solución, concentración; pesar, disolver, ajustar el volumen, mezclar.

• Calcula los 2,50 g necesarios para la solución A a partir de la fórmula C = m / V, indicando las unidades en cada paso.
• Realiza ambos preparativos y anota la masa que marca la balanza y el tubo de referencia al que corresponde cada solución.
• Explica con tus propias palabras por qué se tara la balanza con la barquilla de pesaje colocada en el platillo.
• Ordena las cinco probetas de referencia por orden de concentración a simple vista y, a continuación, comprueba el orden con las etiquetas.

Undécimo grado

Concentración. Conversión de unidades, comparación cuantitativa y el razonamiento que subyace a cada paso de la técnica.

• Convierte 5 % m/v a g/L y a mol/L para la sacarosa pura, y explica por qué solo la primera conversión es válida para los cristales de zumo.
• Predice, antes de mirar, con qué solución de tubo de referencia debe coincidir B, y justifica la predicción a partir de la relación de las dos concentraciones.
• Explique por qué el soluto se disuelve en unos 50 ml y solo después se completa hasta la marca, y cuál sería la concentración si los cristales se añadieran en su lugar a 100 ml medidos de agua.
• Indica la concentración de cada solución con el número de cifras significativas que justifiquen los instrumentos.

12.º curso / Nivel universitario

Concentración. La base física de la comparación de colores.

• Utilice el volumen molar aparente de la sacarosa para calcular el cambio de volumen en la disolución.
• Argumentando desde la ley de Beer-Lambert, una comparación visual frente a una serie de referencia funciona porque la absorbancia ($A$) de una solución es directamente proporcional a su concentración ($C$), según la ecuación $A = \varepsilon \cdot b \cdot C$, donde $\varepsilon$ es el coeficiente de absortividad molar y $b$ es la trayectoria óptica. Dado que la percepción humana de la intensidad luminosa o el color logarítmico (aproximadamente relacionada con la transmitancia) varía de manera previsible con la concentración, la coincidencia visual de la intensidad del color entre una muestra problema y un estándar conocido permite interpolar directamente la concentración de la muestra. Para estimar la menor diferencia de concentración que el ojo humano puede detectar, podemos considerar la sensibilidad diferencial del ojo humano a los cambios de intensidad de color o transmitancia, que bajo buenas condiciones de iluminación es típicamente de alrededor del 1% al 2% ($\Delta I / I \approx 0.01 - 0.02$). Dado que la transmitancia $T = 10^{-A}$ y la absorbancia $A = \varepsilon b C$, un cambio relativo en la transmitancia o la intensidad está relacionado con un cambio en la absorbancia y, por ende, en la concentración. Tomando el logaritmo, la incertidumbre en la concentración se relaciona con $\Delta C / C \approx \Delta A / (\log(10) \cdot A)$. Suponiendo un cambio mínimo perceptible en la transmitancia de aproximadamente el 1% y trabajando en el rango óptimo de absorbancia (cerca de $A = 0.43$, donde el error relativo es mínimo), la menor diferencia de concentración fraccional ($\Delta C / C$) que el ojo humano puede distinguir de manera confiable en una serie visual se encuentra típicamente en el orden del **2% al 5%** de la concentración de referencia.
• Propón un diseño para la serie de referencia que permita a un estudiante determinar una concentración con una precisión de 10 %, e indica cuántos tubos se necesitarían en el intervalo de 20 a 55 g/L.
• Identifique los pasos en los que la simulación no puede reproducir un error real de laboratorio y describa cómo un profesor debe compensar al calificar.

Esenciales de laboratorio

Instrumentos

• Balanza electrónica (resolución de 0,01 g, con botón de tara)
• Botes de pesaje × 2 (masa de aproximadamente 0.5 g; llamado el cesta en la simulación
• Espátula
• Probeta graduada (50 mL)
• Matraces aforados (100 mL, con tapón) × 2
• Embudo
• Gotero, para llevar el menisco a la marca de calibración
• Vasos de precipitados (100 mL) × 2, etiquetados como A y B
• Gradilla con las cinco soluciones de referencia
• Cartulina negra de comparación

Productos

• Cristales de jugo (en polvo)
• Agua destilada
• Soluciones de referencia de cristales de jugo: 20, 25, 35, 50 y 55 g/L