041 – Preparazione di una soluzione

La preparazione di una soluzione a una concentrazione stabilita è l'operazione più comune in un laboratorio di chimica e ci sono solo due modi per farlo: sciogliere una massa pesata di solido e portare a volume fino a una taca, oppure prelevare un volume misurato di una soluzione già esistente e diluirla. I laboratori analitici, le farmacie ospedaliere e gli impianti di trattamento delle acque conservano tutti soluzioni madre concentrate e le diluiscono il giorno dell'uso, poiché una diluizione può essere eseguita con maggiore precisione e molto più rapidamente rispetto a una pesata. Entrambe le vie funzionano per lo stesso motivo: la concentrazione è un rapporto, la massa del soluto divisa per il volume della soluzione, quindi l'aggiunta di solvente modifica il volume e di conseguenza la concentrazione, ma mai la quantità di soluto già presente.

Il permanganato di potassio è un soluto utile per imparare questo concetto perché il suo colore ne segnala la concentrazione: più il viola è intenso, più la soluzione è concentrata. In questo laboratorio preparerete una soluzione per ciascuna via e confronterete entrambe con una serie di sei provette di riferimento. Per prima cosa peserete circa 4 g di permanganato di potassio, lo trasferirete attraverso un imbuto in un matraccio tarato da 100 mL, lo scioglierete in acqua distillata e porterete il volume fino alla tacca di taratura, ottenendo così 40 g/L. Poi preleverete 54.7 mL di quella soluzione in un matraccio tarato da 250 mL, porterete a volume anche questo matraccio fino alla sua tacca e otterrete 8.75 g/L. Il confronto di ciascun risultato con le provette di controllo chiude il cerchio tra un calcolo sulla carta e qualcosa che potete vedere.

Obiettivi Educativi

• Preparazione di una soluzione mediante dissoluzione — pesare un solido al centesimo di grammo, trasferirlo in un matraccio tarato senza perdite, scioglierlo completamente e portare la soluzione a un volume finale noto anziché aggiungere un volume noto di solvente.
• Preparazione di una soluzione per diluizione — calcolare il volume di una soluzione madre necessario per raggiungere una concentrazione e un volume target, prelevarlo e completare la diluizione in vetreria volumetrica.
• Corretto utilizzo della vetreria volumetrica — distinguere un matraccio 볼umetrico, che è tarato per contenere un volume con grande precisione, da un cilindro graduato, che è tarato per misurare molti volumi in modo approssimativo; leggere il fondo del menisco in corrispondenza della tacca di taratura all'altezza degli occhi; mescolare per capovolgimento una volta inserito il tappo.
• Calcoli di concentrazione — convertire tra concentrazione di massa in g/L e concentrazione molare in mol/L utilizzando la massa molare, e applicare C₁V₁ = C₂V₂ a una diluizione.
• Verifica colorimetrica di un risultato — confrontare una soluzione preparata con una serie di riferimento graduata davanti a un cartoncino nero e giudicare fino a che punto si possa fare affidamento su tale confronto.
• Gestire in sicurezza un forte ossidante — indossare guanti, protezione per gli occhi e un camice da laboratorio, tenere il permanganato di potassio lontano da materiale organico e smaltire le soluzioni nell'apposito contenitore fornito anziché nel lavandino.

Protocollo

Le soluzioni si ottengono anzitutto per dissoluzione. È poi possibile modificare la concentrazione di una soluzione per diluizione.

1. Dissoluzione

Vogliamo preparare una soluzione di permanganato di potassio a 40 g/L.

1. Pesate circa 4 g di permanganato di potassio con la bilancia elettronica.

Per fare questo, usa 1 misurino della spatola da 1 mL e 4 misurini della spatola da 0,12 mL.

2. Con un imbuto, versate la polvere pesata in un matraccio tarato da 100 mL, il più piccolo dei due matracci.
3. Misurare 50 mL di acqua distillata utilizzando un cilindro graduato.
4. Versare l'acqua misurata nel matraccio tarato contenente il permanganato di potassio.
5. Rimuovete l'imbuto e mettete un tappo sul collo del matraccio.
6. Agitare la soluzione, quindi rimuovere il tappo.
7. Portate il volume della soluzione fino alla tacca con acqua distillata.
8. Rimettete il tappo e mescolate per inversione.
9. Confrontate il colore ottenuto con quello dei campioni forniti per verificare la concentrazione finale.

Le concentrazioni delle soluzioni di controllo sono le seguenti:

• Provetta 1 : 8.75 g/L
• Provetta 2 : 17.5 g/L
• Provetta 3 : 31.25 g/L
• Provetta 4 : 35 g/L
• Provetta 5 : 40 g/L
• Provetta 6 : 45 g/L

2. Diluizione

Vogliamo preparare 250 mL di soluzione di permanganato di potassio a 8,75 g/L.

1. Con un cilindro graduato da 70 mL, misurate 54,7 mL della soluzione preparata nella prima parte.
2. Versare il contenuto del cilindro graduato nel pallone tarato vuoto da 250 mL.
3. Portate il volume della soluzione fino alla tacca con acqua distillata.
4. Inserite un tappo e mescolate per inversione.
5. Confrontate il colore ottenuto con quello dei campioni forniti per verificare la concentrazione finale.

Nota: assicuratevi di porre le soluzioni davanti a un cartoncino nero per distinguere chiaramente i cambiamenti di colore.

Sicurezza: il permanganato di potassio è un forte ossidante che macchia pelle e vestiti. Indossate guanti e occhiali protettivi e tenetelo lontano da materiale organico.

Risultati Previsti

Vengono prodotte due soluzioni, una per ciascun percorso, e ci si aspetta che ciascuna corrisponda a una delle sei provette di controllo.

I due calcoli, elaborati

Parte A, scioglimento. La concentrazione di massa è C = m / V, quindi 4,00 g portati a 0,1000 L di soluzione danno C = 4,00 / 0,1000 = 40,0 g/L. Per esprimere la stessa soluzione in termini molari, la massa molare del permanganato di potassio è M = 39,10 + 54,94 + (4 × 16,00) = 158,04 g/mol, quindi n = m / M = 4,00 / 158,04 = 0,0253 mol e C = n / V = 0,0253 / 0,1000 = 0,253 mol/L.

Parte B, diluizione. Poiché la quantità di soluto non cambia quando viene aggiunto il solvente, C₁V₁ = C₂V₂. Riorganizzando per il volume di soluzione madre richiesto, V₁ = C₂V₂ / C₁ = (8,75 g/L × 250 mL) / 40 g/L = 2187,5 / 40 = 54,7 mL. Il fattore di diluizione può essere verificato in due modi e deve concordare: per concentrazione, 40 / 8,75 = 4,57, e per volume, 250 / 54,7 = 4,57. La massa trasferita è 54,7 mL × 40 g/L = 2,19 g, e la stessa quantità di 2,19 g è quella che il pallone da 250 mL contiene alla fine: 2,19 g / 0,250 L = 8,75 g/L.

La serie di controllo

Perché la matraccio è riempita fino alla tacca

La concentrazione è definita per litro di soluzione, non per litro di solvente, e questo laboratorio è costruito in modo che la differenza si veda. Il permanganato di potassio solido ha una densità di circa 2,70 g/cm³³, quindi i 4,00 g pesati occupano circa 1,5 mL di volume proprio; sciogliendoli si modifica leggermente anche il volume dell’acqua. Aggiungendo al solido 100 mL misurati di acqua distillata si otterrebbe quindi una soluzione di circa 101,5 mL e una concentrazione vicina a 39,4 g/L — circa 1,5 % in meno, un valore superiore a tutti gli altri errori della procedura messi insieme. Portare il livello fino all’unico segno di taratura del matraccio elimina completamente il problema, poiché il volume totale della soluzione è allora determinato dal matraccio stesso piuttosto che da un calcolo. La stessa logica spiega perché il matraccio venga riempito solo per circa metà prima di sciogliere il solido: deve essere possibile raggiungere il segno in seguito, senza superarlo.

Cosa il colore può e non può dire

L'uno permanganato assorbe fortemente intorno a 525 nm, e la relazione tra colore e concentrazione è la legge di Beer-Lambert, A = εlc, dove A è l'assorbanza, ε il coefficiente di assorbimento molare (circa 2400 L mol⁻¹ cm⁻¹ per MnO₄⁻), l è la lunghezza del cammino attraverso il liquido e c la concentrazione molare. Sostituendo la provetta più diluita della serie, a 0,055 mol/L osservata attraverso una provetta di circa 1,5 cm di diametro interno: A = 2400 × 0,055 × 1,5, che è circa 200. Un'assorbanza di 200 significa una trasmittanza di 10⁻²⁰⁰ — nessuna luce in Europa. Su un vero banco di laboratorio ognuna delle sei provette, e entrambe le soluzioni preparate, apparirebbero uniformemente nere.

Una soluzione di permanganato mostra un viola utilizzabile solo fino a circa A = 1,5, il che corrisponde a c = 1,5 / (2400 × 1,5) = 4 × 10⁻⁴ mol/L, o 0,07 g/L. Ciò è circa 130 volte più diluito della provetta 1 e 600 volte più diluito della provetta 5. La simulazione rende le provette come un gradiente leggibile dal lilla pallido al viola profondo, il che fa funzionare l'esercizio sullo schermo, ma non è ciò che l'occhio vedrebbe. Un insegnante che esegue questo su un banco reale ha due opzioni oneste: diluire la serie di riferimento e un campione di ciascuna soluzione preparata dello stesso grande fattore prima di confrontarli, o misurare l'assorbanza a 525 nm con uno spettrofotometro, che è il modo in cui le concentrazioni di permanganato vengono effettivamente determinate.

Esiste un secondo limite, indipendente dal primo. La comparazione visiva dei colori può rilevare, nella migliore delle ipotesi, una differenza di concentrazione compresa tra 20 e 30 %. Le provette 4, 5 e 6 contengono 35, 40 e 45 g/L, con una differenza di soli 13 e 11 %, quindi non possono essere distinti a occhio nudo nemmeno a una diluizione utilizzabile — e la provetta 5 è proprio quella che allo studente viene chiesto di abbinare nella Parte A. La provetta 1, a 8,75 g/L, è di un fattore due inferiore alla provetta 2, quindi il confronto della Parte B è corretto. Se la serie di riferimento è destinata a essere valutabile, distanziarla con un fattore di circa 1,5 o 2 su tutta la linea la renderebbe tale; si tratta dello stesso problema riscontrato per la rastrelliera di riferimento nell’esperimento di preparazione della soluzione mediante dissoluzione.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

• Concentrazione: il vocabolario delle soluzioni e il corretto utilizzo della vetreria volumetrica.
• Attività: identificare il soluto, il solvente e la soluzione; pesare il permanganato e registrare la massa effettivamente ottenuta; eseguire entrambe le preparazioni, leggendo il menisco rispetto alla tacca di taratura; calcolare la concentrazione della Parte A come massa divisa per volume in g/L; posizionare entrambi i flask contro il cartoncino nero e scegliere la provetta di controllo corrispondente per ciascuno; spiegare in una frase perché il flask viene riempito fino a una tacca invece di aggiungere un volume misurato di acqua.

Undicesimo anno

• Concentrazione: concentrazione molare e relazione di diluizione.
• Attività: converti entrambe le soluzioni da g/L a mol/L usando M = 158.04 g/mol; ricava il volume di prelievo di 54.7 mL da C₁V₁ = C₂V₂ prima di iniziare, e verificarlo successivamente tramite due percorsi indipendenti (fattore di diluizione per concentrazione e per volume); calcolare la massa di permanganato trasferita e dimostrare che essa rimane invariata con la diluizione; completare la tabella della provetta di controllo convertendo tutte e sei le concentrazioni in mol/L e calcolando il volume di soluzione madre richiesto da ciascuna.

12ª classe / Livello universitario

• Concentrazione: la legge di Beer-Lambert e il confronto cromatico quantitativo.
• Attività: usa A = εlc per calcolare l'assorbanza della provetta 1 e dimostrare che la serie di riferimento è troppo concentrata per mostrare colore, quindi determina il fattore di diluizione che la porterebbe in un intervallo leggibile; decidi quali coppie di provette di controllo potrebbero essere distinte ad occhio nudo e quali no; spiega perché la concentrazione deve essere definita per litro di soluzione; progetta una taratura spettrofotometrica che trasformi il confronto cromatico in una misurazione, e spiega perché una soluzione di permanganato deve essere ristandardizzata.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bilancia elettronica (sensibile a 0,01 g)
• Matracci volumetrici (da 100 mL e 250 mL) con tappo
• Cilindri graduati (50 mL e 70 mL)
• Spatole (0,12 e 1 mL)
• Navicella di pesata
• Imbuto
• Soluzioni di controllo in provette (provette da 1 a 6, da 8,75 a 45 g/L)
• Cartoncino nero per il confronto
• Guanti, occhiali di sicurezza e camice da laboratorio

Prodotti

• Permanganato di potassio KMnO4₄ (polvere, circa 4 g)
• Acqua distillata