038 – Preparazione di soluzioni per dissoluzione

La preparazione di una soluzione a concentrazione nota è l'operazione più frequentemente eseguita in qualsiasi laboratorio. Uno standard di taratura per uno strumento, un reagente per una titolazione, un tampone per una coltura cellulare, un liquido endovenoso, uno sciroppo su una linea di produzione: sono tutti realizzati con la stessa procedura in tre fasi: calcolare la massa di soluto richiesta dalla concentrazione desiderata, pesare tale massa e portarla a un volume finale noto. La tecnica vale la pena di essere imparata con attenzione, poiché qualsiasi risultato quantitativo ottenuto in seguito si basa sulla concentrazione delle soluzioni utilizzate per ottenerlo.

Due cose rendono la procedura meno ovvia di quanto sembri. La prima è che la concentrazione può essere scritta in diversi modi che sono numericamente differenti ma descrivono la stessa quantità: una concentrazione in massa in grammi per litro, una percentuale massa su volume o una concentrazione molare in moli per litro. Convertire correttamente tra di esse è metà dell'esercizio. La seconda è che i volumi di liquidi e solidi non sono additivi. Sciogliere un solido in 100 mL di acqua non dà 100 mL di soluzione — ne dà leggermente di più, perché le particelle sciolte occupano uno spazio proprio. Ecco perché una soluzione viene sempre preparata sciogliendo il soluto in meno rispetto al volume finale e poi portando a volume fino a una tacca tarata, e perché il recipiente utilizzato è un pallone volumetrico anziché un becher o un cilindro graduato.

In questa esercitazione preparerete due soluzioni di cristalli di succo, ciascuna con un volume finale di 100 mL: la soluzione A con una concentrazione massica di 25 g/L e la soluzione B con un rapporto m/v di 5 %, che dovrete prima convertire in grammi per litro. Per ciascuna di esse calcolerete la massa necessaria, la peserete su una bilancia elettronica in una navicella tarata, la scioglierete in circa 50 mL di acqua distillata in un matraccio tarato da 100 mL, porterete il livello fino al segno di taratura, mescolerete e trasferirete il risultato in un becher etichettato. Dovrete quindi confrontare entrambe le soluzioni con una serie di soluzioni di riferimento davanti a un cartoncino nero e identificare a quale riferimento corrisponde ciascuna di esse: si tratta di una stima puramente visiva della concentrazione e di una prima introduzione al principio alla base della colorimetria.

Obiettivi Educativi

Alla fine di questo laboratorio, gli studenti saranno in grado di:

Calcolo della massa del soluto

• Ridisponi la definizione di concentrazione di massa, C = m / V, per ottenere la massa richiesta per una determinata concentrazione e volume.
• Converti una percentuale in massa per volume in grammi per litro e spiega perché 5 % m/v corrisponde a 50 g/L e non a 5 g/L o 50 g/kg.
• Spiega perché non è possibile esprimere una concentrazione molare per i cristalli di succo e calcolane una per una sostanza pura di massa molare nota.

Uso della bilancia elettronica

• Posizionare una capsula di pesata sul piatto e azzerare la bilancia con la funzione di tara, e spiegare cosa fa la tara al valore visualizzato.
• Aggiungere un solido con una spatola a piccoli incrementi fino a raggiungere la massa desiderata, anziché superarla e dover rimuovere del materiale.
• Leggere il display alla risoluzione dello strumento e registrare la massa con il corretto numero di cifre significative.

Tecnica volumetrica

• Usa un cilindro graduato per un volume approssimativo e un matraccio volumetrico per il volume finale, e giustifica la scelta di ciascuno.
• Sciogliere il soluto in meno del volume finale, quindi portare a volume fino alla tacca di taratura e spiegare perché l'ordine inverso produce una soluzione troppo diluita.
• Portare il menisco alla tacca con un Contagocce per l'ultima frazione di millilitro.

Dissoluzione e omogeneizzazione

• Riconoscere la dissoluzione come una trasformazione fisica che produce una miscela omogenea e identificare il soluto e il solvente.
• Mescolare per inversione e rotazione fino a quando non rimangono cristalli, e spiegare perché una soluzione deve essere nuovamente mescolata dopo essere stata portata a volume fino alla tacca.

Stimare una concentrazione tramite il colore

• Confrontare una soluzione colorata con una serie di riferimenti a concentrazione nota, osservati su uno sfondo nero, e assegnare la corrispondenza più vicina.
• Spiegare perché l'intensità del colore aumenta con la concentrazione e indicare i limiti di un confronto visivo.

Tenuta dei registri

• Registra masse, volumi e osservazioni man mano che il lavoro procede anziché ricostruirli in seguito.

Protocollo

Due beaker da 100 mL sono alla tua destra, etichettati A e B.

Preparazione della soluzione dolce A

1. Vogliamo aggiungere cristalli di succo per ottenere una concentrazione di 25 g/L in 100 mL di soluzione. Questa massa è indicata come m cristalli.
2. Posiziona la capsula di pesata vuota sulla bilancia e assicurati che la bilancia sia a zero premendo il pulsante di tara.
3. Usa una spatola per aggiungere i cristalli di succo nella barchetta di pesata fino a quando la massa dei cristalli di succo raggiunge la massa desiderata.

Preparazione della soluzione

1. Misura 50 mL di acqua distillata usando il cilindro graduato da 50 mL.
2. Quindi versare l'acqua in un matraccio affluato da 100 mL.
3. Trasferisci i cristalli di succo dalla capsula di pesata al pallone volumetrico usando un imbuto.
4. Metti il tappo sul matraccio volumetrico e agita con un movimento circolare finché i cristalli di succo non sono completamente sciolti.
5. Rabboccare con acqua distillata fino a raggiungere precisamente il volume finale di 100 mL.

Finalizzando la soluzione

1. Metti il tappo sul matracciato volumetrico e mescola delicatamente la soluzione.
2. Versare la soluzione dal matraccio tarato (soluzione A) nel becher contrassegnato con la lettera A.

Confronto

1. Confrontare visivamente la soluzione A con le soluzioni di riferimento preparate (20, 25, 35, 50 e 55 g/L). La soluzione A dovrebbe corrispondere al riferimento di 25 g/L.
2. Nota: Assicurarsi che le soluzioni siano davanti a un cartoncino nero, al fine di distinguere chiaramente i cambiamenti di colore

Preparazione della soluzione B

1. Vogliamo aggiungere cristalli di succo per ottenere una concentrazione di 5% m/v in 100 mL di soluzione. Convertire questa concentrazione in g/L prima della pesatura. Questa massa è indicata come m cristalli.
2. Posiziona la capsula di pesata vuota sulla bilancia e assicurati che la bilancia sia a zero premendo il pulsante di tara.
3. Usa una spatola per aggiungere i cristalli di succo nella barchetta di pesata fino a quando la massa dei cristalli di succo raggiunge la massa desiderata.

Preparazione della soluzione

1. Misura 50 mL di acqua distillata usando il cilindro graduato da 50 mL.
2. Versare l'acqua in un matraccio affluato da 100 mL.
3. Trasferisci i cristalli di succo dalla capsula di pesata al pallone volumetrico usando un imbuto.
4. Metti il tappo sul matraccio volumetrico e agita con un movimento circolare finché i cristalli di succo non sono completamente sciolti.
5. Rabboccare con acqua distillata fino a raggiungere precisamente il volume finale di 100 mL.

Finalizzando la soluzione

1. Metti il tappo sul matracciato volumetrico e mescola delicatamente la soluzione.
2. Versare la soluzione dal pallone volumetrico (soluzione B) nel becher contrassegnato con la lettera B.

Confronto

1. Confronta visivamente la soluzione B con le soluzioni di riferimento preparate (20, 25, 35, 50 e 55 g/L).
2. La soluzione B, con rapporto 5% m/v, dovrebbe corrispondere al campione di riferimento da 50 g/L ed essere visibilmente più scura della soluzione A.

Risultati Previsti

Le due masse da pesare. La concentrazione di massa è definita come C = m / V, quindi la massa di soluto richiesta per una data concentrazione e volume è m = C × V. Per la soluzione A la concentrazione è data direttamente: m_A = 25 g/L × 0,1000 L = 2,50 g. Per la soluzione B la concentrazione è espressa in percentuale e deve essere prima convertita. Una percentuale in massa per volume indica i grammi di soluto per 100 mL di soluzione, quindi 5 % m/v = 5 g / 100 mL = 50 g/L, e m_B = 50 g/L × 0,1000 L = 5,00 g. La soluzione B è quindi esattamente due volte più concentrata della soluzione A, ed è proprio questa relazione che il confronto visivo alla fine dell’esperimento di laboratorio intende mettere in evidenza. L’errore più comune in questo calcolo è leggere 5 % m/v come 5 g/L, un valore di dieci volte inferiore; il secondo errore più comune è considerarlo come 5 % in massa, il che richiederebbe di convertire la densità della soluzione.

Ciò che mostra la bilancia e cosa fa la tara. La barchetta di pesata viene posizionata sul piatto e viene premuto il tasto di tara, che sottrae la barchetta da ogni lettura successiva, in modo che il display mostri quindi la sola massa dei cristalli e lo studente non debba mai eseguire la sottrazione. La prova che sia andata così è visibile alla fine della pesata: quando la barchetta tarata viene sollevata dal piatto, la bilancia segna −0,5 g, che è la massa della barchetta con il segno invertito. I cristalli arrivano dalla spatola in porzioni fisse di 1,25 g, per cui il display procede a scatti di 1,25 → 2,50 g per la soluzione A e 1,25 → 2,50 → 3,75 → 5,00 g per la soluzione B, ed entrambi gli obiettivi vengono centrati esattamente.

Perché il soluto viene sciolto in meno del volume finale. I volumi non sono additivi quando un solido si scioglie: le particelle sciolte occupano un proprio spazio, quindi la soluzione occupa più spazio di quanto facesse il solvente. Per il saccarosio il volume molare apparente in soluzione acquosa diluita è di circa 211 cm³/mol, quindi i 5,00 g di soluto presenti nella soluzione B (5,00 / 342,30 = 0,0146 mol) corrispondono approssimativamente a 0,0146 × 211 ≈ 3,1 mL. Uno studente che sciogliesse 5,00 g in 100 mL di acqua misurati otterrebbe circa 103 mL di soluzione con una concentrazione di 5,00 g / 0,103 L = 48,5 g/L — 3 % basso, che è di gran lunga superiore a qualsiasi altro errore nella procedura. Sciogliere in circa 50 mL e poi portare a volume fino al segno di taratura elimina completamente il problema, poiché il segno definisce il volume della soluzione, non dell'acqua. Questo è anche il motivo per cui il matracciamento viene tappato e capovolto di nuovo dopo il raddoppio del volume: gli ultimi millilitri di acqua si depositano sopra una soluzione già concentrata e non si mescoleranno da soli.

Perché la concentrazione non è espressa in mol/L. Una concentrazione molare richiede una massa molare, e i cristalli per succo sono una miscela di saccarosio, un acido, un colorante e un aromatizzante, senza una singola massa molare. Per il saccarosio puro (M = 342,30 g/mol) le due soluzioni corrisponderebbero a 25 / 342,30 = 0,073 mol/L e 50 / 342,30 = 0,146 mol/L, e vale la pena calcolare questi valori come esercizio, ma non devono essere scritti sull'etichetta di una soluzione preparata da una polvere commerciale. La concentrazione in massa e la percentuale m/v sono le unità corrette in questo caso proprio perché non fanno alcuna ipotesi su quale sia il soluto.

Il confronto con la serie di riferimento. Le cinque provette di riferimento presenti nella simulazione sono contrassegnate con 20, 25, 35, 50 e 55 g/L e vengono osservate su uno sfondo nero, poiché uno sfondo scuro elimina la luce trasmessa dall’ambiente e lascia intravedere solo il colore della soluzione. L’intensità del colore aumenta con la concentrazione secondo quanto stabilito dalla legge di Beer–Lambert, A = εlc: poiché la lunghezza del percorso ottico l è determinata dalla provetta e l’assorbanza molare ε è determinata dal colorante, l’assorbanza è proporzionale esclusivamente alla concentrazione. La soluzione A dovrebbe corrispondere alla provetta da 25 g/L e la soluzione B a quella da 50 g/L; la soluzione B dovrebbe risultare visibilmente più scura della A poiché ha una concentrazione doppia. Il resto della serie funge da distrattori, e uno di essi rappresenta una scelta davvero difficile: 50 e 55 g/L differiscono solo di 10 %, che è pari o inferiore a quanto l’occhio possa distinguere in modo affidabile; pertanto, uno studente che assegni la soluzione B alla provetta 5 anziché alla provetta 4 non ha espresso un giudizio irragionevole.

Cosa stabiliscono e non stabiliscono le due soluzioni. I cristalli di succo sono una miscela, non un composto puro, quindi non hanno una massa molare e le soluzioni non hanno una molarità. Qualsiasi valore citato in mol/L di cui sopra è un'illustrazione di come verrebbe eseguito il calcolo per un soluto puro come il saccarosio; non è una descrizione di ciò che si trova effettivamente nel beuta. Questo è il motivo sincero per cui il laboratorio lavora in g/L e in percentuale m/v, e vale la pena dirlo agli studenti, che spesso presumono che ogni concentrazione debba necessariamente diventare una molarità.

Due punti riguardo alla pesatura. Il dosatore eroga cristalli in porzioni fisse di 1,25 g, in modo tale che entrambe le masse obiettivo vengano raggiunte esattamente e la lettura non superi mai il valore desiderato. Gli studenti dovrebbero sapere che su una bilancia reale l'approccio finale a una massa obiettivo è la parte delicata dell'operazione, e che viene eseguito picchiettando la spatola anziché versando. E poiché qualsiasi massa venga pesata sarà accettata, i calcoli devono essere verificati su carta prima di iniziare la pesata: uno studente che calcola 0,5 g laddove erano richiesti 5 g terminerà il laboratorio senza difficoltà e produrrà semplicemente una soluzione che appare troppo pallida. Intercettare l'errore sulla carta, e non alla bilancia, è l'abitudine che vale la pena costruire.

La temperatura, e perché il segno importa. Un pallone volumetrico è calibrato a una temperatura stabilita, solitamente 20 °C, poiché sia il volume del vetro sia la densità della soluzione cambiano con essa. Il lavoro di precisione consente pertanto alla soluzione di raggiungere la temperatura ambiente prima della regolazione finale sulla tacca. Questo è anche il motivo per cui l'acqua viene aggiunta in due fasi anziché essere misurata interamente all'inizio: sciogliere un solido modifica il volume del liquido, talvolta aumentandolo e talvolta diminuendolo, per cui l'unico modo per ottenere esattamente 100 mL di soluzione consiste nel dissolvere prima e aggiungere il resto dopo. Misurando 100 mL di acqua e aggiungendo poi i cristalli si otterrebbe un volume finale diverso e sconosciuto.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

Concentrati. Il vocabolario e la routine: soluto, solvente, soluzione, concentrazione; pesare, sciogliere, portare a volume, mescolare.

• Calcolare i 2,50 g necessari per la soluzione A da C = m / V, con le unità di misura scritte per esteso in ogni passaggio.
• Eseguire entrambe le preparazioni e registrare la massa indicata sulla bilancia e la provetta di riferimento a cui corrisponde ciascuna soluzione.
• Spiega con parole tue perché la bilancia viene tarata con la barchetta di pesata sul piatto.
• Disponete le cinque provette di riferimento in ordine di concentrazione a occhio, quindi controllate l'ordine rispetto alle etichette.

Undicesimo anno

Concentrati. Conversione di unità, confronto quantitativo e ragionamento alla base di ogni passaggio della tecnica.

• Converti 5 % m/v in g/L e in mol/L per il saccarosio puro, e spiega perché solo la prima conversione è valida per i cristalli di succo.
• Prevedi, prima di guardare, a quale soluzione di provetta di riferimento B dovrebbe corrispondere, e giustifica la previsione dal rapporto delle due concentrazioni.
• Spiega perché il soluto viene sciolto in circa 50 mL e solo successivamente portato a volume fino alla tacca, e quale sarebbe la concentrazione se i cristalli venissero invece aggiunti a 100 mL misurati di acqua.
• Indica la concentrazione di ciascuna soluzione con il numero di cifre significative giustificato dagli strumenti.

12ª classe / Livello universitario

Concentrati. La base fisica del confronto dei colori.

• Usa il volume molare apparente del saccarosio per calcolare la variazione di volume alla dissoluzione.
• Argomentare in base alla legge di Beer-Lambert sul perché un confronto visivo con una serie di riferimento funzioni e stimare la minima differenza di concentrazione che ci si può aspettare che l'occhio rilevi in questa serie.
• Proponi una configurazione per la serie di riferimento che consenta a uno studente di determinare una concentrazione con un margine di errore di 10 % e indica quanti provette sarebbero necessarie nell'intervallo 20–55 g/L.
• Identificare le fasi in cui la simulazione non riesce a riprodurre un errore di laboratorio reale e descrivere come un insegnante dovrebbe compensare durante la valutazione.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Bilancia elettronica (risoluzione 0,01 g, con tasto di tara)
• Capsule di pesata × 2 (massa circa 0,5 g; denominate canestro nella simulazione
• Spatola
• Cilindro graduato (50 mL)
• Matracci volumetrici (100 mL, con tappo) × 2
• Imbuto
• Contamipesche, per portare il menisco sul segno di taratura
• Beute (100 mL) × 2, etichettate A e B
• Portaprovette contenente le cinque soluzioni di riferimento
• Cartoncino nero per il confronto

Prodotti

• Cristalli di succo (in polvere)
• Acqua distillata
• Soluzioni di riferimento di cristalli di succo: 20, 25, 35, 50 e 55 g/L