038 – Prepararea soluției prin dizolvare

Pregătirea unei soluții de concentrație cunoscută este operațiunea cea mai frecvent efectuată în orice laborator. Un etalon de calibrare pentru un instrument, un reactiv pentru o titrare, un tampon pentru o cultură celulară, un lichid intravenos, un sirop pe o linie de producție — toate sunt realizate prin aceeași rutină în trei pași: calcularea masei de solut necesară pentru concentrația țintă, cântărirea acelei mase și aducerea la un volum final cunoscut. Tehnica merită învățată cu atenție, deoarece fiecare rezultat cantitativ obținut ulterior se bazează pe concentrația soluțiilor utilizate pentru a-l obține.

Două lucruri fac ca rutina să fie mai puțin evidentă decât pare. Primul este că concentrația poate fi scrisă în mai multe moduri care sunt numeric diferite, dar descriu aceeași cantitate: o concentrație masică în grame pe litru, un procent masic pe volum sau o concentrație molară în moli pe litru. Conversia corectă între acestea reprezintă jumătate din exercițiu. Al doilea este că volumele de lichide și solide nu sunt aditive. Dizolvarea unui solid în 100 mL de apă nu dă 100 mL de soluție — dă puțin mai mult, deoarece particulele dizolvate ocupă propriul lor spațiu. Ac Acesta este motivul pentru care o soluție se prepară întotdeauna prin dizolvarea solutului în mai puțin decât volumul final și apoi completarea până la un semn calibrat și de ce vasul folosit este un balon cotat, mai degrabă decât un pahar de laborator sau un cilindru gradat.

În cadrul acestui laborator veți prepara două soluții de cristale de suc, fiecare cu un volum final de 100 mL: soluția A cu o concentrație masică de 25 g/L și soluția B cu 5 % m/v, pe care trebuie să o convertiți mai întâi în grame pe litru. Pentru fiecare dintre ele, veți calcula masa necesară, o veți cântări pe o balanță electronică într-o barcă de cântărire tarată, o veți dizolva în aproximativ 50 mL de apă distilată într-un balon volumetric de 100 mL, veți completa până la marcajul de calibrare, veți amesteca și veți transfera rezultatul într-un pahar de laborator etichetat. Apoi veți compara ambele soluții cu o serie de soluții de referință în fața unui carton negru și veți identifica cu care soluție de referință se potrivește fiecare — o estimare pur vizuală a concentrației și o primă introducere în principiul care stă la baza colorimetriei.

Obiective educaționale

Până la sfârșitul acestui laborator, studenții vor fi capabili:

Calculul masei de solut

• Reorganizați definiția concentrației masice, C = m / V, pentru a obține masa necesară pentru o concentrație și un volum precizate.
• Convertiți procentul de masă pe volum în grame pe litru și explicați de ce 5 % m/v corespunde la 50 g/L și nu la 5 g/L sau 50 g/kg.
• Menționați motivul pentru care nu se poate menționa o concentrație molară pentru cristalele de suc și calculați una pentru o substanță pură cu masă molară cunoscută.

Utilizarea balanței electronice

• Plasați o tavă de cântărire pe cadran și aduceți balanța la zero folosind funcția de tarare, și explicați ce face tararea asupra valorii afișate.
• Adăugați o substanță solidă cu o spatulă în porțiuni mici până la o masă țintă, în loc să depășiți măsura și să eliminați material.
• Citește afișajul la rezoluția instrumentului și înregistrează masa cu numărul corect de cifre semnificative.

Tehnică volumetrică

• Folosește un cilindru gradat pentru un volum aproximativ și un balon cotat pentru volumul final și justifică alegerea fiecăruia.
• Dizolvați solutul în mai puțin decât volumul final, apoi aduceți la semnul de etalonare și explicați de ce ordinea inversă dă o soluție prea diluată.
• Aduceți meniscul la semn cu o pipetă Pasteur pentru ultima fracțiune de mililitru.

Dizolvare și omogenizare

• Recunoaște dizolvarea ca fiind o modificare fizică ce produce un amestec omogen și identifică solvitul și solventul.
• Se amestecă prin inversare și agitarea ușoară până când nu mai rămân cristale și se explică de ce o soluție trebuie amestecată din nou după ce a fost completată până la semn.

Estimarea unei concentrații în funcție de culoare

• Comparați o soluție colorată cu o serie de referințe de concentrație cunoscută, privite pe un fundal format dintr-o cartelă neagră, și atribuiți potrivirea cea mai apropiată.
• Intensitatea culorii crește odată cu concentrația deoarece un număr mai mare de molecule sau ioni absorb lumina la lungimi de undă specifice. Conform legii Beer-Lambert, absorbția luminii este direct proporțională cu concentrația speciei absorbante din soluție; cu cât concentrația este mai mare, cu atât se absoarbe mai multă lumină și cu atât culoarea pare mai intensă. Limitele unei comparații vizuale includ: 1. Subiectivitatea: Ochiul uman nu poate măsura cu precizie cantitativă intensitatea culorii, percepția fiind influențată de iluminare și de diferențele individuale de vedere. 2. Saturația: La concentrații ridicate, culoarea devine atât de intensă încât ochiul nu mai poate distinge diferențele de concentrație (efect de plafonare). 3. Sensibilitatea redusă: Este dificil de detectat diferențe mici de concentrație prin simpla observare vizuală. 4. Interferența: Prezența altor substanțe colorate în soluție poate altera culoarea percepută și poate duce la erori.

Ținerea evidenței

• Înregistrați masele, volumele și observațiile pe măsură ce lucrarea avansează, în loc să le reconstruiți ulterior.

Protocol

Două pahare Berzelius de 100 mL sunt în dreapta ta, etichetate A și B.

Pregătirea soluției dulci A

1. Dorim să adăugăm cristale de suc pentru a obține o concentrație de 25 g/L în 100 mL de soluție. Această masă este desemnată ca m cristale.
2. Puneți sticla de cântărire goală pe balanță și asigurați-vă că balanța este la zero apăsând butonul de tare.
3. Folosiți o spatulă pentru a adăuga cristale de suc în vasul de cântărire până când masa cristalelor de suc atinge masa dorită.

Pregătirea soluției

1. Măsurați 50 mL de apă distilată folosind cilindrul gradat de 50 mL.
2. Apoi turnați apa într-un balon cotat de 100 mL.
3. Transferă cristalele de suc din vasul de cântărire în balonul cotat folosind o pâlnie.
4. Puneți dopul pe balonul cotat și agitați printr-o mișcare circulară până când cristalele de suc sunt complet dizolvate.
5. Completați cu apă distilată până la atingerea exactă a volumului final de 100 mL.

Finalizarea soluției

1. Puneți dopul pe balonul cotat și agitați ușor soluția.
2. Turnați soluția din balonul cotat (soluția A) în paharul de laborator identificat cu A.

Comparație

1. Compară vizual soluția A cu soluțiile de referință preparate (20, 25, 35, 50 și 55 g/L). Soluția A ar trebui să corespundă referinței de 25 g/L.
2. Notă: Asigurați-vă că soluțiile sunt în fața unei cărți negre, pentru a distinge clar modificările de colorație

Pregătirea soluției B

1. Dorim să adăugăm cristale de suc pentru a obține o concentrație de 5% m/v în 100 mL de soluție. Convertiți această concentrație în g/L înainte de cântărire. Această masă este notată cu m cristale.
2. Puneți sticla de cântărire goală pe balanță și asigurați-vă că balanța este la zero apăsând butonul de tare.
3. Folosiți o spatulă pentru a adăuga cristale de suc în vasul de cântărire până când masa cristalelor de suc atinge masa dorită.

Pregătirea soluției

1. Măsurați 50 mL de apă distilată folosind cilindrul gradat de 50 mL.
2. Turnați apa într-un balon cotat de 100 mL.
3. Transferă cristalele de suc din vasul de cântărire în balonul cotat folosind o pâlnie.
4. Puneți dopul pe balonul cotat și agitați printr-o mișcare circulară până când cristalele de suc sunt complet dizolvate.
5. Completați cu apă distilată până la atingerea exactă a volumului final de 100 mL.

Finalizarea soluției

1. Puneți dopul pe balonul cotat și agitați ușor soluția.
2. Turnați soluția din balonul cotat (soluția B) în paharul de laborator etichetat B.

Comparație

1. Comparați vizual soluția B cu soluțiile de referință preparate (20, 25, 35, 50 și 55 g/L).
2. Soluția B, la concentrația de 5% m/v, ar trebui să corespundă cu soluția de referință de 50 g/L și să fie vizibil mai închisă la culoare decât soluția A.

Rezultate anticipate

Cele două mase de cântărit. Concentrația masică este definită ca C = m / V, deci masa de dizolvat necesară pentru o concentrație și un volum precizate este m = C × V. Pentru soluția A, concentrația este dată direct: m_A = 25 g/L × 0,1000 L = 2,50 g. Pentru soluția B, concentrația este exprimată în procente și trebuie mai întâi convertită. Un procent masic pe volum înseamnă grame de substanță dizolvată la 100 mL de soluție, deci 5 % m/v = 5 g / 100 mL = 50 g/L, iar m_B = 50 g/L × 0,1000 L = 5,00 g. Prin urmare, soluția B are o concentrație exact de două ori mai mare decât soluția A, iar aceasta este relația pe care comparația vizuală de la finalul lucrării de laborator are menirea să o evidențieze. Cea mai frecventă eroare în acest calcul este citirea valorii 5 % m/v ca fiind 5 g/L, un factor de zece prea mic; a doua eroare ca frecvență este tratarea acesteia ca fiind 5 % în masă, ceea ce ar necesita calcularea densității soluției pentru conversie.

Ce arată cântarul și ce face tararea. Capsula de cântărire este așezată pe cadran și se apasă butonul de tarare, care scade masa capsulei din fiecare lectură ulterioară, astfel încât afișajul indică apoi numai masa cristalelor, iar studentul nu trebuie să facă niciodată scăderea. Dovada că acest lucru s-a întâmplat este vizibilă la sfârșitul cântăririi: când capsula tarată este ridicată de pe cadran, balanța indică −0,5 g, care reprezintă masa capsulei cu semnul inversat. Cristalele sosesc de pe spatulă în porțiuni fixe de 1,25 g, astfel încât afișajul trece prin pașii 1,25 → 2,50 g pentru soluția A și 1,25 → 2,50 → 3,75 → 5,00 g pentru soluția B, și ambele ținte sunt atinse exact.

De ce se dizolvă solutul în mai puțin decât volumul final. Volumul nu este aditiv atunci când un solid se dizolvă: particulele dizolvate ocupă propriul lor spațiu, astfel încât soluția ocupă mai mult decât solventul. Pentru zaharoză, volumul molar aparent în soluție apoasă diluată este de aproximativ 211 cm³/mol, astfel încât cei 5,00 g de substanță dizolvată din soluția B (5,00 / 342,30 = 0,0146 mol) contribuie cu aproximativ 0,0146 × 211 ≈ 3,1 mL. Un student care ar dizolva 5,00 g într-un volum măsurat de 100 mL de apă ar obține aproximativ 103 mL de soluție la o concentrație de 5,00 g / 0,103 L = 48,5 g/L — 3 % scăzută, care este mult mai mare decât orice altă eroare din procedură. Dizolvarea în aproximativ 50 mL și apoi completarea până la marcajul de calibrare elimină complet problema, deoarece marcajul definește volumul soluție, nu a apei. Ac Acesta este și motivul pentru care balonul este închis cu dop și inversat din nou după completare: ultimii câțiva mililitri de apă se așază deasupra unei soluții deja concentrate și nu se vor amesteca de la sine.

De ce concentrația nu este exprimată în mol/L. O concentrație molară necesită o masă molară, iar cristalele de suc sunt un amestec de zaharoză, un acid, un colorant și arome, fără o singură masă molară. Pentru zaharoza pură (M = 342,30 g/mol), cele două soluții ar corespunde la 25 / 342,30 = 0,073 mol/L și 50 / 342,30 = 0,146 mol/L, iar aceste valori merită calculate ca exercițiu — dar ele nu trebuie scrise pe eticheta unei soluții preparate dintr-o pulbere comercială. Concentrația masică și procentul m/v sunt unitățile corecte aici tocmai pentru că nu fac nicio presupunere despre ce este solutul.

Comparația cu seria de referință. Cele cinci tuburi de referință prezente în simulare sunt etichetate cu 20, 25, 35, 50 și 55 g/L și sunt vizualizate pe fundalul unui carton negru, deoarece un fundal întunecat elimină lumina transmisă din încăpere și lasă să se vadă doar culoarea soluției. Intensitatea culorii crește odată cu concentrația, conform legii lui Beer–Lambert, A = εlc: având în vedere că lungimea traseului l este determinată de tub, iar absorbanța molară ε de colorant, absorbanța este proporțională exclusiv cu concentrația. Soluția A trebuie asociată cu tubul de 25 g/L, iar soluția B cu tubul de 50 g/L; soluția B ar trebui să fie vizibil mai închisă la culoare decât A, deoarece are o concentrație dublă. Restul seriei servește ca elemente de distragere, iar una dintre ele reprezintă o alegere cu adevărat dificilă: 50 și 55 g/L diferă cu doar 10 %, ceea ce se situează la limita sau sub limita la care ochiul uman poate distinge cu certitudine, astfel încât un student care atribuie soluția B tubului 5 în loc de tubul 4 nu a făcut o judecată nerezonabilă.

Ce stabilesc și ce nu stabilesc cele două soluții. Cristalele de suc sunt un amestec, nu un compus pur, așa că nu au masă molară, iar soluțiile nu au molaritate. Orice cifră menționată în mol/l de mai sus este o ilustrare a modului în care s-ar face calculul pentru un solut pur, cum ar fi zaharoza; nu este o descriere a ceea ce se află de fapt în flacon. Acesta este motivul sincer pentru care laboratorul lucrează în g/l și în procente m/v și merită spus studenților, care presupun adesea că fiecare concentrație trebuie să devină în cele din urmă o molaritate.

Două puncte cu privire la cântărire. Dispersorul livrează cristale în porțiuni fixe de 1,25 g, astfel încât ambele mase țintă sunt atinse exact și citirea nu depășește niciodată valoarea. Studenții ar trebui să știe că pe o balanță reală ultima abordare a unei mase țintă este partea delicată a operațiunii și că aceasta se face prin lovirea ușoară a spatulei, mai degrabă decât prin turnare. Și deoarece orice masă care este cântărită va fi acceptată, aritmetica trebuie verificată pe hârtie înainte de începerea cântăririi: un student care calculează 0,5 g acolo unde erau necesare 5 g va termina laboratorul fără dificultate și va produce pur și simplu o soluție care pare prea diluată. Prinderea acestei greșeli pe hârtie, nu la balanță, este obiceiul care merită format.

Temperatura și de ce contează semnul. Un balon cotat este calibrat la o temperatură specificată, de obicei 20 °C, deoarece atât volumul sticlei, cât și densitatea soluției se modifică odată cu aceasta. Prin urmare, lucrările de precizie permit soluției să ajungă la temperatura camerei înainte de reglarea finală la semn. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care apa este adăugată în două etape, mai degrabă decât măsurată în întregime la început: dizolvarea unei substanțe solide modifică volumul lichidului, uneori în creștere și alteori în scădere, astfel încât singura modalitate de a obține exact 100 mL de soluție este să se dizolve mai întâi și să se completeze ulterior. Măsurarea a 100 mL de apă și apoi adăugarea cristalelor ar da un volum final diferit și necunoscut.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare. Vocabularul și rutina: solut, solvent, soluție, concentrație; cântărire, dizolvare, aducere la semn (la volum), amestecare.

• Calculați cei 2,50 g necesari pentru soluția A din C = m / V, cu unitățile scrise la fiecare pas.
• Efectuați ambele preparări și înregistrați masa afișată pe balanță și eprubeta de referință cu care se potrivește fiecare soluție.
• Explică în propriile cuvinte de ce balanța este tarată cu sticluța de cântărire pe platan.
• Aranjați cele cinci tuburi de referință în ordinea concentrației doar cu ochiul liber, apoi verificați ordinea comparând-o cu etichetele.

Clasa a XI-a

Concentrare. Conversia unităților de măsură, comparația cantitativă și raționamentul din spatele fiecărui pas al tehnicii.

• Convertiți valoarea de 5 % m/v în g/L și în mol/L pentru zaharoză pură și explicați de ce doar prima conversie este valabilă în cazul cristalelor din suc.
• Ghiciți, înainte de a privi, cărei soluții din eprubeta de referință ar trebui să i se potrivească soluția B și justificați predicția pe baza raportului celor două concentrații.
• Explicație: Solutul este dizolvat mai întâi într-un volum mai mic (aproximativ 50 mL) pentru a facilita dizolvarea completă, deoarece amestecarea unei cantități mari de solid direct la volumul final (100 mL) într-un balon cotat este dificilă și poate lăsa particule nedizolvate. Doar după ce solutul s-a dizolvat complet, soluția este adusă la semn (la exact 100 mL). Dacă cristalele ar fi fost adăugate direct în 100 mL de apă, volumul final al soluției ar fi fost mai mare de 100 mL (deoarece volumul ocupat de solut se adaugă la volumul apei). În consecință, concentrația molară sau masică a soluției ar fi fost **mai mică** decât valoarea dorită, deoarece aceeași masă sau număr de moli de solut s-ar fi aflat într-un volum total mai mare de 100 mL.
• Specificați concentrația fiecărei soluții cu numărul de cifre semnificative pe care instrumentele le justifică.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare. Baza fizică a comparației culorilor.

• Folosiți volumul molar aparent al zaharozei pentru a calcula variația de volum la dizolvare.
• Argumentând pe baza legii Beer–Lambert, absorbanța ($A$) a unei soluții este direct proporțională cu concentrația speciei absorbante ($c$), drumul optic ($l$) și coeficientul de absorbție molară ($\varepsilon$), conform relației $A = \varepsilon \cdot l \cdot c$. Într-o serie de referință vizuală, vasele (eprubete sau baloane) au același diametru (drum optic constant, $l$), iar soluția utilizează aceeași substanță (coeficient molar constant, $\varepsilon$). Prin urmare, intensitatea culorii percepută (care este invers proporțională cu intensitatea luminii transmise) variază liniar sau cvasiliniar cu concentrația. Ochiul uman poate estima concentrația unei probe necunoscute prin interpolare vizuală între două tuburi de referință adiacente, deoarece creierul recunoaște diferențele de intensitate sau nuanță a luminii transmise. În ceea ce privește cea mai mică diferență de concentrație pe care ochiul o poate detecta, pragul de percepție a contrastului vizual pentru intensitatea luminoasă este, în cele mai bune condiții, de aproximativ 1% până la 2% ($\Delta I / I \approx 0.01 - 0.02$). Folosind legea Beer–Lambert în formă diferențială, transmisia este $T = I/I_0 = 10^{-A} = 10^{-\varepsilon l c}$. O modificare a concentrației $\Delta c$ produce o modificare a transmisiei. Pentru o absorbție optimă de aproximativ $A \approx 0.43$ (unde sensibilitatea ochiului la schimbările de intensitate este maximă), ochiul uman poate distinge în mod normal o modificare a concentrației de aproximativ 2% până la 5% față de concentrația de bază ($\Delta c / c \approx 0.02 - 0.05$), presupunând că tuburile sunt alăturate direct pentru a facilita comparația directă.
• Propuneți o configurație pentru seria de referință care să permită unui student să determine concentrația cu o precizie de 10 % și precizați câte tuburi ar fi necesare pentru intervalul 20–55 g/L.
• Identificați etapele în care simularea nu poate reproduce o eroare reală de laborator și descrieți modul în care un profesor ar trebui să compenseze la notare.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Balanță electronică (rezoluție 0,01 g, cu buton de tarare)
• Bărci de cântărire × 2 (masă de aproximativ 0,5 g; numite coș în simulare
• Spatulă
• Cilindru gradat (50 mL)
• Caloane cotate (100 mL, cu dopuri) × 2
• Pâlnie
• Pipetă, pentru aducerea meniscului la semnul de etalonare
• Pahare Berzelius (100 mL) × 2, etichetate A și B
• Raft de eprubete care conține cele cinci soluții de referință
• Carton negru de comparație

Produse

• Cristale de suc (praf)
• Apă distilată
• Soluții de referință de cristale de suc: 20, 25, 35, 50 și 55 g/L