Löslichkeit von Methylenblau in Wasser und Herstellung einer Lösung aus Pulver

Zwei Labortechniker stellen jeweils eine 1-prozentige Methylenblaulösung aus Pulver her. Einer wiegt 1.00 Gramm ein und füllt den Kolben auf 100 mL auf. Der andere wiegt 1.00 Gramm ein, gibt es zu 100 mL Wasser und betrachtet die Herstellung als abgeschlossen. Ein dritter Labortechniker wiegt 1.00 Gramm aus einer anderen Charge ein und erhält eine messbar andere Konzentration. Alle drei Flaschen sind identisch beschriftet. Keine enthält genau das, was auf dem Etikett steht. Die Unterschiede ergeben sich aus drei Aspekten, die leicht verwechselt werden: wie viel das Lösungsmittel aufnehmen kann, was das eingewogene Pulver tatsächlich ist und worauf sich die Prozentangabe bezieht.

Dieser Leitfaden behandelt ausschließlich die Herstellung von Lösungen für das Labor: Färbelösungen, Indikatoren, analytische Stammlösungen und Arbeitsverdünnungen. Er ist keine Anleitung zur Herstellung von Arzneimitteln zur oralen Anwendung oder Injektion. Die hier angegebenen Konzentrationen sind nicht als Dosierungen zu verstehen.

Was die Löslichkeit vorgibt und was nicht

Die Löslichkeit von Methylenblau in Wasser ist für einen Farbstoff hoch. Der PubChem-Stoffdatensatz zu Methylenblau gibt etwa 43.6 Gramm pro Liter bei 25 C an. Das entspricht 4.36 Gramm pro 100 mL oder 4.36 Prozent w/v. Eine unabhängige Studie zur Gleichgewichtslöslichkeit bei derselben Temperatur ermittelte 43.21 g/L und bestätigte den älteren Wert innerhalb der experimentellen Fehlergrenzen.

Diese Zahl ist eine Obergrenze, kein Zielwert. Eine 1-prozentige Stammlösung enthält 10 g/L, also weniger als ein Viertel dieser Obergrenze. Eine 0.1-prozentige Stammlösung enthält 1 g/L, ungefähr ein Vierzigstel davon. Wenn bei einer 1-prozentigen Zubereitung nach sachgemäßem Mischen bei Raumtemperatur dauerhaft Feststoff zurückbleibt, liegt das Problem fast nie an der Löslichkeitsgrenze. Meist sind unvollständige Benetzung, kaltes Wasser, Pulverklumpen, die mehr Zeit benötigen, oder ein falsch identifizierter gelöster Stoff die Ursache. Warmes Wasser und Rühren lösen die meisten dieser Probleme. Wurde die Lösung erwärmt, lassen Sie den Kolben vor dem Auffüllen auf das Endvolumen wieder seine Kalibriertemperatur erreichen.

Die Löslichkeit in anderen Lösungsmitteln ist geringer, und die Angaben verschiedener Quellen stimmen weniger gut überein. Das liegt teilweise daran, dass sich der Hydratationszustand des untersuchten Materials unterscheidet. Wasser bleibt das Referenzlösungsmittel für routinemäßig verwendete Laborstammlösungen. Ethanol löst den Farbstoff, nimmt aber deutlich weniger davon auf als Wasser. Auch Chloroform löst ihn, Pyridin nur geringfügig und Diethylether praktisch gar nicht. In Messreihen liegen Aceton und Ethylacetat deutlich unter Wasser. Betrachten Sie bei Arbeiten mit nichtwässrigen Lösungsmitteln jeden Handbuchwert als erste Schätzung und überprüfen Sie ihn mit der tatsächlich verwendeten Charge, statt ihn als Grenze für die Formulierung anzusehen. Für die Praxis gilt: Wenn eine definierte wässrige Konzentration von höchstens 1 Prozent angestrebt wird, bietet Wasser einen großen Abstand zur Löslichkeitsgrenze.

Pulver ist nicht gleich Pulver

Methylenblaupulver für den Laborgebrauch ist ein Chloridsalz, das Wasser in seinem Kristallgitter enthält. Die Menge dieses Wassers variiert. Das wasserfreie Ion hat eine molare Masse von 319.85 g/mol. Für das häufig angegebene Trihydrat beträgt sie 373.90 g/mol, für das Pentahydrat 409.93 g/mol. Diese Werte sind in den USP-Monographiedaten aufgeführt, die beim PubChem-Datensatz zusammengefasst sind.

Handelsübliche Flaschen sind häufig als Trihydrat mit der CAS-Nummer 7220-79-3 gekennzeichnet. Festkörperuntersuchungen haben jedoch gezeigt, dass das tatsächliche Material ein Pentahydrat, ein partielles Hydrat mit etwa 2.2 Wassermolekülen, ein Dihydrat oder ein Monohydrat sein kann. In einigen Untersuchungen wurde keine eigenständige kristalline Trihydratphase gefunden. Der Farbstoff ist außerdem hygroskopisch, sodass sich der Wassergehalt einer geöffneten Flasche verändert. Für qualitative Färbungen spielt dies kaum eine Rolle. Für quantitative analytische Arbeiten ist es dagegen sehr wichtig. Deshalb behandelt die Anleitung zum Lesen von Gehalt und Wassergehalt auf einem Analysezertifikat das Chargendokument als maßgeblich gegenüber der Bezeichnung Trihydrat auf dem Vorderetikett.

Daraus ergeben sich zwei Korrekturwege, von denen jeweils nur einer angewendet werden sollte. Wenn das Zertifikat den Gehalt sowie den Wassergehalt oder den Trocknungsverlust angibt, verwenden Sie diese Werte direkt. Wenn keine Zertifikatsdaten vorliegen und die Konzentration als wasserfreies Äquivalent angegeben werden muss, wenden Sie den theoretischen Hydratfaktor an: 373.90 geteilt durch 319.85, also 1.169, für nominelles Trihydrat und 409.93 geteilt durch 319.85, also 1.282, für nominelles Pentahydrat. Wenden Sie nicht beide Korrekturen gleichzeitig an. Dadurch würde das Wasser doppelt berücksichtigt.

Was Prozent bedeutet

Prozent w/v bedeutet Gramm des angegebenen gelösten Stoffes pro 100 mL fertiger Lösung, nicht pro 100 mL des anfangs verwendeten Wassers. Somit entspricht 1 Prozent w/v einer Masse von 1.000 g pro 100 mL Endvolumen, also 10 mg/mL oder 10 g/L. Eine 0.1-prozentige Lösung enthält 0.100 g pro 100 mL Endvolumen, entsprechend 1 mg/mL. Die häufige Verwechslung von 1 Prozent mit 1 mg/mL bedeutet einen Fehler um den Faktor zehn. Es lohnt sich, jedes Etikett darauf zu prüfen.

Der zweite Teil der Definition ist die genaue Angabe des gelösten Stoffes. Eine 1-prozentige Lösung bezogen auf das eingewogene Trihydratpulver und eine 1-prozentige Lösung, deren Konzentration als wasserfreies Äquivalent angegeben wird, sind unterschiedliche Lösungen. Die folgenden Rechenbeispiele geben jedes Mal sowohl das Endvolumen als auch die Bezugsbasis an. Diese Vorgehensweise verhindert das eingangs beschriebene Problem mit den drei Labortechnikern.

Durchgerechnete Herstellungsbeispiele mit angegebenen Hydratannahmen

Alle Beispiele setzen reines Pulver des jeweils angegebenen Hydrats und Wasser als Lösungsmittel bei Raumtemperatur voraus. Für andere Volumina werden die Mengen proportional angepasst.

Beispiel A: 100.0 mL mit 1 Prozent w/v, bezogen auf das eingewogene Trihydrat. Wiegen Sie 1.000 g Methylenblau-Trihydrat ein. Geben Sie etwa 70 mL gereinigtes Wasser hinzu und rühren oder schwenken Sie, bis sich das Pulver vollständig gelöst hat. Überführen Sie die Lösung unter Nachspülen quantitativ in einen 100.0-mL-Messkolben und füllen Sie anschließend mit Wasser bis zur Marke auf. Der gelöste Stoff ist das Trihydrat selbst, daher wird keine Korrektur anhand der molaren Masse vorgenommen. Ergebnis: 1.000 g pro 100.0 mL Endvolumen oder 10 mg/mL eingewogenes Pulver.

Beispiel B: 100.0 mL mit 1 mg/mL, bezogen auf das wasserfreie Äquivalent, aus nominellem Trihydrat. Das Ziel sind 100.0 mg wasserfreies Methylenblau in 100.0 mL Endvolumen. Multiplizieren Sie mit 1.169, um die drei Wassermoleküle zu berücksichtigen: 100.0 mg mal 1.169 ergibt 116.9 mg. Wiegen Sie 116.9 mg nominelles Trihydrat ein, lösen Sie es in etwa 70 mL Wasser und füllen Sie in einem Messkolben auf 100.0 mL Endvolumen auf. Bei nominellem Pentahydrat beträgt der Faktor 1.282, sodass für denselben Zielwert 128.2 mg benötigt werden. Vermerken Sie den verwendeten Faktor auf dem Etikett.

Beispiel C: Verdünnung von Methylenblau aus einer 1-prozentigen Stammlösung auf 0.1 Prozent. Verwenden Sie C1V1 gleich C2V2. Um 100.0 mL einer 0.1-prozentigen Lösung aus einer 1.0-prozentigen Stammlösung herzustellen, beträgt das benötigte Volumen der Stammlösung 0.1 mal 100.0 geteilt durch 1.0, also 10.0 mL. Pipettieren Sie 10.0 mL der 1-prozentigen Stammlösung in einen 100.0-mL-Kolben und füllen Sie mit Wasser bis zur Marke auf. Für Analytiker, die massenbezogene Einheiten bevorzugen: 1 Prozent entspricht 10 mg/mL, sodass 10.0 mL eine Masse von 100 mg enthalten. 100 mg in 100.0 mL Endvolumen entsprechen 1 mg/mL, also 0.1 Prozent.

Beispiel D: 1.000 L einer Arbeitslösung mit 10 mg/L aus einer Stammlösung mit 1 mg/mL. Eine Stammlösung mit 1 mg/mL entspricht 1000 mg/L. Das benötigte Volumen beträgt 10 mal 1.000 geteilt durch 1000, also 0.0100 L oder 10.0 mL. Pipettieren Sie 10.0 mL Stammlösung und verdünnen Sie mit Wasser auf 1.000 L Endvolumen. Aus einer 1-prozentigen Stammlösung mit 10,000 mg/L werden für denselben Zielwert nur 1.00 mL benötigt, die auf 1.000 L aufgefüllt werden. Eine serielle Verdünnung in zwei Schritten bietet eine höhere Genauigkeit als eine einzelne Übertragung im Mikroliterbereich, wenn das Verdünnungsverhältnis etwa eins zu hundert überschreitet.

Jedes dieser Beispiele ist nur deshalb eine vollständige Spezifikation, weil es drei Angaben enthält: die eingewogene Masse mit der zugehörigen Hydratannahme, das Endvolumen der Lösung und die Bezugsbasis der angegebenen Konzentration. Ein Eintrag im Laborjournal, bei dem eine dieser drei Angaben fehlt, lässt sich nicht exakt reproduzieren.

Vorgehensweise zur Vermeidung der üblichen Fehler

Lösen Sie das Pulver zunächst in weniger als dem Endvolumen und füllen Sie anschließend auf das gewünschte Volumen auf. Wird das Pulver direkt zur gesamten vorgesehenen Wassermenge gegeben, entsteht eine Lösung, deren Gesamtvolumen die vorgesehene Marke überschreitet. Die Konzentration fällt dadurch zu niedrig aus. Spülen Sie das Becherglas in den Kolben aus, damit kein Farbstoff zurückbleibt. Die intensive Farbe macht kleine Verluste sichtbar. Das ist ein Vorteil, wenn es zu einer quantitativen Überführung veranlasst.

Mischen Sie vor dem Auffüllen so lange, bis keine Partikel mehr vorhanden sind, und kontrollieren Sie die Lösung gegen das Licht. Filtrieren Sie nur, wenn die Methode dies vorsieht. Methylenblau adsorbiert an einigen Membranmaterialien. Daher kann eine Filtration die Konzentration einer gerade standardisierten Stammlösung verringern. Dieser Effekt ist in Studien zur Membranadsorption dokumentiert und sollte berücksichtigt werden, wenn Filtration oder Konzentrationsprüfung Teil der Methode sind. Wenn eine filtrierte Stammlösung eine zertifizierte Konzentration aufweisen muss, überprüfen Sie die Konzentration nach der Filtration statt davor.

Lagern Sie hergestellte Lösungen bei Raumtemperatur in Braunglasflaschen oder lichtundurchlässigen Flaschen, geschützt vor starkem Licht. Beschriften Sie sie mit gelöstem Stoff, Hydratbasis, Konzentration, Lösungsmittel, Datum und herstellender Person. Photobleichung bei anhaltender Beleuchtung ist ein bekannter Abbauweg. Daher sind Fensterbänke und beleuchtete Kühlschränke ungeeignete Lagerorte, auch wenn der Farbstoff stabil erscheint. Angaben zur erwarteten Stabilität und zu Nachprüfungsintervallen gehören in die Hinweise zu Lagerung und Stabilität hergestellter Lösungen. Als Arbeitsregel gilt jedoch, dass analytische Stammlösungen frisch hergestellt oder erneut überprüft werden sollten, statt ihnen unbegrenzt zu vertrauen.

Tragen Sie beim Umgang mit dem Pulver und konzentrierten Stammlösungen Handschuhe, Augenschutz und einen Laborkittel. Decken Sie die Arbeitsfläche ab und verwenden Sie für Flaschen eine zusätzliche Auffangvorrichtung. Der Farbstoff färbt Haut, Kleidung, Arbeitsflächen und Kunststoffe schnell an. Die Sicherheitsdatenblätter der Lieferanten stufen das Pulver je nach Qualität als gesundheitsschädlich beim Verschlucken sowie als augen- und hautreizend ein. Vollständige Schutzmaßnahmen gehören in die Hinweise zum sicheren Umgang und zur Lagerung. Die Kontrolle von Farbstoffverunreinigungen ist jedoch selbst eine Qualitätsmaßnahme: Farbstoffreste auf Glasgeräten und Pipetten sind eine Quelle für Kreuzkontaminationen in der Spurenanalytik.

Ein Hinweis zur Qualität

Für Färbebäder und Demonstrationen eignet sich jede saubere Laborqualität, die in der richtigen Konzentration angesetzt wurde. Bei quantitativen oder vergleichenden Arbeiten ist die Qualität entscheidend, weil sich die Verunreinigungen unterscheiden: verbleibendes Azure B und verwandte Thiazine, Schwermetalle, Restlösungsmittel und mikrobielle Belastung. Deshalb ist die Auswahl einer Qualität mit vollständigem Analysezertifikat Teil der Formulierung und keine nachträgliche Überlegung. Ein vollständiges Chargendokument gibt Identität, Gehalt mit seiner Bezugsbasis, Wassergehalt und die tatsächlich untersuchten Verunreinigungen an. So verwendet die Hydratkorrektur in den obigen Beispielen Messwerte statt der Annahme eines nominellen Trihydrats. Wenn zwei Chargen bei gleicher eingewogener Masse unterschiedliche Konzentrationen ergeben, erklärt das Zertifikat meist den Grund.