מסיסות מתילן כחול והכנת תמיסות: מדריך מעבדתי

שני טכנאים מכינים כל אחד תמיסת מתילן כחול בריכוז 1 אחוז מאבקה. אחד שוקל 1.00 גרם ומשלים את הנפח בבקבוק ל־100 mL. השני שוקל 1.00 גרם, מוסיף אותו ל־100 mL מים ורואה בכך סוף התהליך. טכנאי שלישי שוקל 1.00 גרם מאצווה אחרת ומקבל ריכוז שונה במידה הניתנת למדידה. כל שלושת הבקבוקים מסומנים באופן זהה. אף אחד מהם אינו מכיל בדיוק את מה שמצוין בתווית, וההבדלים נובעים משלושה מושגים שקל לבלבל ביניהם: כמה חומר יכול הממס להמיס, מהי למעשה האבקה שנשקלה ולמה מתייחס האחוז.

מדריך זה עוסק בהכנת תמיסות למעבדה בלבד: צבעי צביעה, אינדיקטורים, תמיסות אם אנליטיות ומיהולים לעבודה. הוא אינו מתכון לתרופה לנטילה דרך הפה או להזרקה, ואין לפרש את הריכוזים המופיעים כאן כמינונים.

מה המסיסות קובעת, ומה לא

מסיסות מתילן כחול במים גבוהה ביחס לצבע. רשומת התרכובת מתילן כחול ב־PubChem מדווחת על כ־43.6 גרם לליטר ב־25 C, השווים ל־4.36 גרם לכל 100 mL, או ל־4.36 אחוז w/v. מחקר בלתי תלוי שבו הובאה המערכת לשיווי משקל באותה טמפרטורה מדד 43.21 g/L ואישר את הערך הישן בגבולות השגיאה הניסויית.

המספר הזה הוא גבול עליון, לא יעד. תמיסת אם בריכוז 1 אחוז מכילה 10 g/L, פחות מרבע מהגבול העליון. תמיסת אם בריכוז 0.1 אחוז מכילה 1 g/L, בערך אחד חלקי ארבעים ממנו. אם בהכנה בריכוז 1 אחוז נשארים מוצקים שאינם נעלמים לאחר ערבוב מתאים בטמפרטורת החדר, הבעיה כמעט לעולם אינה גבול המסיסות. בדרך כלל מדובר בהרטבה לא מלאה, במים קרים, בגושי אבקה הזקוקים לזמן נוסף או במומס שזוהה בטעות. מים חמימים וערבוב פותרים את רוב הבעיות האלה. אם נעשה שימוש בחימום, יש להניח לבקבוק לחזור לטמפרטורת הכיול שלו לפני השלמתו לנפח הסופי.

המסיסות בממסים אחרים נמוכה יותר, והנתונים פחות עקביים בין מקורות, בין השאר משום שמצב ההידרט של החומר שנבדק משתנה. מים נשארים ממס הייחוס לתמיסות אם מעבדתיות שגרתיות. אתנול ממיס את הצבע, אך יכול להמיס כמות קטנה משמעותית ממים; גם כלורופורם ממיס אותו, פירידין ממיס אותו רק במידה מועטה, ודיאתיל אתר כמעט שאינו ממיס אותו כלל. בסדרות מדידה, אצטון ואתיל אצטט מציגים מסיסות נמוכה בהרבה מזו שבמים. בעבודה שאינה מימית, יש להתייחס לכל ערך בספר עזר כאל אומדן התחלתי ולא כאל גבול להכנת התמיסה, ולאמת אותו באמצעות האצווה בפועל. המשמעות המעשית פשוטה: אם המטרה היא ריכוז מימי מוגדר של 1 אחוז או פחות, מים מספקים מרווח גדול מתחת לגבול המסיסות.

האבקה אינה חומר אחיד אחד

אבקת מתילן כחול הנמכרת לשימוש מעבדתי היא מלח כלוריד המכיל מים בסריג הגבישי שלו, וכמות המים האלה משתנה. ליון נטול המים משקל מולקולרי של 319.85 g/mol. הטריהידרט המצוטט בדרך כלל הוא בעל משקל מולקולרי של 373.90 g/mol, והפנטהידרט של 409.93 g/mol; ערכים אלה מופיעים בטבלאות של נתוני מונוגרף USP המסוכמים לצד רשומת PubChem.

בקבוקים מסחריים מסומנים לעיתים קרובות כטריהידרט, CAS 7220-79-3, אך מחקרי מצב מוצק מצאו שהחומר בפועל עשוי להיות פנטהידרט, הידרט חלקי עם כ־2.2 מולקולות מים, דיהידרט או מונוהידרט, ובחלק מהאנליזות לא נמצאה פאזה גבישית נפרדת של טריהידרט. הצבע גם היגרוסקופי, ולכן תכולת המים בבקבוק שנפתח משתנה עם הזמן. לצביעה איכותנית יש לכך השפעה זניחה. לעבודה אנליטית כמותית יש לכך חשיבות רבה, ולכן ההנחיות לקריאת תכולת החומר ותכולת המים בתעודת אנליזה מתייחסות למסמך האצווה כמקור הסמכות, ולא למילה טריהידרט שעל התווית הקדמית.

מכך נובעות שתי דרכי תיקון, ויש להשתמש רק באחת מהן בכל פעם. אם התעודה מציינת את תכולת החומר ואת תכולת המים או האובדן בייבוש, יש להשתמש בנתונים האלה ישירות. אם אין נתוני תעודה ויש לבטא את הריכוז על בסיס שווה־ערך נטול מים, יש להחיל את מקדם ההידרט התאורטי: 373.90 חלקי 319.85, כלומר 1.169, לטריהידרט נומינלי, ו־409.93 חלקי 319.85, כלומר 1.282, לפנטהידרט נומינלי. אין להחיל את שני התיקונים יחד. הדבר מביא לספירה כפולה של המים.

מה פירוש אחוז

אחוז w/v פירושו גרמים של המומס המוגדר לכל 100 mL של התמיסה הסופית, ולא לכל 100 mL של מי ההתחלה. לכן 1 אחוז w/v הוא 1.000 g לכל נפח סופי של 100 mL, השווים ל־10 mg/mL או ל־10 g/L. תמיסה בריכוז 0.1 אחוז מכילה 0.100 g לכל נפח סופי של 100 mL, השווים ל־1 mg/mL. הבלבול הנפוץ בין 1 אחוז לבין 1 mg/mL הוא שגיאה של פי עשרה, וכדאי לבדוק כל תווית כדי לוודא שאין בה שגיאה כזו.

החלק השני של ההגדרה הוא הגדרת המומס. תמיסה בריכוז 1 אחוז של אבקת טריהידרט כפי שנשקלה ותמיסה בריכוז 1 אחוז המבוטא כשווה־ערך נטול מים הן תמיסות שונות. דוגמאות ההכנה שלהלן מציינות בכל פעם גם את הנפח הסופי וגם את בסיס הריכוז. זהו ההרגל שמונע את בעיית שלושת הטכנאים שתוארה לעיל.

דוגמאות הכנה עם הנחות מפורשות לגבי ההידרט

כל הדוגמאות מניחות שימוש באבקה טהורה של ההידרט המצוין ובמים כממס בטמפרטורת החדר. עבור נפחים אחרים יש לשנות את הכמויות ביחס ישר.

דוגמה A: 100.0 mL בריכוז 1 אחוז w/v, על בסיס טריהידרט כפי שנשקל. יש לשקול 1.000 g של מתילן כחול טריהידרט. להוסיף כ־70 mL מים מטוהרים, לערבב או לסחרר עד להמסה מלאה, להעביר באופן כמותי לבקבוק מדידה של 100.0 mL תוך שטיפת כלי ההכנה, ואז להוסיף מים עד לסימון. המומס הוא הטריהידרט עצמו, ולכן אין צורך בתיקון לפי משקל מולקולרי. התוצאה: 1.000 g לכל נפח סופי של 100.0 mL, או 10 mg/mL של האבקה כפי שנשקלה.

דוגמה B: 100.0 mL בריכוז 1 mg/mL, על בסיס שווה־ערך נטול מים, מטריהידרט נומינלי. היעד הוא 100.0 mg של מתילן כחול נטול מים בנפח סופי של 100.0 mL. יש להכפיל ב־1.169 כדי לתקן עבור שלוש מולקולות המים: 100.0 mg כפול 1.169 שווים ל־116.9 mg. יש לשקול 116.9 mg של טריהידרט נומינלי, להמיס בכ־70 mL מים ולהשלים לנפח סופי של 100.0 mL בבקבוק מדידה. עבור פנטהידרט נומינלי המקדם הוא 1.282, ולכן אותו יעד דורש 128.2 mg. יש לציין על התווית באיזה מקדם נעשה שימוש.

דוגמה C: מיהול מתילן כחול מתמיסת אם בריכוז 1 אחוז ל־0.1 אחוז. יש להשתמש ב־C1V1 שווה ל־C2V2. להכנת 100.0 mL בריכוז 0.1 אחוז מתמיסת אם בריכוז 1.0 אחוז, נפח תמיסת האם הדרוש הוא 0.1 כפול 100.0 חלקי 1.0, כלומר 10.0 mL. יש להעביר בפיפטה 10.0 mL מתמיסת האם בריכוז 1 אחוז לבקבוק של 100.0 mL ולהוסיף מים עד לסימון. לאנליטיקאים המעדיפים יחידות מסה: 1 אחוז הוא 10 mg/mL, ולכן 10.0 mL מכילים 100 mg, ו־100 mg בנפח סופי של 100.0 mL הם 1 mg/mL, כלומר 0.1 אחוז.

דוגמה D: 1.000 L של תמיסת עבודה בריכוז 10 mg/L מתמיסת אם בריכוז 1 mg/mL. תמיסת אם בריכוז 1 mg/mL היא תמיסה בריכוז 1000 mg/L. הנפח הדרוש הוא 10 כפול 1.000 חלקי 1000, כלומר 0.0100 L, או 10.0 mL. יש להעביר בפיפטה 10.0 mL של תמיסת האם ולמהול במים לנפח סופי של 1.000 L. מתמיסת אם בריכוז 1 אחוז, שהם 10,000 mg/L, אותו יעד דורש רק 1.00 mL שיש להשלים לנפח של 1.000 L. מיהול סדרתי בשני שלבים מספק דיוק טוב יותר מהעברה יחידה בנפח מיקרוליטרי כאשר היחס עולה על כמאה.

כל אחת מהדוגמאות האלה היא מפרט מלא רק משום שהיא כוללת שלוש עובדות: המסה שנשקלה והנחת ההידרט שלה, הנפח הסופי של התמיסה ובסיס הריכוז המצוין. אי אפשר לשחזר במדויק רישום במחברת שחסר בו אחד משלושת הפרטים האלה.

נוהל המונע את השגיאות הנפוצות

יש להמיס תחילה את האבקה בנפח קטן מהנפח הסופי, ורק לאחר מכן להשלים לנפח. הוספת אבקה ישירות למלוא נפח המים הסופי יוצרת תמיסה שנפחה הכולל חורג מהסימון המיועד, והריכוז המתקבל נמוך מדי. יש לשטוף את כוס המעבדה אל תוך בקבוק המדידה כך שלא יישאר בה צבע; הצבע העז מאפשר לראות אובדנים קטנים, וזהו יתרון אם הוא מעודד העברה כמותית.

יש לערבב עד שלא נותרים חלקיקים לפני השלמת הנפח, ולבדוק מול האור. יש לסנן רק כאשר השיטה מחייבת זאת. מתילן כחול נספח לחלק מחומרי הממברנות, ולכן סינון עלול להפחית את הריכוז של תמיסת אם שזה עתה תוקננה. נקודה זו מתועדת במחקרי ספיחה לממברנות, וכדאי לזכור אותה בכל פעם שסינון או אימות ריכוז הם חלק מהשיטה. אם תמיסת אם מסוננת חייבת להיות בעלת ריכוז מאושר, יש לאמת את הריכוז לאחר הסינון ולא לפניו.

יש לאחסן תמיסות מוכנות כשהן מוגנות מאור חזק, בבקבוקים בצבע ענבר או בבקבוקים אטומים לאור בטמפרטורת החדר, ולסמן את המומס, בסיס ההידרט, הריכוז, הממס, התאריך ושם המכין. דהייה בהשפעת אור בחשיפה ממושכת היא מסלול פירוק מוכר, ולכן אדני חלונות ומקררים מוארים אינם מקומות אחסון מתאימים, גם אם הצבע נראה יציב. הציפיות לגבי יציבות ומרווחי הזמן לבדיקה חוזרת שייכות להנחיות לאחסון וליציבות של תמיסות מוכנות, אך ככלל עבודה, ראוי להכין תמיסות אם אנליטיות מחדש או לאמת אותן מחדש, ולא להסתמך עליהן ללא הגבלת זמן.

יש לעבוד עם האבקה ועם תמיסות האם המרוכזות תוך שימוש בכפפות, בהגנה לעיניים, בחלוק מעבדה ובכיסוי למשטח העבודה, ועם אמצעי הכלה משניים לבקבוקים. הצבע מכתים במהירות עור, בגדים, משטחי עבודה וחומרי פלסטיק, וגיליונות נתוני הבטיחות של הספקים מסווגים את האבקה כמזיקה בבליעה וכמגרה לעיניים ולעור, בהתאם לדרגה. אמצעי הזהירות המלאים שייכים לנוהלי טיפול ואחסון בטוחים, אך מניעת כתמים היא כשלעצמה אמצעי בקרת איכות: שאריות צבע על כלי זכוכית ופיפטות הן מקור לזיהום צולב באנליזה של כמויות עקבה.

הערה על דרגת החומר

לאמבטיות צביעה ולהדגמות, כל חומר נקי בדרגה מעבדתית המוכן בריכוז הנכון מתאים למטרה. בעבודה כמותית או השוואתית, לדרגה יש חשיבות משום שהזיהומים משתנים: שאריות Azure B ותיאזינים קשורים, מתכות כבדות, שאריות ממסים ועומס מיקרוביאלי. לכן בחירת דרגה המגובה בתעודת אנליזה מלאה היא חלק מהכנת התמיסה ולא שיקול מאוחר. מסמך אצווה מלא מדווח על הזהות, תכולת החומר ובסיס הדיווח שלה, תכולת המים ומכלול הזיהומים שנבדקו בפועל, כך שתיקון ההידרט בדוגמאות לעיל משתמש בערכים שנמדדו במקום בהנחת הטריהידרט הנומינלי. כאשר שתי אצוות מניבות ריכוזים שונים מאותה מסה שנשקלה, התעודה בדרך כלל מסבירה מדוע.