Topljivost metilenskog modrila u vodi i priprema otopine iz praha

Dva tehničara pripremaju po jednu 1-postotnu otopinu metilenskog modrila iz praha. Jedan odvagne 1.00 gram i dopuni tikvicu do 100 mL. Drugi odvagne 1.00 gram, doda ga u 100 mL vode i smatra da je gotov. Treći tehničar odvagne 1.00 gram iz druge serije i dobije mjerljivo drukčiju koncentraciju. Sve su tri boce jednako označene. Nijedna ne sadrži baš ono što piše na etiketi, a razlike proizlaze iz triju pojmova koje je lako zamijeniti: koliko tvari otapalo može otopiti, što je zapravo odvagani prah i na što se postotak odnosi.

Ovaj vodič odnosi se isključivo na laboratorijsku pripremu: otopine za bojenje, indikatore, analitičke matične otopine i radna razrjeđenja. Nije recept za oralni ni injekcijski lijek, a ovdje navedene koncentracije ne treba tumačiti kao doze.

Što topljivost određuje, a što ne

Topljivost metilenskog modrila u vodi visoka je za jedno bojilo. PubChem zapis o metilenskom modrilu navodi približno 43.6 grama po litri pri 25 C, što odgovara 4.36 grama na 100 mL, odnosno 4.36 posto w/v. Neovisno istraživanje uspostavljanja ravnoteže pri istoj temperaturi izmjerilo je 43.21 g/L i potvrdilo raniju vrijednost unutar granica eksperimentalne pogreške.

Ta je vrijednost gornja granica, a ne cilj. Matična otopina od 1 posto ima koncentraciju 10 g/L, manje od četvrtine te granice. Matična otopina od 0.1 posto ima koncentraciju 1 g/L, približno jednu četrdesetinu granice. Ako nakon pravilnog miješanja na sobnoj temperaturi u 1-postotnoj otopini ostaje neotopljena kruta tvar, problem gotovo nikad nije granica topljivosti. Obično je riječ o nepotpunom kvašenju, hladnoj vodi, grudicama praha kojima treba više vremena ili pogrešno identificiranoj otopljenoj tvari. Topla voda i miješanje rješavaju većinu tih problema. Ako ste otopinu zagrijavali, pustite da se tikvica vrati na temperaturu pri kojoj je kalibrirana prije dopunjavanja do konačnog volumena.

Topljivost u drugim otapalima niža je, a podaci iz različitih izvora manje su ujednačeni, djelomično zato što se razlikuje hidratacijsko stanje ispitanog materijala. Voda ostaje referentno otapalo za rutinske laboratorijske matične otopine. Etanol otapa bojilo, ali u znatno manjoj količini nego voda; kloroform ga također otapa, piridin samo malo, a dietil-eter praktički ga ne otapa. U nizovima mjerenja aceton i etil-acetat pokazuju znatno nižu topljivost od vode. Za rad u nevodenim sustavima svaki podatak iz priručnika smatrajte početnom procjenom i provjerite ga na stvarnoj seriji, umjesto da ga smatrate granicom za pripremu otopine. Praktična je poruka jednostavna: ako je cilj definirana vodena koncentracija od najviše 1 posto, voda pruža veliku rezervu topljivosti.

Prah nije uvijek isti

Prah metilenskog modrila koji se prodaje za laboratorijsku uporabu kloridna je sol koja u kristalnoj rešetki sadrži vodu, a količina te vode varira. Bezvodni ion ima molekulsku masu 319.85 g/mol. Često navođeni trihidrat ima 373.90 g/mol, a pentahidrat 409.93 g/mol; te su vrijednosti navedene u podacima iz monografije USP sažetima uz PubChem zapis.

Komercijalne boce često nose oznaku trihidrata, CAS 7220-79-3, ali istraživanja čvrstog stanja pokazala su da stvarni materijal može biti pentahidrat, djelomični hidrat s približno 2.2 molekule vode, dihidrat ili monohidrat, pri čemu u nekim analizama nije pronađena zasebna kristalna faza trihidrata. Bojilo je i higroskopno pa se sadržaj vode u otvorenoj boci mijenja. Za kvalitativno bojenje to gotovo nije važno. Za kvantitativni analitički rad vrlo je važno, zbog čega smjernice za tumačenje sadržaja i udjela vode na certifikatu analize daju prednost dokumentaciji serije pred riječju trihidrat na prednjoj etiketi.

Iz toga proizlaze dva načina korekcije, a istodobno treba primijeniti samo jedan. Ako certifikat navodi sadržaj i udio vode ili gubitak sušenjem, izravno upotrijebite te podatke. Ako podaci iz certifikata nisu dostupni, a koncentracija se mora izraziti na osnovi bezvodnog ekvivalenta, primijenite teorijski faktor za hidrat: 373.90 podijeljeno s 319.85, odnosno 1.169, za nominalni trihidrat te 409.93 podijeljeno s 319.85, odnosno 1.282, za nominalni pentahidrat. Nemojte primijeniti obje korekcije odjednom. Time biste vodu uračunali dvaput.

Što znači postotak

Postotak w/v označava grame određene otopljene tvari na 100 mL konačne otopine, a ne na 100 mL početne vode. Dakle, 1 posto w/v znači 1.000 g na 100 mL konačne otopine, što je jednako 10 mg/mL ili 10 g/L. Otopina od 0.1 posto sadrži 0.100 g na 100 mL konačne otopine, što je jednako 1 mg/mL. Često poistovjećivanje 1 posto s 1 mg/mL znači pogrešku za faktor deset, pa vrijedi provjeriti svaku etiketu kako biste je izbjegli.

Drugi dio definicije jest specifikacija otopljene tvari. Otopina od 1 posto pripremljena od odvaganog praha trihidrata i otopina od 1 posto izražena kao bezvodni ekvivalent nisu iste otopine. U razrađenim primjerima u nastavku svaki se put navode i konačni volumen i osnova izražavanja koncentracije. Ta navika sprječava prethodno opisani problem s trojicom tehničara.

Primjeri pripreme s navedenim pretpostavkama o hidratu

U svim se primjerima pretpostavlja čist prah navedenog hidrata i voda kao otapalo na sobnoj temperaturi. Za druge volumene količine prilagodite linearno.

Primjer A: 100.0 mL otopine od 1 posto w/v, na osnovi odvaganog trihidrata. Odvagnite 1.000 g trihidrata metilenskog modrila. Dodajte približno 70 mL pročišćene vode, miješajte ili kružno pomičite posudu do potpunog otapanja, kvantitativno prenesite otopinu u odmjernu tikvicu od 100.0 mL uz ispiranje, a zatim dodajte vodu do oznake. Otopljena tvar sam je trihidrat pa se ne primjenjuje korekcija molekulske mase. Rezultat: 1.000 g na 100.0 mL konačne otopine, odnosno 10 mg/mL odvaganog praha.

Primjer B: 100.0 mL otopine od 1 mg/mL, na osnovi bezvodnog ekvivalenta, iz nominalnog trihidrata. Cilj je 100.0 mg bezvodnog metilenskog modrila u 100.0 mL konačne otopine. Pomnožite s 1.169 radi korekcije za tri molekule vode: 100.0 mg puta 1.169 jednako je 116.9 mg. Odvagnite 116.9 mg nominalnog trihidrata, otopite u približno 70 mL vode i u odmjernoj tikvici dopunite do konačnog volumena od 100.0 mL. Za nominalni pentahidrat faktor je 1.282, pa je za isti cilj potrebno 128.2 mg. Na etiketi zabilježite koji je faktor upotrijebljen.

Primjer C: razrjeđivanje metilenskog modrila iz matične otopine od 1 posto na 0.1 posto. Primijenite C1V1 jednako je C2V2. Za pripremu 100.0 mL otopine od 0.1 posto iz matične otopine od 1.0 posto potreban volumen matične otopine iznosi 0.1 puta 100.0 podijeljeno s 1.0, što je 10.0 mL. Pipetom prenesite 10.0 mL matične otopine od 1 posto u tikvicu od 100.0 mL i dodajte vodu do oznake. Za analitičare koji radije upotrebljavaju masene jedinice: 1 posto znači 10 mg/mL, pa 10.0 mL sadrži 100 mg, a 100 mg u 100.0 mL konačne otopine znači 1 mg/mL, odnosno 0.1 posto.

Primjer D: 1.000 L radne otopine od 10 mg/L iz matične otopine od 1 mg/mL. Matična otopina od 1 mg/mL ima koncentraciju 1000 mg/L. Potreban volumen iznosi 10 puta 1.000 podijeljeno s 1000, što je 0.0100 L, odnosno 10.0 mL. Pipetom prenesite 10.0 mL matične otopine i razrijedite vodom do konačnog volumena od 1.000 L. Iz matične otopine od 1 posto, odnosno 10,000 mg/L, za isti je cilj potrebno samo 1.00 mL dopuniti do 1.000 L. Serijsko razrjeđivanje u dva koraka daje bolju točnost od jednokratnog prijenosa mikrolitarskog volumena kada omjer prelazi približno jedan prema sto.

Svaki je od tih primjera potpuna specifikacija samo zato što sadrži tri podatka: odvaganu masu s pretpostavkom o hidratu, konačni volumen otopine i osnovu navedene koncentracije. Zapis u laboratorijskom dnevniku kojem nedostaje bilo koji od ta tri podatka ne može se točno reproducirati.

Postupak kojim se izbjegavaju uobičajene pogreške

Prah najprije otopite u volumenu manjem od konačnog, a zatim dopunite do konačnog volumena. Dodavanje praha izravno u puni konačni volumen vode daje otopinu čiji ukupni volumen premašuje predviđenu oznaku, pa je koncentracija preniska. Isperite čašu u tikvicu tako da u njoj ne ostane bojila; intenzivna boja čini male gubitke vidljivima, što je prednost ako potiče kvantitativni prijenos.

Prije dopunjavanja do konačnog volumena miješajte dok ne nestanu sve čestice i pregledajte otopinu prema svjetlu. Filtrirajte samo ako to metoda zahtijeva. Metilensko modrilo adsorbira se na neke membranske materijale, pa filtriranje može sniziti koncentraciju upravo standardizirane matične otopine. To je dokumentirano u istraživanjima adsorpcije na membranama i vrijedi imati na umu kad god su filtriranje ili provjera koncentracije dio metode. Ako filtrirana matična otopina mora imati certificiranu koncentraciju, provjerite koncentraciju nakon filtriranja, a ne prije njega.

Pripremljene otopine čuvajte zaštićene od jakog svjetla u smeđim ili neprozirnim bocama na sobnoj temperaturi te ih označite nazivom otopljene tvari, osnovom izražavanja s obzirom na hidrat, koncentracijom, otapalom, datumom i imenom osobe koja ih je pripremila. Fotobijeđenje pri dugotrajnom osvjetljenju poznat je put razgradnje, pa prozorske klupčice i osvijetljeni hladnjaci nisu prikladna mjesta za čuvanje, iako bojilo izgleda stabilno. Očekivana stabilnost i intervali ponovnog ispitivanja obrađuju se u smjernicama za čuvanje i stabilnost pripremljenih otopina, ali kao praktično pravilo analitičke matične otopine treba pripremati svježe ili ponovno provjeravati, umjesto da im se neograničeno vjeruje.

Pri rukovanju prahom i koncentriranim matičnim otopinama upotrebljavajte rukavice, zaštitu za oči, laboratorijsku kutu i zaštitnu podlogu za radnu površinu, uz sekundarne spremnike za zadržavanje mogućeg izlijevanja iz boca. Bojilo brzo ostavlja mrlje na koži, odjeći, radnim površinama i plastici, a sigurnosno-tehnički listovi dobavljača klasificiraju prah kao štetan ako se proguta te nadražujući za oči i kožu, ovisno o razredu kvalitete. Potpune mjere opreza obrađuju se u praksama sigurnog rukovanja i čuvanja, ali sprječavanje neželjenog bojenja samo je po sebi mjera kvalitete: ostaci bojila na staklenom posuđu i pipetama izvor su unakrsne kontaminacije pri analizi tragova.

Napomena o razredu kvalitete

Za kupelji za bojenje i demonstracije prikladan je svaki čist materijal laboratorijskog razreda kvalitete pripremljen u odgovarajućoj koncentraciji. Za kvantitativni ili usporedni rad razred kvalitete važan je jer se nečistoće razlikuju: ostaci Azure B i srodnih tiazina, teški metali, ostaci otapala i mikrobno opterećenje. Zato je odabir razreda kvalitete potkrijepljenog potpunim certifikatom analize dio pripreme otopine, a ne naknadna briga. Potpuna dokumentacija serije navodi identitet, sadržaj s osnovom na kojoj je izražen, udio vode i skup nečistoća koje su stvarno ispitane, pa se korekcija za hidrat u prethodnim primjerima temelji na izmjerenim vrijednostima umjesto na pretpostavci nominalnog trihidrata. Kada dvije serije iz iste odvagane mase daju različite koncentracije, certifikat obično objašnjava zašto.