Розчинність метиленового синього у воді та приготування розчину з порошку

Двоє лаборантів готують із порошку розчин метиленового синього концентрацією 1 відсоток. Один зважує 1.00 грам і доводить об’єм у колбі до 100 mL. Другий зважує 1.00 грам, додає його до 100 mL води й вважає роботу завершеною. Третій лаборант зважує 1.00 грам з іншої партії та отримує вимірювано іншу концентрацію. Усі три пляшки мають однакові етикетки. Вміст жодної з них не цілком відповідає напису, а відмінності зумовлені трьома поняттями, які легко сплутати: скільки речовини може розчинити розчинник, чим насправді є зважений порошок і що саме означає відсоток.

Цей посібник стосується лише приготування лабораторних розчинів: барвників, індикаторів, вихідних аналітичних розчинів і робочих розведень. Це не рецепт ліків для перорального чи ін’єкційного застосування, а наведені тут концентрації не слід трактувати як дози.

Що визначає розчинність, а чого — ні

Розчинність метиленового синього у воді висока як для барвника. У записі PubChem про метиленовий синій наведено значення близько 43.6 грама на літр за 25 C, що дорівнює 4.36 грама на 100 mL, або 4.36 відсотка w/v. Незалежне дослідження рівноважної розчинності за тієї самої температури дало результат 43.21 g/L і підтвердило попереднє значення в межах експериментальної похибки.

Це верхня межа, а не цільове значення. Вихідний розчин концентрацією 1 відсоток містить 10 g/L — менше чверті цієї межі. Вихідний розчин концентрацією 0.1 відсотка містить 1 g/L — приблизно одну сорокову від неї. Якщо після належного перемішування за кімнатної температури в розчині концентрацією 1 відсоток залишаються тверді частинки, причина майже ніколи не полягає в межі розчинності. Зазвичай це неповне змочування, холодна вода, грудочки порошку, яким потрібно більше часу, або неправильно ідентифікована розчинена речовина. Тепла вода й перемішування усувають більшість таких проблем. Якщо розчин нагрівали, перед доведенням до кінцевого об’єму дайте колбі охолонути до температури, за якої її калібровано.

Розчинність в інших розчинниках нижча, а значення в різних джерелах менш узгоджені, частково через відмінності в гідратній формі досліджуваного матеріалу. Вода залишається стандартним розчинником для звичайних лабораторних вихідних розчинів. Етанол розчиняє барвник, але вміщує його значно менше, ніж вода; хлороформ також його розчиняє, піридин — лише незначною мірою, а діетиловий етер — практично не розчиняє. У серіях вимірювань розчинність в ацетоні та етилацетаті значно нижча, ніж у воді. Для роботи з неводними розчинами сприймайте будь-яке довідкове значення як початкову оцінку та перевіряйте його на фактичній партії, а не використовуйте як граничну концентрацію для приготування. Практичний висновок простий: якщо мета — водний розчин із визначеною концентрацією не вище 1 відсотка, вода забезпечує великий запас до межі розчинності.

Порошок буває різним

Порошок метиленового синього, який продають для лабораторного використання, є хлоридною сіллю з водою в кристалічній ґратці, причому кількість цієї води варіюється. Безводний іон має молекулярну масу 319.85 g/mol. Для часто згадуваного тригідрату вона становить 373.90 g/mol, а для пентагідрату — 409.93 g/mol; ці значення наведені в даних монографії USP, узагальнених у записі PubChem.

На комерційних упаковках часто зазначено «тригідрат», CAS 7220-79-3, проте дослідження твердого стану показали, що фактичний матеріал може бути пентагідратом, частковим гідратом приблизно з 2.2 молекулами води, дигідратом або моногідратом; у деяких дослідженнях окремої кристалічної фази тригідрату не виявлено. Барвник також гігроскопічний, тому вміст води у відкритій упаковці з часом змінюється. Для якісного забарвлення це майже не має значення. Для кількісної аналітичної роботи це дуже важливо, тому в настановах щодо інтерпретації вмісту основної речовини та води в сертифікаті аналізу документ на партію має пріоритет над словом «тригідрат» на лицьовій етикетці.

Звідси випливають два способи внесення поправки, і застосовувати слід лише один із них. Якщо сертифікат містить дані про вміст основної речовини та води або втрату маси під час висушування, використовуйте ці значення безпосередньо. Якщо даних сертифіката немає, а концентрацію потрібно виразити в перерахунку на безводну речовину, застосуйте теоретичний коефіцієнт для гідрату: 373.90 поділити на 319.85, тобто 1.169, для номінального тригідрату, і 409.93 поділити на 319.85, тобто 1.282, для номінального пентагідрату. Не застосовуйте обидві поправки одночасно. Так ви врахуєте воду двічі.

Що означає відсоток

Відсоток w/v означає кількість грамів зазначеної розчиненої речовини на 100 mL кінцевого розчину, а не на 100 mL вихідної води. Отже, 1 відсоток w/v — це 1.000 g на 100 mL кінцевого розчину, що дорівнює 10 mg/mL або 10 g/L. Розчин концентрацією 0.1 відсотка містить 0.100 g на 100 mL кінцевого розчину, тобто 1 mg/mL. Поширене ототожнення 1 відсотка з 1 mg/mL призводить до десятикратної помилки, тому варто перевіряти кожну етикетку на її наявність.

Друга частина визначення — уточнення розчиненої речовини. Розчин концентрацією 1 відсоток за масою зваженого порошку тригідрату та розчин концентрацією 1 відсоток у перерахунку на безводну речовину — це різні розчини. У наведених нижче прикладах щоразу зазначено і кінцевий об’єм, і основу вираження концентрації. Саме ця звичка запобігає описаній вище ситуації з трьома лаборантами.

Приклади приготування із зазначенням припущень щодо гідрату

У всіх прикладах передбачається використання чистого порошку зазначеного гідрату та води як розчинника за кімнатної температури. Для інших об’ємів змінюйте кількості пропорційно.

Приклад A: 100.0 mL розчину концентрацією 1 відсоток w/v за масою зваженого тригідрату. Зважте 1.000 g тригідрату метиленового синього. Додайте приблизно 70 mL очищеної води, перемішуйте мішалкою або круговими рухами до повного розчинення, кількісно перенесіть у мірну колбу на 100.0 mL із промиванням, потім додайте воду до позначки. Розчиненою речовиною є сам тригідрат, тому поправка на молекулярну масу не потрібна. Результат: 1.000 g на 100.0 mL кінцевого розчину, або 10 mg/mL за масою зваженого порошку.

Приклад B: 100.0 mL розчину концентрацією 1 mg/mL у перерахунку на безводну речовину, з номінального тригідрату. Мета — 100.0 mg безводного метиленового синього в 100.0 mL кінцевого розчину. Помножте на 1.169, щоб урахувати три молекули води: 100.0 mg помножити на 1.169 дорівнює 116.9 mg. Зважте 116.9 mg номінального тригідрату, розчиніть приблизно в 70 mL води та доведіть кінцевий об’єм до 100.0 mL у мірній колбі. Для номінального пентагідрату коефіцієнт становить 1.282, тому для тієї самої цільової концентрації потрібно 128.2 mg. Зазначте на етикетці, який коефіцієнт використано.

Приклад C: розведення метиленового синього з вихідного розчину концентрацією 1 відсоток до 0.1 відсотка. Використовуйте співвідношення C1V1 дорівнює C2V2. Щоб приготувати 100.0 mL розчину концентрацією 0.1 відсотка з вихідного розчину концентрацією 1.0 відсотка, потрібний об’єм вихідного розчину становить 0.1 помножити на 100.0 і поділити на 1.0, тобто 10.0 mL. Піпеткою перенесіть 10.0 mL вихідного розчину концентрацією 1 відсоток у колбу на 100.0 mL і додайте воду до позначки. Для аналітиків, які віддають перевагу одиницям маси: 1 відсоток — це 10 mg/mL, тому 10.0 mL містить 100 mg, а 100 mg у 100.0 mL кінцевого розчину — це 1 mg/mL, тобто 0.1 відсотка.

Приклад D: 1.000 L робочого розчину концентрацією 10 mg/L із вихідного розчину концентрацією 1 mg/mL. Вихідний розчин концентрацією 1 mg/mL має концентрацію 1000 mg/L. Потрібний об’єм становить 10 помножити на 1.000 і поділити на 1000, тобто 0.0100 L, або 10.0 mL. Піпеткою відберіть 10.0 mL вихідного розчину та розведіть водою до кінцевого об’єму 1.000 L. Якщо використовувати вихідний розчин концентрацією 1 відсоток, тобто 10,000 mg/L, для тієї самої цільової концентрації потрібно лише 1.00 mL, доведеного до 1.000 L. Коли коефіцієнт розведення перевищує приблизно сто, послідовне розведення у два етапи забезпечує кращу точність, ніж одноразове перенесення мікролітрового об’єму.

Кожен із цих описів є повним лише тому, що містить три відомості: зважену масу з припущенням щодо гідрату, кінцевий об’єм розчину та основу вираження зазначеної концентрації. Запис у лабораторному журналі, де бракує хоча б однієї з них, неможливо точно відтворити.

Порядок дій, що запобігає типовим помилкам

Спочатку розчиніть порошок в об’ємі, меншому за кінцевий, а потім доведіть до потрібного об’єму. Додавання порошку безпосередньо до повного кінцевого об’єму води дає розчин, загальний об’єм якого перевищує потрібну позначку, а концентрація виходить заниженою. Промийте хімічний стакан, переносячи промивні води в колбу, щоб у ньому не залишилося барвника; інтенсивне забарвлення робить невеликі втрати помітними, і це перевага, якщо вона спонукає до кількісного перенесення.

Перед доведенням до потрібного об’єму перемішуйте до повного зникнення частинок і перевіряйте розчин на світло. Фільтруйте лише тоді, коли цього вимагає методика. Метиленовий синій адсорбується на деяких мембранних матеріалах, тому фільтрування може знизити концентрацію щойно стандартизованого вихідного розчину. Це задокументовано в дослідженнях мембранної адсорбції, і про це варто пам’ятати щоразу, коли фільтрування або перевірка концентрації є частиною методики. Якщо фільтрований вихідний розчин повинен мати підтверджену концентрацію, перевіряйте її після фільтрування, а не до нього.

Зберігайте приготовлені розчини за кімнатної температури, захищаючи від інтенсивного світла, у пляшках із бурштинового скла або непрозорих пляшках. На етикетці зазначайте розчинену речовину, гідратну основу розрахунку, концентрацію, розчинник, дату та особу, яка приготувала розчин. Фотовицвітання за тривалого освітлення — відомий шлях деградації, тому підвіконня та освітлені холодильники непридатні для зберігання, навіть якщо барвник виглядає стабільним. Очікувана стабільність та інтервали повторних перевірок розглядаються в настановах щодо зберігання та стабільності приготовлених розчинів, але практичне правило таке: вихідні аналітичні розчини слід готувати заново або повторно перевіряти, а не покладатися на них безстроково.

Працюйте з порошком і концентрованими вихідними розчинами в рукавичках, із захистом очей, у лабораторному халаті та із захисним покриттям робочої поверхні; для пляшок використовуйте вторинні ємності для утримання можливих проливів. Барвник швидко забарвлює шкіру, одяг, робочі поверхні та пластмаси, а в паспортах безпеки постачальників порошок класифікують як шкідливий у разі ковтання та, залежно від марки, як такий, що подразнює очі й шкіру. Повний перелік запобіжних заходів наведено в рекомендаціях із безпечного поводження та зберігання, проте запобігання небажаному забарвленню саме по собі є заходом забезпечення якості: сторонній барвник на лабораторному посуді та піпетках є джерелом перехресного забруднення під час аналізу слідових кількостей.

Примітка щодо марки чистоти

Для фарбувальних ванн і демонстрацій підходить будь-яка чиста лабораторна марка, якщо розчин приготовлено з правильною концентрацією. Для кількісної або порівняльної роботи марка має значення, оскільки домішки відрізняються: залишковий Azure B і споріднені тіазини, важкі метали, залишкові розчинники та мікробне навантаження. Саме тому вибір марки, підтвердженої повним сертифікатом аналізу, є частиною підготовки до приготування розчину, а не другорядним питанням. Повний документ на партію містить дані про ідентичність речовини, вміст основної речовини із зазначенням основи його вираження, вміст води та перелік домішок, які фактично перевіряли. Це дає змогу для поправки на гідрат у наведених вище прикладах використовувати виміряні значення замість припущення про номінальний тригідрат. Коли дві партії дають різні концентрації за однакової зваженої маси, сертифікат зазвичай пояснює причину.