Độ tan của xanh methylen trong nước và cách pha dung dịch từ bột

Hai kỹ thuật viên, mỗi người pha một dung dịch xanh methylen 1 phần trăm từ bột. Người thứ nhất cân 1.00 gam rồi định mức trong bình đến 100 mL. Người thứ hai cân 1.00 gam, cho vào 100 mL nước và xem như đã xong. Kỹ thuật viên thứ ba cân 1.00 gam từ một lô khác và thu được nồng độ khác biệt có thể đo được. Cả ba chai đều được ghi nhãn giống nhau. Không chai nào có thành phần hoàn toàn đúng như nhãn ghi, và những khác biệt này bắt nguồn từ ba khái niệm dễ bị nhầm lẫn: dung môi có thể hòa tan bao nhiêu, bột đã cân thực chất là gì và phần trăm được tính theo cơ sở nào.

Hướng dẫn này chỉ đề cập đến pha chế trong phòng thí nghiệm: dung dịch nhuộm, chất chỉ thị, dung dịch gốc dùng cho phân tích và dung dịch làm việc pha loãng. Đây không phải công thức pha thuốc uống hoặc thuốc tiêm, và không được hiểu các nồng độ trong bài là liều dùng.

Độ tan quyết định điều gì và không quyết định điều gì

So với các chất màu, xanh methylen có độ tan trong nước cao. Hồ sơ hợp chất xanh methylen trên PubChem ghi nhận khoảng 43.6 gam trên lít ở 25 C, tương đương 4.36 gam trên 100 mL, hay 4.36 phần trăm w/v. Một nghiên cứu độc lập về cân bằng hòa tan ở cùng nhiệt độ đo được 43.21 g/L và xác nhận giá trị trước đó trong phạm vi sai số thực nghiệm.

Con số đó là giới hạn trên, không phải mục tiêu. Dung dịch gốc 1 phần trăm tương ứng 10 g/L, thấp hơn một phần tư giới hạn trên. Dung dịch gốc 0.1 phần trăm tương ứng 1 g/L, khoảng một phần bốn mươi giới hạn đó. Nếu dung dịch pha ở 1 phần trăm vẫn còn chất rắn sau khi trộn đúng cách ở nhiệt độ phòng, nguyên nhân hầu như không bao giờ là giới hạn độ tan. Thường đó là do bột chưa được thấm ướt hoàn toàn, nước lạnh, các cục bột cần thêm thời gian hoặc chất tan đã bị xác định nhầm. Nước ấm và khuấy trộn giải quyết được phần lớn các vấn đề này. Nếu có gia nhiệt, hãy để bình trở về nhiệt độ hiệu chuẩn trước khi định mức đến thể tích cuối cùng.

Độ tan trong các dung môi khác thấp hơn và ít nhất quán hơn giữa các nguồn tài liệu, một phần do trạng thái hydrat của vật liệu được thử nghiệm khác nhau. Nước vẫn là dung môi tham chiếu cho các dung dịch gốc thông thường trong phòng thí nghiệm. Ethanol hòa tan được chất màu này nhưng lượng hòa tan thấp hơn đáng kể so với nước; chloroform cũng hòa tan được, pyridin chỉ hòa tan ít, còn diethyl ether về cơ bản không hòa tan được. Trong các loạt phép đo, aceton và ethyl acetat có độ tan thấp hơn nhiều so với nước. Khi làm việc với hệ không chứa nước, hãy xem mọi số liệu trong sổ tay là ước tính ban đầu và kiểm chứng bằng chính lô vật liệu đang dùng, thay vì coi đó là giới hạn pha chế. Ý nghĩa thực tế rất đơn giản: nếu mục tiêu là nồng độ xác định trong nước ở mức 1 phần trăm hoặc thấp hơn, nước cung cấp khoảng dư lớn so với giới hạn độ tan.

Bột không chỉ có một dạng

Bột xanh methylen bán để dùng trong phòng thí nghiệm là muối clorid có nước trong mạng tinh thể, và lượng nước này thay đổi. Ion khan có khối lượng phân tử 319.85 g/mol. Dạng trihydrat thường được trích dẫn có khối lượng phân tử 373.90 g/mol, còn dạng pentahydrat là 409.93 g/mol; các giá trị này được liệt kê trong dữ liệu chuyên luận USP được tóm tắt cùng hồ sơ PubChem.

Các chai thương mại thường ghi nhãn trihydrat, CAS 7220-79-3, nhưng nghiên cứu trạng thái rắn cho thấy vật liệu thực tế có thể là pentahydrat, dạng hydrat không hoàn toàn với khoảng 2.2 phân tử nước, dihydrat hoặc monohydrat; trong một số phân tích không thấy pha tinh thể trihydrat riêng biệt. Chất màu này cũng hút ẩm, nên hàm lượng nước trong chai đã mở thay đổi dần. Đối với nhuộm định tính, điều này hầu như không đáng kể. Với công việc phân tích định lượng, điều này rất quan trọng; vì vậy, hướng dẫn đọc hàm lượng định lượng và hàm lượng nước trên phiếu phân tích xem tài liệu của lô là căn cứ có giá trị hơn chữ trihydrat trên nhãn trước chai.

Từ đó có hai cách hiệu chỉnh, và mỗi lần chỉ nên dùng một cách. Nếu phiếu phân tích cung cấp hàm lượng định lượng và hàm lượng nước hoặc hao hụt khối lượng khi làm khô, hãy dùng trực tiếp các số liệu đó. Nếu không có dữ liệu trên phiếu phân tích và cần biểu thị nồng độ theo lượng tương đương dạng khan, hãy áp dụng hệ số hydrat lý thuyết: 373.90 chia cho 319.85, tức 1.169, cho dạng trihydrat danh định; và 409.93 chia cho 319.85, tức 1.282, cho dạng pentahydrat danh định. Không áp dụng cả hai cách hiệu chỉnh cùng lúc. Làm vậy sẽ tính lượng nước hai lần.

Phần trăm có nghĩa gì

Phần trăm w/v là số gam chất tan được chỉ định trong 100 mL dung dịch cuối cùng, không phải trong 100 mL nước ban đầu. Vì vậy, 1 phần trăm w/v là 1.000 g trong 100 mL dung dịch cuối cùng, tương đương 10 mg/mL hoặc 10 g/L. Dung dịch 0.1 phần trăm là 0.100 g trong 100 mL dung dịch cuối cùng, tương đương 1 mg/mL. Việc thường nhầm 1 phần trăm với 1 mg/mL tạo ra sai số gấp mười lần, và cần kiểm tra lỗi này trên mọi nhãn.

Nửa còn lại của định nghĩa là việc chỉ rõ chất tan. Dung dịch 1 phần trăm tính theo khối lượng bột trihydrat thực cân và dung dịch 1 phần trăm biểu thị theo lượng tương đương dạng khan là hai dung dịch khác nhau. Các ví dụ tính toán dưới đây luôn nêu cả thể tích cuối cùng lẫn cơ sở tính, một thói quen giúp tránh tình huống của ba kỹ thuật viên ở trên.

Các ví dụ pha chế có nêu rõ giả định về dạng hydrat

Tất cả ví dụ đều giả định bột tinh khiết ở dạng hydrat được nêu và dùng nước làm dung môi ở nhiệt độ phòng. Với thể tích khác, tăng hoặc giảm lượng theo tỷ lệ tuyến tính.

Ví dụ A: 100.0 mL dung dịch 1 phần trăm w/v, tính theo khối lượng trihydrat thực cân. Cân 1.000 g xanh methylen trihydrat. Thêm khoảng 70 mL nước tinh khiết, khuấy hoặc lắc xoay đến khi tan hoàn toàn, chuyển định lượng vào bình định mức 100.0 mL, tráng rửa và chuyển cả nước tráng vào bình, rồi thêm nước đến vạch. Chất tan là chính dạng trihydrat, nên không cần hiệu chỉnh theo khối lượng phân tử. Kết quả: 1.000 g trong 100.0 mL dung dịch cuối cùng, hay 10 mg/mL tính theo bột thực cân.

Ví dụ B: 100.0 mL dung dịch 1 mg/mL, tính theo lượng tương đương dạng khan, từ trihydrat danh định. Mục tiêu là 100.0 mg xanh methylen khan trong 100.0 mL dung dịch cuối cùng. Nhân với 1.169 để hiệu chỉnh cho ba phân tử nước: 100.0 mg nhân 1.169 bằng 116.9 mg. Cân 116.9 mg trihydrat danh định, hòa tan trong khoảng 70 mL nước và định mức đến thể tích cuối cùng 100.0 mL trong bình định mức. Với pentahydrat danh định, hệ số là 1.282, nên cùng mục tiêu đó cần 128.2 mg. Ghi hệ số đã dùng lên nhãn.

Ví dụ C: pha loãng xanh methylen từ dung dịch gốc 1 phần trăm xuống 0.1 phần trăm. Dùng C1V1 bằng C2V2. Để pha 100.0 mL dung dịch 0.1 phần trăm từ dung dịch gốc 1.0 phần trăm, thể tích dung dịch gốc cần dùng là 0.1 nhân 100.0 chia cho 1.0, tức 10.0 mL. Dùng pipet lấy 10.0 mL dung dịch gốc 1 phần trăm vào bình 100.0 mL và thêm nước đến vạch. Với người phân tích thích dùng đơn vị khối lượng: 1 phần trăm là 10 mg/mL, nên 10.0 mL chứa 100 mg, và 100 mg trong 100.0 mL dung dịch cuối cùng là 1 mg/mL, tức 0.1 phần trăm.

Ví dụ D: 1.000 L dung dịch làm việc 10 mg/L từ dung dịch gốc 1 mg/mL. Dung dịch gốc 1 mg/mL tương đương 1000 mg/L. Thể tích cần dùng là 10 nhân 1.000 chia cho 1000, tức 0.0100 L, hay 10.0 mL. Dùng pipet lấy 10.0 mL dung dịch gốc và pha loãng bằng nước đến thể tích cuối cùng 1.000 L. Với dung dịch gốc 1 phần trăm ở 10,000 mg/L, cùng mục tiêu đó chỉ cần 1.00 mL, định mức đến 1.000 L. Pha loãng nối tiếp qua hai bước cho độ chính xác tốt hơn so với một lần chuyển thể tích ở mức microlít khi tỷ lệ vượt khoảng một trăm.

Mỗi ví dụ trên chỉ là một mô tả đầy đủ vì chứa ba thông tin: khối lượng đã cân kèm giả định về dạng hydrat, thể tích cuối cùng của dung dịch và cơ sở tính nồng độ đã nêu. Một mục ghi trong sổ thí nghiệm thiếu bất kỳ thông tin nào trong ba thông tin này đều không thể được tái lập chính xác.

Quy trình tránh các sai sót thường gặp

Trước tiên hòa tan bột trong lượng nước ít hơn thể tích cuối cùng, rồi mới định mức. Cho bột trực tiếp vào lượng nước bằng toàn bộ thể tích cuối cùng sẽ tạo ra dung dịch có tổng thể tích vượt vạch dự kiến, khiến nồng độ thấp hơn yêu cầu. Tráng cốc và chuyển nước tráng vào bình để không còn chất màu sót lại; màu đậm giúp thấy được các hao hụt nhỏ, một lợi thế nếu nhờ đó việc chuyển định lượng được thực hiện đầy đủ.

Trộn đến khi không còn hạt rắn trước khi định mức, và kiểm tra bằng cách soi dưới ánh sáng. Chỉ lọc khi phương pháp yêu cầu. Xanh methylen hấp phụ lên một số vật liệu màng, nên việc lọc có thể làm giảm nồng độ của dung dịch gốc vừa được chuẩn hóa. Điều này đã được ghi nhận trong các nghiên cứu về hấp phụ lên màng và cần lưu ý mỗi khi phương pháp có bước lọc hoặc kiểm chứng nồng độ. Nếu dung dịch gốc sau lọc phải có nồng độ được chứng nhận, hãy kiểm chứng nồng độ sau khi lọc thay vì trước khi lọc.

Bảo quản dung dịch đã pha tránh ánh sáng mạnh, trong chai màu hổ phách hoặc chai không xuyên sáng ở nhiệt độ phòng, và ghi nhãn gồm chất tan, cơ sở tính theo dạng hydrat, nồng độ, dung môi, ngày pha và người pha. Phai màu do chiếu sáng liên tục là một cơ chế phân hủy đã được biết đến, nên bệ cửa sổ và tủ lạnh có đèn chiếu sáng là nơi bảo quản không phù hợp, dù chất màu trông có vẻ ổn định. Các kỳ vọng về độ ổn định và khoảng thời gian kiểm tra lại được trình bày trong hướng dẫn bảo quản và độ ổn định của dung dịch đã pha, nhưng nguyên tắc thực hành là nên pha mới hoặc kiểm chứng lại dung dịch gốc dùng cho phân tích thay vì tin cậy vô thời hạn.

Khi thao tác với bột và dung dịch gốc đậm đặc, hãy dùng găng tay, kính bảo hộ, áo choàng phòng thí nghiệm và tấm phủ bàn, đồng thời đặt chai trong dụng cụ chứa thứ cấp. Chất màu nhanh chóng làm bám màu lên da, quần áo, bàn và nhựa; phiếu dữ liệu an toàn của nhà cung cấp phân loại bột là có hại nếu nuốt phải và gây kích ứng mắt, da tùy theo cấp chất lượng. Các biện pháp phòng ngừa đầy đủ được trình bày trong thực hành thao tác và bảo quản an toàn, nhưng kiểm soát bám màu tự nó cũng là một biện pháp đảm bảo chất lượng: chất màu dính ngoài ý muốn trên dụng cụ thủy tinh và pipet là nguồn nhiễm chéo trong phân tích lượng vết.

Lưu ý về cấp chất lượng

Đối với bể nhuộm và thí nghiệm minh họa, bất kỳ vật liệu cấp phòng thí nghiệm sạch nào được pha đúng nồng độ đều đáp ứng được. Với công việc định lượng hoặc so sánh, cấp chất lượng rất quan trọng vì các tạp chất khác nhau: Azure B tồn dư và các thiazin liên quan, kim loại nặng, dung môi tồn dư và mức nhiễm vi sinh. Vì vậy, lựa chọn cấp chất lượng có phiếu phân tích đầy đủ là một phần của quá trình pha chế, không phải việc cân nhắc sau cùng. Tài liệu lô đầy đủ báo cáo định tính, hàm lượng định lượng cùng cơ sở tính, hàm lượng nước và danh mục tạp chất thực sự đã được kiểm tra, nhờ đó việc hiệu chỉnh hydrat trong các ví dụ trên dùng giá trị đo được thay vì giả định trihydrat danh định. Khi hai lô cho nồng độ khác nhau từ cùng khối lượng cân, phiếu phân tích thường giải thích được nguyên nhân.