Come diluire le soluzioni In laboratorio

Tramite: O2O
Difficoltà: facile
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Introduzione

Spesso sarà capitato durante le sperimentazioni o le analisi in laboratorio di dover preparare una nuova soluzione partendo da una soluzione madre di partenza o da una più concentrata del necessario. Il principio delle soluzioni chimiche trova applicazione in molti campi anche del quotidiano, dai cocktail al detersivo per i pavimenti, ma in laboratorio non si possono fare le cose a occhio come nella vita di tutti i giorni. Se per le applicazioni quotidiane il numero di solventi e soluti è piuttosto limitato ed è poco probabile il rischio di incidenti, in laboratorio le regole sono differenti e molto più stringenti. Nei passaggi successivi di questa guida ci occuperemo di illustrare come farlo in modo semplice, sia che si parli di concentrazione molare che di concentrazione percentuale. La diluizione è il processo mediante il quale si ricava una soluzione meno concentrata a partire da un'altra detta madre, o da una polvere. Ci sono molte ragioni per cui può essere necessario effettuare una diluizione sia per facilitare reazioni per permettere la trasmissione di energia al soluto, ad esempio tramite un riscaldatore o per rendere meno aggressiva o più facile da trattare una sostanza in fase di analisi, ma questo esula dallo scopo di questa guida. La formula appropriata per calcolare una diluizione è estremamente semplice C1*V1 = C2*V2, dove C1 e C2 rappresentano le concentrazioni che possono essere molari o percentuali rispettive delle soluzioni iniziale e finale, e V1 e V2 rappresenta i loro volumi espressi di solito in multipli o sottomultipli di litri oppure di centimetri cubi. Vediamo dunque come bisogna procedere a livello teorico per diluire le soluzioni in laboratorio.

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Occorrente

  • calcolatrice, matracci, pipette, solvente, soluzione madre
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Diluizione e concentrazione

In chimica si dice "diluizione" un'operazione unitaria in cui si prepara una soluzione seguendo un procedimento ben specifico dipendente dai soluti in gioco. Per unitaria in ingegneria chimica si intende una trasformazione fisica all'interno di un impianto chimico e può interessare uno o più fenomeni di trasporto allo stesso tempo. Esistono due tipologie di diluizione a seconda delle condizioni iniziali: la prima che parte dalle polveri o dal secco, mentre la seconda che prevede già un soluto parziale. Nel primo caso si scioglie un soluto in un solvente appropriato, nel secondo invece si aggiunge solvente ad una soluzione già esistente. Nel primo caso il calcolo della concentrazione è immediato perché basta pesare il soluto e determinare peso e volume del solvente. Se si sta compiendo la seconda operazione, la soluzione che riceve il solvente è detta "soluzione madre", e la diluizione provoca un aumento in volume totale e al tempo stesso ovviamente l'abbassamento della concentrazione del soluto. Naturalmente esiste un processo inverso alla diluizione e si chiama concentrazione, ma può essere particolarmente complesso e richiedere apparecchiature specifiche e condizioni particolari per essere messo in pratica. Per concentrare un soluto di solito non si può agire per via meccanica e si provvede invece alla distillazione e all'evaporazione forzata.
Le operazioni di diluizione in laboratorio sono invece relativamente semplici da fare con le opportune attrezzature.
Per effettuare una diluizione si impiega tipicamente un sistema di laboratorio basato sull'uso di strumenti specifici detti rispettivamente pipetta e matraccio. Con la pipetta calibrata si preleva un certo volume di soluzione madre e la si deposita nel matraccio, che è un contenitore in vetro speciale con un collo molto allungato ed un'ampolla di varia forma alla base, dove sarà poi possibile aggiungere una quantità opportuna di solvente sempre tramite un contenitore calibrato, per poter regolare con precisione il volume. Il passo successivo, una volta effettuati i calcoli con precisione consiste nell'aggiungere gradualmente il solvente nel matraccio e favorire il mescolamento con vari mezzi, non ultimo semplicemente agitandolo o aiutandosi con un bastoncino di vetro temprato.
In questo caso il dato di base che ci occorre per proseguire è la concentrazione della soluzione madre che deve essere ricavato a parte con mezzi sperimentali appositamente studiati oppure essere già noto in fase di preparazione.

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Calcolo di diluizione

La soluzione madre presenterà un certo grado di diluizione che è dichiarato in etichetta in fase di preparazione come concentrazione, ad esempio 5x che significa che la concentrazione è cinque volte di più rispetto al necessario, oltre ad informazioni relative al tipo di solvente che spesso, ma non necessariamente è acqua distillata. Il primo passaggio concettuale quindi è quello di riportare la concentrazione ad 1x per poi partire da li per arrivare al risultato finale che di solito è espresso come percentuale. Individuata il solvente già presente nella soluzione madre si deve aggiungerne dell'altro tramite un imbuto, se possibile ed in una proporzione che va calcolata con una certa precisione. Si dovrebbe evitare di mescolare solventi differenti per non avere reazioni incrociate che alterano gli esiti della prova in corso. Dal punto di vista del calcolo matematico spicciolo, per cominciare si devono inserire i valori nella semplice formula:

C1*V1 = C2*V2.

In questa relazione, C1 sta a indicare la concentrazione della soluzione percentuale oppure molare di partenza, V1 indica il suo volume, C2 indica la concentrazione della soluzione finale, e V2 indica il suo volume.
Per praticità di calcolo la relazione può anche scriversi come:

C1/C2=V2/V1

Con questa relazione si capisce meglio il fatto che volume (espresso in litri o centimetri cubi) e concentrazione (moli su volume o percentuale rispetto al volume) sono grandezze inversamente proporzionali fra loro.
Non fa male ricordare che è sempre consigliabile l'impiego di sistemi di misura omogenei e quindi se necessario si deve perdere un po' di tempo a convertire la molarità in percentuale o viceversa a seconda delle esigenze dell'esperimento.
A questo punto avendo ottenuto la soluzione 1x possiamo iniziare a diluire ulteriormente fino ad ottenere la concentrazione di interesse con un'operazione matematica prima e pratica poi del tutto analoghe alle precedenti. L'ipotesi di fondo che si deve fare in caso di diluizione è che la soluzione deve restare all'equilibrio ovvero sia che le specie chimiche o le molecole presenti non subiscano statisticamente alterazioni legate a reazioni intermedie. Ovviamente se diluiamo HCl in H20 ci aspettiamo di trovare "in media" delle molecole di acido cloridrico e non altri composti. Deve essere noto che molti equilibri chimici sono di tipo dinamico e che quindi le concentrazioni delle molecole saranno disponibili sono "in media temporale". Le leggi chimiche generali che regolano le diluizioni sono quella di Raoult e quella di Henry, ed in particolare la seconda è molto utile perché tratta specificatamente delle soluzioni in cui la concentrazione del soluto è molto bassa, che sono tipiche negli impieghi di laboratorio.

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Precauzioni

Quando si ha a che fare con soluzioni chimiche, specie se concentrate, si deve avere un'idea di ben precisa dei comportamenti e dei rischi legati ai reagenti, perché spesso le specie chimiche diventano pericolose al di sopra di una data concentrazione, e quindi anche qualcosa di innocuo nella vita di ogni giorno se concentrato può essere causa di ustioni ed intossicazioni anche gravi. Di norma le soluzioni madri devono riportare il loro grado di concentrazione e le indicazioni di pericolosità. In generale è buona norma operare sempre con le apposte protezioni, come occhiali, camice e guanti, e se necessario aggiungere anche protezioni più specifiche durante le operazioni. Alcune specie chimiche tendono ad essere moto reattive nelle fasi di diluizione, soprattutto perché i preparati a volte devono essere prodotti a temperature non ordinarie per permettere il meccanismo di soluzione. Molti soluti tendono anche ad avere un comportamento aggressivo con produzione di gas e schizzi che rischiano di essere molto pericolosi, soprattutto se il solvente non è puro al 100% e se le concentrazioni sono abbastanza elevate. Si ricorda che le apparecchiature in vetro temprato speciale e plastica devono essere pulite per questioni di sicurezza per eliminare le tracce di contaminanti reattivi e che è spesso opportuno l'impiego di matracci che per via del collo stretto e molto allungato consentono un buon grado di isolamento dalle eventuali reazioni indesiderate e dagli schizzi improvvisi.

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