Supòsit 29

La preparació de dissolucions de concentració coneguda és una destresa bàsica de tot laboratori de Química i el punt de partida de les valoracions àcid-base, la espectrofotometria o els estudis de cinètica. Aquesta pràctica integra les dues vies complementàries de treball —la pesada d'un solut sòlid i la dilució d'una dissolució mare— amb l'aplicació rigorosa de les normes de seguretat i de l'etiquetatge CLP, el marc legal vigent per a la classificació i l'envasament de productes químics.

Enunciat

Al laboratori es disposa d'hidròxid de sodi (NaOH) en llenties, aigua destil·lada i el material de vidre habitual. L'objectiu és doble: dominar el càlcul de la massa de solut i del volum de dissolució mare necessaris, i reconéixer i aplicar l'etiquetatge de seguretat d'un reactiu corrosiu.

Es demana:

• a) Preparar $250\ \mathrm{mL}$ de dissolució de NaOH de concentració $0{,}100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ a partir del sòlid.
• b) A partir de l'anterior, preparar $100\ \mathrm{mL}$ de dissolució $0{,}0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$ per dilució.
• c) Identificar els pictogrames i les frases de l'etiquetatge CLP del NaOH i aplicar les mesures de seguretat corresponents.

Material i instruments. Granatari (sensibilitat $0{,}01\ \mathrm{g}$), vidre de rellotge i espàtula; matrassos aforats de $250\ \mathrm{mL}$ i $100\ \mathrm{mL}$ (classe A); pipeta aforada de $10\ \mathrm{mL}$ amb pipetejador; got de precipitats, vareta, embut i flascó rentador. Equip de protecció individual (EPI): bata, guants de nitril i ulleres de seguretat.

Desenvolupament

Fonament teòric

La molaritat relaciona la quantitat de solut $n$ (en mol) amb el volum de dissolució $V$ (en litres):

$$C = \frac{n}{V}, \qquad n = \frac{m}{M_m}$$

D'ací s'aïlla la massa de solut que cal pesar, sent $M_m$ la massa molar:

$$m = C \cdot V \cdot M_m$$

Per al NaOH, $M_m = 40{,}0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$ (Na $23{,}0$ + O $16{,}0$ + H $1{,}0$). Amb les dades de l'apartat a):

$$m = 0{,}100 \cdot 0{,}250 \cdot 40{,}0 = 1{,}00\ \mathrm{g}$$

En una dilució la quantitat de solut es conserva, $n_1 = n_2$, d'on resulta la equació fonamental $C_1 V_1 = C_2 V_2$. El volum de dissolució mare que cal prendre en l'apartat b) és:

$$V_1 = \frac{C_2 V_2}{C_1} = \frac{0{,}0100 \cdot 100{,}0}{0{,}100} = 10{,}0\ \mathrm{mL}$$

Etiquetatge CLP i seguretat

L'envàs del NaOH porta el pictograma GHS05 (corrosió): un rombe blanc de vora roja amb la imatge d'un líquid atacant una mà i una superfície. La paraula d'advertència és «Perill». Les indicacions de perill rellevants són H314 (provoca cremades greus a la pell i lesions oculars greus) i H290 (pot ser corrosiu per als metalls). Entre els consells de prudència figuren P280 (portar guants i ulleres de protecció), P305+P351+P338 (en cas de contacte amb els ulls, esbaldir amb aigua durant diversos minuts) i P310 (cridar immediatament un centre de toxicologia). La dissolució del NaOH és fortament exotèrmica, per la qual cosa el solut s'afig sobre l'aigua i mai al revés.

Muntatge i procediment

1. Posar-se l'EPI i treballar sobre una safata.
2. Tarar el vidre de rellotge i pesar aproximadament $1{,}00\ \mathrm{g}$ de NaOH; fer-ho amb rapidesa, ja que és higroscòpic.
3. Dissoldre el sòlid en un got amb uns $50\ \mathrm{mL}$ d'aigua destil·lada, agitant amb la vareta. Esperar que la dissolució es tempere.
4. Transvasar al matràs de $250\ \mathrm{mL}$ amb embut, arrossegant les restes del got i de la vareta amb diversos esbaldits d'aigua destil·lada.
5. Enrasar amb el flascó rentador fins a la línia d'aforament (menisc tangent) i homogeneïtzar per inversió. Etiquetar: NaOH $0{,}100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$, data, autor i pictograma.
6. Per a la dilució, pipetejar $10{,}0\ \mathrm{mL}$ d'eixa dissolució amb pipeta aforada i pipetejador, abocar-los al matràs de $100\ \mathrm{mL}$, enrasar, homogeneïtzar i etiquetar com a $0{,}0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$.

Tractament de dades i errors

Suposem que es pesa una massa $m = 1{,}00\ \mathrm{g}$ amb una incertesa $u_m = 0{,}01\ \mathrm{g}$ (sensibilitat del granatari) i que el matràs de $250\ \mathrm{mL}$ de classe A té una tolerància $u_V = 0{,}12\ \mathrm{mL}$. La incertesa de la massa molar és menyspreable davant de les anteriors. La concentració obtinguda és:

$$C = \frac{m}{M_m \cdot V} = \frac{1{,}00}{40{,}0 \cdot 0{,}2500} = 0{,}100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$$

En tractar-se d'un producte i un quocient, les incerteses relatives es combinen en quadratura:

$$\frac{u_C}{C} = \sqrt{\left(\frac{u_m}{m}\right)^2 + \left(\frac{u_V}{V}\right)^2} = \sqrt{(0{,}0100)^2 + (0{,}00048)^2} = 0{,}0100$$

El terme del volum és dos ordres de magnitud menor que el de la massa: la precisió de la balança domina el resultat i la del matràs aforat és pràcticament irrellevant. La incertesa absoluta és $u_C = 0{,}0100 \cdot 0{,}100 = 0{,}001\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$. Arredonint la incertesa a una xifra significativa i el valor al seu mateix ordre decimal:

$$C = (0{,}100 \pm 0{,}001)\ \mathrm{mol\,L^{-1}} \qquad (\varepsilon_r \approx 1{,}0\,\%)$$

Per a la dissolució diluïda, $C_2 = C_1 \cdot (V_1/V_2) = 0{,}0100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$. La seua incertesa hereta la de $C_1$ ($1{,}0\,\%$) i hi afig la de la pipeta ($0{,}02/10{,}0 = 0{,}2\,\%$) i la del matràs de $100\ \mathrm{mL}$ ($0{,}10/100 = 0{,}1\,\%$):

$$\frac{u_{C_2}}{C_2} = \sqrt{(0{,}0100)^2 + (0{,}0020)^2 + (0{,}0010)^2} = 0{,}0103$$

de manera que $C_2 = (0{,}0100 \pm 0{,}0001)\ \mathrm{mol\,L^{-1}}$. La dilució, per tant, a penes empitjora la incertesa relativa: continua manant la pesada inicial.

Comentari didàctic

La pràctica encaixa en 2.º de Batxillerat (Química) i admet una versió introductòria i qualitativa a 3.º-4.º d'ESO. Desenvolupa la competència STEM i les destreses de treball experimental: maneig de la balança i del material aforat, càlcul estequiomètric, propagació d'incerteses i lectura de l'etiquetatge de seguretat.

Entre els errors i precaucions típics convé anticipar: confondre la molaritat amb la molalitat o amb el percentatge en massa; enrasar malament per error de paral·laxi o per llegir sobre el menisc; i oblidar l'EPI o no saber interpretar els pictogrames. Un matís de fons, honest amb l'alumnat, és que el NaOH no és un patró primari: en ser higroscòpic capta humitat i diòxid de carboni de l'aire, formant carbonat,

$$2\,\text{NaOH} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O}$$

per la qual cosa la seua concentració real difereix de la nominal. Preparar bé una dissolució no garanteix una concentració exacta; en anàlisi quantitativa la dissolució s'ha de estandarditzar davant d'un patró primari, com l'hidrogenoftalat de potassi. Reconéixer aquesta limitació —i no presentar la dada com a infal·lible— és part del rigor científic que s'espera mostrar en l'exercici.