BEZMYŚLNOŚĆ, CZYLI:   JAK UTRUDNIĆ SOBIE ŻYCIE PRZY MIANOWANIU ROZTWORÓW...

Mianowanie (doświadczalne wyznaczenie dokładnego stężenia) roztworu HCl polega na dokładnym odważeniu obliczonej porcji substancji podstawowej (tu: Na₂CO₃) i zmiareczkowaniu jej omawianym roztworem HCl w obecności odpowiedniego wskaźnika - i obliczeniu stężenia roztworu HCl.

Ze wstępnych F obliczeń wynika, że w typowych okolicznościach powinno się odważyć 0,1060 g Na₂CO₃. Aby ułatwić postępowanie, odważa się dziesięciokrotnie większą porcję (a więc 1,0600 g), i dzieli się ją za pomocą wcześniej skalibrowanej współmiernej pipety i kolby miarowej, na porcje po 1/10. Studenci popełniają cały szereg błędów, które nie tylko świadczą o bezmyślności, ale mogą wprowadzić ogromne błędy do wyników oznaczeń. Wielu osobom sprawia trudność zrozumienie, że można odważyć dowolną ilość Na₂CO₃, ale trzeba zrobić to z dokładnością 0,0001 g...

Po pierwsze: na wadze analitycznej można szybko dokonać ważenia pewnego przedmiotu z dokładnością do 0,0001 g, ale praktycznie niemożliwe jest odważenie z góry założonej ilości substancji z dokładnością do 0,0001 g. I nie jest to w ogóle potrzebne! Widzimy jednak często Studentów usiłujących wykonać tą niewykonalną czynność i blokujących przez wiele godzin dostęp do wagi dla innych osób (zawsze okazuje się, że nasypano odrobinę za dużo lub odrobinę za mało - jak w bajce o wronie i serze...). Bardzo trudne jest przekonanie ich, że odważyć trzeba jakąkolwiek ilość Na₂CO₃ w granicach:   1 - 1,1 g (ale oczywiście z dokładnością do 0,0001 g).

Pomyślmy... Jeśli postanowimy powtórzyć jeszcze raz mianowanie tego samego roztworu HCl odważając nową, nieco tym razem większą ilość Na₂CO₃ , to zużyjemy za drugim razem nieco większą objętość HCl, ale obliczone na końcu stężenie HCl musi być identyczne jak przy poprzednim mianowaniu. Bo jeśli mianujemy ponownie ten sam roztwór HCl - to wynik musi być przecież ten sam! Beznadziejna próba odważenia dokładnie 1,0600 g Na₂CO₃ jest więc tylko bezmyślnym marnotrawstwem czasu.

Kolejna nielogiczność dotyczy obliczeń. Studenci obliczają czasem stężenie molowe Na₂CO₃ aby podstawić je do magicznego wzoru F C₁V₁ = C₂V₂ . Tymczasem prawdziwa objętość kolby miarowej nie jest znana (podobnie jak pipety; klasa udostępnianych Studentom naczyń miarowych jest niewysoka - z powodów finansowych). Za pomocą takich niedokładnych przyrządów można jednak wykonać dokładne oznaczenie. Jeśli bowiem ustalimy wstępnie doświadczalnie współmierność kolby miarowej i pipety, to pobierając 1 objętość pipety roztworu z kolby, pobieramy dokładnie 1/10 ilości substancji umieszczonej i rozpuszczonej w kolbie. Przecież stechiometria polega na porównywaniu F ILOŚCI (LICZBY) MOLI reagentów, a nie ich STĘŻENIA MOLOWEGO. Jeśli to sobie uzmysłowimy, to będzie oczywiste, że odmierzony pipetą roztwór Na₂CO₃ można wlać do zlewki, w której znajduje się resztka czystej wody. Co prawda zmieni się w ten sposób STĘŻENIE substancji C₁, ale niezmieniona będzie jej ILOŚĆ C₁V₁.  Jeśli tak, to stawiam pytania kontrolne: 

• czy odważkę suchego Na₂CO₃ można wsypywać do kolby miarowej w której pozostała na dnie resztka wody? 

• czy można wlać mianowany roztwór HCl do biurety z resztką wody?

• czy można wystawić kolbę miarową do wydania zadania, jeśli w kolbie jest resztka wody? (przypominam, że celem oznaczenia jest ustalenie masy substancji wydanej do kolby. Po drodze trzeba jednak wyznaczać stężenia odczynników pomocniczych...)

Są to typowe dylematy 3/4 Studentów, którzy robią wrażenie bezradnych wobec tych problemów. Nagminny jest widok Studentów godzinami usiłującymi wysuszyć naczynie - gdy wcale tego robić nie trzeba... Okazuje się, że właściwe dydaktycznie prowadzenie obliczeń chemicznych ułatwia logiczne zrozumienie pomocniczych praktycznych czynności laboratoryjnych i uniknięcie błędów.

Niestety, praktyka dydaktyczna bywa szokująca. Jeden ze Studentów przynosił parokrotnie wyniki obarczone błędem tak znacznym, że poprosiłem w końcu o wypisanie na jednej kartce wszystkich kolejnych kroków: wielkość odważki Na₂CO₃, objętości zużytego HCl itd. Gdy ujrzałem: „1,0600 g Na₂CO₃” podchwytliwie spytałem: „jak długo trwało odważanie?” Odpowiedział, że 3 minuty. Zwątpiłem w możliwość przypadkowego nasypania dokładnie 1,0600 g (z dokładnością do 0,0001 g!). Na co odpowiedział, że węglanu było co prawda więcej niż 1,0600 g, ale do obliczeń przyjął taką wartość, bo wynikała ona z teoretycznych oszacowań... Być może historia jest trudna do uwierzenia, ale zastanawiam się ile takich błędów popełniają inni Studenci, a my nie wykrywamy ich jedynie z braku czasu lub braku rutyny dydaktycznej (rutynę dydaktyczną uważam za niezbędną cechę przeciętnego dobrego nauczyciela. Jednak utarł się obyczaj zmieniania co roku Doktorantów, którym przydziela się niefrasobliwie co roku inne zajęcia! Przecież nie przyjdzie im do głowy, że możliwa jest aż taka bezmyślność...). Jeśli dodać do tego niemożliwość wytłumaczenie na czym polegają zasady rachunku z F liczbami przybliżonymi, to okaże się, że wszystkie studenckie obliczenia trzeba sprawdzać z kalkulatorem w ręku.

Jeśli tego nie robimy, to tolerujemy kształcenie niedouczonych i nonszalancko traktujących metrologię chemików. Zazwyczaj prowadzący zajęcia zapominają, że celem ich jest nie tyle zaliczenie analizy, co nauczenie Studentów poprawnego rozumienia sensu czynności i obliczeń...

Częste są również karkołomne rozumowania i obliczenia. Oblicza się "stężenie Na₂CO₃ w 25 ml (pipeta)", aby przeliczyć to na "stężenie Na₂CO₃ w 250 ml (kolba miarowa)"... Bełkot i kompletne mylenie pojęć: stężenie i liczba moli...

Tak więc posługiwanie się niezbyt dokładną kolbą miarową i pipetą nie przeszkadza w dokładnym oznaczaniu! Błąd kalibracji biurety można również ograniczyć, jeśli wykonujący oznaczenie przygotowuje (mianuje) roztwór miareczkujący, a następnie wykonuje samo miareczkowanie - używając za każdym razem tego samego egzemplarza biurety. Nie bez powodu  pipeta, kolba miarowa i biureta - stanowią indywidualny i niewymienny komplet osobisty Studenta.

Kolejny błąd braku logiki... Mianowanie roztworu NaOH wykonuje się z reguły używając jako wzorca wcześniej zmianowanego w opisany sposób, roztworu HCl.

Jaką objętość zmianowanego HCl  należy pobrać do mianowania NaOH (i jakim naczyniem ją odmierzyć), jeśli oba roztwory mają podobne stężenie (ok. 0,1 M)?

Z reguły Studenci używają do tego pipety 25 ml. Jest to błąd, bo dla uniknięcia różnic skalibrowania powinno się używać tego samego naczynia, jak do późniejszego miareczkowania (i wcześniejszego mianowania HCl) - a więc biurety. Dodatkowo: jeśli odmierzymy 25 ml 0,1 M HCl, a roztwór NaOH jest choć trochę bardziej rozcieńczony niż zakładane 0,1 M, to na zmiareczkowanie zużyje się nieco więcej niż 25 ml zasady. Ale skala biurety kończy się na wartości „25,00”... Tak więc roztwór HCl odmierzać należy nie pipetą, ale biuretą. I odmierzać należy nie 25 ml, a 20,00 ml. Daje to niezbędną rezerwę: pomimo zużycia ewentualnej nieco większej objętości zasady, jest jeszcze możliwość odczytania tej objętości ze skali biurety.   

Kolejnym problemem jest zmuszenie Studentów do wyrobienia niezbędnego nawyku porządnego prowadzenia notatek. Dlatego przy zaliczaniu wyników proszę o dostarczanie kompletu danych - w postaci wypełnionego formularza:

Tomasz Pluciński
nowy adres:  tomasz.plucinski@ug.edu.pl