Het project wordt uitgevoerd door de Werkgroep Microschaalexperimenten, bestaande uit:

Voorwoord Na een aanloop van ruim twee jaar is het project Microschaalexperimenten in november 1996 van start gegaan. De belangstelling voor het project bleek groot te zijn. In enkele maanden bezochten enkele honderden docenten en TOA’s de door ons verzorgde werkgroepen over microschaalexperimenten. Ook de belangstelling voor deelname bleek groot genoeg om het project daadwerkelijk door te zetten. In het project werken de Universiteit van Amsterdam (UvA) en het Communicatie Centrum Chemie (Stichting C 3) samen. Doel is om het werken op microschaal in het voortgezet onderwijs te bevorderen. Dat doen we door het microschaalglaswerk met een bijpassend verwarmingsapparaat tegen een voordelige prijs aan te bieden, experimenten te beschrijven die aansluiten bij de meest gebruikte schoolboeken en docenten en TOA’s na te scholen in het werken op microschaal. Het project wordt uitgevoerd door de Werkgroep Microschaalexperimenten, bestaande uit: Joyce van Bruynsvoort (’t Hooghe Landt College, Amersfoort) Wout Davids (SLO, Enschede) Martin Goedhart* (Didactiek der Scheikunde, Universiteit van Amsterdam) Erik Joling* (Faculteit der Scheikunde, Universiteit van Amsterdam) Peter Mortensen (VNCI, Leidschendam) Jan Peper (Stichting C3, Amsterdam) Trienke van der Spek* (Faculteit der Scheikunde, Universiteit van Amsterdam) Lex Vroling (Alfrink college, Zoetermeer) Ed de Waard* (Organische Scheikunde, Universiteit van Amsterdam) Het onderwijsmateriaal is samengesteld door een ontwikkelteam waarvan de leden hierboven met een asterisk zijn aangegeven. Gedurende de looptijd van het project zullen zij het onderwijsmateriaal verder uitbreiden. Deze docentenhandleiding bevat de volgende hoofdstukken: 1. Toelichting Waarin we ingaan op de achtergrond van de microschaalexperimenten en de gebruiksmogelijkheden van de proeven, waarin we organisatorische aanwijzingen geven, de opzet en structuur van de bundels bespreken, en onze verwachting voor de volgende ronde experimenten aangeven. 2. Het microschaallaboratorium Waarin het glaswerk en het verwarmingsapparaat worden besproken, en aangegeven wordt welke materialen verder nodig zijn om een microschaallaboratorium in te richten. 3. Technische tips: handleiding glaswerk Waarin we een handleiding geven voor het werken op microschaal. Er zijn namelijk een paar punten anders dan bij het werken op de (tot nu toe) gebruikelijke schaal. 4. Overzicht gebruikte literatuur 5. Aanwijzingen bij de leerlingenteksten 6. Leerlingenteksten Waarin de integrale teksten zoals in de leerlingenbundels zijn opgenomen.

i

$

© MicroChem Nieuwe Achtergracht 129 1018 WS Amsterdam

We hopen dat u net zo gefascineerd zult raken door het werken op microschaal als wij zijn, en het project Microschaalexperimenten kan uitgroeien tot een Nederlands Microschaal Chemie Centrum. Uw open aanmerkingen zijn altijd welkom via de post: Stichting MicroC3hem Nieuwe Achtergracht 129 1018 WS Amsterdam Via de elektronische media: E-mail: [email protected] www.chem.uva.nl/chemeduc/microschaal.html Of mondeling tijdens de nascholingscursussen en de later te organiseren gebruikersdagen. Veel plezier!

Amsterdam, april 1997 De samenstellers.

© 1997 Stichting MicroC3hem Eerste druk, april 1997 Tweede druk, december 1997 Derde druk, juli 1999

DE

VOORSCHRIFTEN V O O R D E EXPERIMENTEN Z I J N M E T D E G R O O T S T E Z O R G

SAMENGESTELD .

DE

BESCHREVEN EXPERIMENTEN ZIJN MEERMAALS UITGEVOERD,

ZOWEL DOOR DE AUTEURS ALS DOOR LEERLINGEN IN EEN GROEP PILOT - SCHOLEN .

DAARNAAST

ZIJN VERKORTE VERSIES VAN DE EXPERIMENTEN TIJDENS VOORLICHTINGS-

TOA’ S UITGEVOERD . D ESONDANKS ZIJN DE M ICROC 3HEM NIET AANSPRAKELIJK VOOR EVEN-

BIJEENKOMSTEN DOOR DOCENTEN EN SAMENSTELLERS OF DE

STICHTING

TUELE ( DRUK ) FOUTEN EN TEKORTKOMINGEN IN DE TEKST OF VOOR DE DAARUIT VOORTVLOEIENDE GEVOLGEN EN EVENTUELE SCHADE.

ii

$


Toelichting

1. Achtergrond Microschaalexperimenten Het idee achter microschaalexperimenten is simpel: voer de gebruikelijke experimenten uit op kleinere schaal en bespaar op chemicaliën. Het werken op kleinere schaal dan de gebruikelijke laboratoriumschaal heeft een aantal voor de hand liggende voordelen: • de hoeveelheden chemicaliën zijn klein (in de orde van tien tot honderd milligram, en van ééntiende tot enkele milliliters) en daardoor werkt het kostenbesparend en zijn de experimenten minder milieubelastend; • het werken op microschaal is veiliger, waardoor leerlingen zelfstandig experimenten kunnen uitvoeren; • koelen en opwarmen verloopt in microschaalglaswerk veel sneller. Daardoor kunnen experimenten in korte tijd worden uitgevoerd en is waterkoeling in de praktijk zelden nodig. De grote winst die geboekt wordt met microschaalexperimenten is dat door de veiligheid, de snelheid en de kostenbesparing veel meer experimenten door leerlingen zelf uitgevoerd kunnen worden. Dat geldt ook voor experimenten op het gebied van de organische scheikunde, die in de leerboeken stiefmoederlijk is bedeeld met leerlingenproeven. Organische syntheses komen nu beschikbaar voor de bovenbouw havo en vwo. Bovendien is het werken op microschaal uitermate geschikt voor het ‘studiehuis’, waar leerlingen zelfstandiger dan nu practicum zullen doen en waar het klassikale practicum wellicht zal gaan verdwijnen. De motor achter de sterk groeiende belangstelling voor het werken op microschaal werd gevormd door de strenge milieuwetgeving en de explosief gestegen kosten voor afvoer en verwerking van chemisch afval in de Verenigde Staten. De moderne microschaalexperimenten werden daar aanvankelijk ontwikkeld voor de universitaire propedeuse, maar vinden tegenwoordig steeds vaker toepassing in hogere beroepsopleidingen, het voortgezet onderwijs en waar dat mogelijk is zelfs in industriële laboratoria. In korte tijd verschenen verschillende practicumhandleidingen over microschaalexperimenten, en kwamen fabrikanten van glaswerk met speciaal glaswerk op microschaal op de markt. Geleidelijk aan dringt het werken op microschaal over de gehele wereld in alle geledingen van het scheikunde-onderwijs door. In de Verenigde Staten bestaat een ‘National Microscale Chemistry Center’ (NMC 2), dat onder leiding van Ronald Pike flink aan de weg timmert met cursussen en studieboeken. In de Journal of Chemical Education verschijnt sinds 1989 onder redactie van Arden P. Zipp een aparte rubriek ‘The Microscale Laboratory’, met vooral proeven voor het tertiair onderwijs. De microschaalexperimenten vonden hun weg naar Europa. In Engeland kwam Stephen W. Breuer met een serie experimenten op microschaal, en in Duitsland werd onder leiding van Michael Schallies gewerkt aan voorschriften voor het mooie, maar dure Minilabor van BASF. In het project ‘Microschaalexperimenten’, dat wordt uitgevoerd door de Universiteit van

1-1

$


1

Amsterdam en de Stichting C3, is gekozen voor een aanpassing van een glaswerkset van Kontes. Deze set is ontwikkeld door Kenneth L. Williamson van het Mount Holyoke College in South Hadley, Massachusetts, USA. Deze glaswerkset is om een aantal redenen zeer geschikt voor gebruik op havo/vwo-scholen. • er wordt gebruik gemaakt van kunststof verbindingsstukken, die goedkoop zijn, gasdicht afsluiten en eenvoudig zijn in het gebruik. • het glaswerk is praktisch onbreekbaar. • de meeste onderdelen zijn multi-functioneel. • vrijwel alle technieken zijn met de set uitvoerbaar, waaronder destillatie (zowel een enkelvoudige, gefractioneerde, stoom-, als vacuümdestillatie), kolomchromatografie, en extractie. • de set is vergeleken met andere, vergelijkbare microglaswerksets goedkoop door het ontbreken van slijpstukken of schroefkoppelingen. Verder hebben we speciaal een verwarmingsapparaat ontwikkeld (een soldeerbout met een aluminium blok dat als zandbad dient) dat goedkoop is en dat binnen enkele minuten op temperatuur is.

2. Gebruiksmogelijkheden Onze verwachting is dat het werken op microschaal een steeds grotere rol krijgt in het Nederlands voortgezet onderwijs. Kostenbesparing en het verminderen van gevaar en milieubelasting maken het mogelijk dat leerlingen zelfstandiger en meer praktisch werk kunenn verrichten. Naast het project Microschaalexperimenten zijn er op dit moment in ons land twee andere, kleinschaliger initiatieven: Arne Mast van de Vrije Universiteit in Amsterdam met zijn ‘Scheikunde in druppels’, en de reageerbuisproeven met de buisjesplaat van Aonne Kerkstra en Frans Killian van de ISW in Naaldwijk. Deze initiatieven richten zich vooral op het zoutenpracticum. Tot nu toe blijven de schoolboeken achter: er is voor het voortgezet onderwijs nog geen schoolboek met proeven op microschaal. In het project wordt daarom gestreefd naar drie soorten experimenten: • experimenten die direct als vervanging op microschaal van bestaande schoolboekproeven kunnen worden ingezet. • experimenten die aansluiten op de schoolboeken, maar daar niet in voorkomen. Reden daarvoor kan zijn dat de uitvoering op de gebruikelijke schaal te riskant of te duur is. • experimenten komen die door hun uitgebreidheid goed zouden passen in het zelfstandig onderzoek dat de leerlingen in de vernieuwde tweede fase uitvoeren. Met de invoering van de vernieuwde tweede fase zal de nadruk op de laatste soort experimenten komen te liggen. Voorafgaand daaraan is het belangrijk dat de proeven ingepast kunnen worden in de huidige lespraktijk. Bij de experimenten in deze bundel staat steeds aangegeven hoe zij passen bij Chemie en Chemie overal. In sommige gevallen gaat het om een microschaalversie van een bestaande proef uit het ene boek, en is het een aanvulling op het andere boek. Om te voorkomen dat een voorschrift onbruikbaar is door het ontbreken van de context van het schoolboek, worden alle experimenten apart ingeleid en voorzien van vragen. Die vragen zijn zo geformuleerd dat de experimenten enigszins een probleemstellend karakter hebben. In de aanwijzingen voor de docent zijn mogelijkheden tot uitbreiding aangegeven, die dat karakter verder versterken.

1-2

$


3. Organisatorische aanwijzingen Het is onze bedoeling dat de beschreven experimenten in koppels worden uitgevoerd; per set glaswerk worden daarom twee leerlingenbundels geleverd. Om tijdens een klassikaal practicum onnodig geloop te vermijden, verdient het aanbeveling om per koppel ook een setje chemicaliën te verstrekken. Omdat bij de start van dit project nog maar weinig ervaring is opgedaan met het beheer van de sets, zijn suggesties daartoe moeilijk te geven. De situatie kan per school aanzienlijk verschillen. Zo heeft de ene school de beschikking over slechts een of enkele sets, terwijl de andere school genoeg sets heeft om klassikaal te werken. In dat laatste geval zal de controle op het schoonhouden, op breuk of zelfs diefstal van het glaswerk moeilijker zijn. We stellen ons wel voor, en zeker in het ‘studiehuis’, dat een koppel verantwoordelijk is voor de set. De sets kunnen daartoe genummerd worden. Ook kan de wijze waarop leerlingen met de set omgaan een rol spelen bij de beoordeling. De examenprogramma’s voor havo en vwo bieden daar de mogelijkheid toe: “De kandidaat kan 23 gebruik maken van stoffen, instrumenten en apparaten voor het in de praktijk uitvoeren van experimenten (…) 27 verantwoord omgaan met stoffen, instrumenten en organismen (…)” De leerlingenbundels bevatten alle beschikbare experimenten. Het losbladige systeem kan voortdurend uitgebreid worden, niet alleen met de voorschriften die nog door het project worden ontwikkeld, maar ook met voorschriften die u zelf opstelt of van uw collega’s krijgt, die in toekomstige microschaalwerkgroepen worden bedacht of in de literatuur verschijnen. U kan er voor kiezen om de leerlingen de complete bundel ter hand te stellen, zodat ze terug kunnen bladeren naar het algemene deel voorin in de bundel. U kan ook de benodigde bladzijden, eventueel verpakt in een kunststof mapje, uitdelen. In dat laatste geval is het bij een groter aantal sets misschien handig om de mappen opnieuw te ordenen. Alle kopieën van een voorschrift, of alle voorschriften van een categorie krijgen dan hun eigen map.

4. Opzet van de leerlingenbundel De leerlingenbundel bevat een algemeen deel (kennismaken met het glaswerk, oefeningen met het verwarmingsapparaat, veiligheidsaanwijzingen enzovoorts) en een aantal voorschriften voor basishandelingen en experimenten, geordend in een aantal categorieën. Op dit moment zijn dat de categorieën: A algemeen B scheidingsmethoden C eigenschappen van stoffen D eigenschappen van reacties E syntheses F isolatie van natuurstoffen G hergebruik

1-3

$


De experimenten zijn binnen een categorie doorlopend genummerd, en hebben elk een titel. De eerste serie experimenten hebben betrekking op de categoriën A tot en met E. De bundel bevat ook een tabel met de gebruikte chemicaliën en hun verschillende namen, de formule, moleculaire massa, fysische eigenschappen, en de R- en S-zinnen. De tweede serie zal betrekking hebben op de categoriën E tot en met G. Voor een verdere uitbreiding vinden we het belangrijk om te luisteren naar de wensen van de gebruikers van de bundel. De gebruikers zijn immers deelnemers aan het project Microschaalexperimenten. We hopen op reacties uit het veld, via de nascholingsbijeenkomsten, via de telefoon, schriftelijk, via Internet of via ChemNet.

5. Structuur en opzet van de voorschriften 5.1 Leerlingenteksten De experimenten zijn in de leerlingenteksten en de docententoelichting telkens volgens een vast stramien beschreven. De leerlingenteksten omvatten de volgende onderdelen: titel inleiding De inleiding bevat een introductie op het experiment (wat gaan we doen?) en daarnaast informatie die noodzakelijk is om het experiment uit te voeren en de vragen te beantwoorden. Soms wordt ook aanvullende informatie gegeven die het experiment verlevendigen, bijvoorbeeld over het praktijkgebruik van de stoffen waarmee in het experiment wordt gewerkt. vragen De vragen voor de leerlingen vormen de rode draad van het experiment. De vragen voorafgaand aan het voorschrift hebben een verhelderende en bewustmakende functie, zodat de leerlingen geïnformeerd aan het experiment kunnen beginnen. Het ordenen en verwerken van de resultaten en het trekken van conclusies geschiedt eveneens aan de hand van vragen. benodigdheden Hier worden de benodigde chemicaliën en het benodigde glaswerk opgesomd. Andere attributen, die in ieder scheikundelokaal aanwezig zijn, zoals statieven of reageerbuisrekjes, worden hier niet genoemd. gevaren en milieu Belangrijk is te realiseren dat bij het werken op microschaal de gevaren van chemicaliën van een andere orde zijn dan bij experimenten op de traditionele schaal. Daardoor komen er ook meer experimenten beschikbaar als leerlingexperiment. Naar onze mening dient om deze reden een herwaardering plaats te vinden van de chemicaliën die op scholen gebruikt kunnen worden. Niettemin dient er netjes en zorgvuldig gewerkt te worden door de leerlingen. Wij gaan er vanuit dat de ‘normale’ veiligheidsmaatregelen worden toegepast (zoals veiligheidsbril en labjas). In de leerlingenhandleiding zijn de gevaren kort aangegeven. Voor uitgebreidere informatie kunnen leerlingen te rade gaan bij de bekende bronnen (Chemiekaarten of de

1-4

$


bundel Veilig practicum). De korte aanduidingen die wij hebben gekozen hebben betrekking op de categorieën: giftigheid; corrosiviteit; brandbaarheid; en reactiviteit. Wij baseren onze informatie op de Chemiekaarten, de bundel Veilig practicum, Binas en de R- en S-zinnen, die in verschillende bronnen te vinden zijn. voorschrift De handelingen worden puntgewijs (➀ , ➁ , ➂ , etc.) en in chronologische volgorde vermeld. We verwachten dat de leerlingen bij de voorbereiding het totale voorschrift doornemen. Tijdens de uitvoering van het experiment dient de gehele tekst van elke stap weer opnieuw doorgelezen te worden, en kunnen de leerlingen de punten een voor een afwerken. opruimen Hier geven wij aanwijzingen voor het verwijderen van het chemisch afval. We onderscheiden drie soorten afval dat in een speciaal vat moet worden gedeponeerd: zware metalen (ZM), halogeenhoudend organisch afval (HOS) en overig organisch afval (OOS). U dient ervoor te zorgen dat die afvalvaten aanwezig zijn. Daarnaast wordt aangegeven of het afval door de gootsteen kan worden gespoeld, in de vuilnisbak gegooid of gerecycled (✃) kan worden. verslag Er is bewust voor gekozen om geen aanwijzingen te geven voor de rapportage over het experiment. U moet zelf beslissen of u leerlingen een verslag laat maken. Daarnaast heeft iedere school of docent zijn eigen criteria voor het schrijven van verslagen.

5.2 Aanwijzingen bij de leerlingenteksten Hier treft u de docentenhandleiding per experiment aan. Deze aanwijzingen volgen in grote lijnen de opzet van de leerlingentekst. titel Gelijk aan die van de leerlingentekst. inleiding Hier wordt informatie gegeven over het doel van een experiment en over de gekozen opzet. Indien nodig wordt deze opzet nader gemotiveerd. examenprogramma Hier worden de eindtermen in het havo- en vwo-programma genoemd, waar dit experiment een bijdrage aan levert. We verwijzen naar de eindtermen aan de hand van de letter van het domein en de doorlopende nummering zoals gebruikt in de examenprogramma’s. Bovendien citeren we de tekst van de eindterm. Een verwijzing ziet er dus uit als: A.1: “de kandidaat kan zowel mondeling als schriftelijk correct formuleren”. De tekst hebben we ontleend aan de Voorlichtingsbrochure havo/vwo van de SLO. boeken Er wordt verwezen naar de bij het experiment behorende tekst in Chemie en Chemie overal. Soms is het beschreven microschaalexperiment een vervanging van een docentenof leerlingenproef in deze boeken. In dat geval wordt het nummer van de betreffende proef in de docentenhandleiding genoemd. Ook kan het microschaalexperiment een aanvulling zijn op het boek als daarin geen experimenten bij de leerstof zijn opgenomen.

1-5

$


benodigde tijd Hoewel we ons realiseren dat er steeds minder scholen zijn die werken met de gebruikelijke lesuren van 50 minuten, hebben wij de benodige tijd voor de uitvoering van een experiment (exclusief voorbereiding en uitwerking) opgegeven in het aantal lesuren van 50 minuten. Het gaat daarbij uiteraard om een schatting. uitbreidingen Bij een aantal experimenten zijn suggesties voor uitbreidende experimenten opgenomen. Meestal zijn deze experimenten analoog aan het hoofdexperiment. Het is dan goed mogelijk om het hoofdexperiment en de uitbreidingen te verdelen over verschillende groepjes leerlingen. De uitbreidende experimenten zijn niet zo grondig door ons uitgetest als het hoofdexperiment. opmerkingen Hier wordt voor docenten nuttige achtergrondinformatie gegeven. antwoorden op de vragen Hier staan antwoorden op de vragen uit de leerlingenhandleiding vermeld. literatuur Verwezen wordt naar de bronnen, waaruit het experiment afkomstig is of boeken waarin meer over het experiment te vinden is.

6. Nomenclatuur “Nu is de scheikunde niet volgroeid ter wereld gekomen zoals Pallas Athene, maar moeizaam door de proeven en geduldige maar blinde vergissingen van drie generaties chemici die verschillende talen spraken en onderling veelal uitsluitend schriftelijk contact hadden; daarom heeft de scheikunde in de vorige eeuw vaste vorm gekregen te midden van een geweldige spraakverwarring, waarvan de resten in de moderne scheikunde blijven voortbestaan.” Primo Levi: De spiegelmaker, Amsterdam: Meulenhoff (1991) Voor de naamgeving van organische stoffen is, overeenkomstig de eindtermen C.39 en C.41 (havo) en C.58, C.59 en C.61 (vwo), in de eerste plaats gekozen voor het gebruik van de systematische namen. Daarbij volgen we de IUPAC-regels uit 1979. Deze regels geven de voorkeur aan de substitutieve nomenclatuur (zoals ‘methanol’), boven de radicofunctionele nomenclatuur (zoals ‘methylalcohol’), maar sluiten die laatste niet uit. De IUPAC-regels behouden ook veel triviale namen, zoals ‘fenol’ en ‘tolueen’. Het vwoexamenprogramma noemt echter expliciet ‘benzenol’ (vwo C.61). Ondanks aan te voeren bezwaren zullen wij zoveel mogelijk proberen de substitutieve nomenclatuur te volgen om aan te sluiten bij de schoolpraktijk. Omdat de examenprogramma’s in de eindtermen C.42 (havo) en C.62 (vwo) voorschrijven dat de kandidaat kan “aangeven dat stoffen naast systematische namen ook triviale namen hebben en deze naast elkaar gebruiken”, worden ook telkens de triviale namen genoemd. De triviale namen worden immers nog volop gehanteerd in tabellenboeken, in catalogi en in het dagelijks leven. In een aparte tabel staan alle gebruikte chemicaliën met hun systematische en triviale namen. In die tabel staan ook de R- en S-zinnen, en fysische eigenschappen als dichtheid, smeltpunt en kookpunt.

$

1-6


Het microschaal laboratorium

2

De inrichting van een microschaal laboratorium zal u weinig problemen opleveren. In de set vindt u het microschaal glaswerk, de verwarmingsapparaten kunnen op het stopcontact aangesloten worden, en het laboratorium is in principe klaar. Natuurlijk zijn er nog wat andere materialen nodig, zoals statieven, maar de meeste daarvan zijn waarschijnlijk al aanwezig. De grootste aanpassing zal het ompakken van chemicaliën zijn. Glazen potjes van 20 ml zijn een goed bruikbare maat. Meestal kunnen ze worden afgesloten met een schroefdeksel, maar voor vluchtige of stinkende vloeistoffen is een passend septum een uitkomst. Onderstaand een overzicht van de inrichting van een microschaal laboratorium.

1. Glaswerk Het koffertje bevat het volgende glaswerk:

E1

E2 V

C

D2

O2 H

O1

J

N

G A

1,0

0,9

ml

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

R S

4.5

4.5

4.5

4.5

4.5

4.0

4.0

4.0

4.0

4.0

3.5

3.5

3.5

3.5

3.0

F

D1

E3+4

3.0

3.0

3.0

3.5

3.0

2.5

2.5

2.5

2.5

2.5

2.0

2.0

2.0

2.0

2.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.5

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

0.75

0.75

0.75

0.75

0.75

0.5

0.5

0.5

0.5

0.5

P

I

Q

R H

H M

L

K

B T

Tussen haakjes staan de Engelse namen, met daarachter het aantal in het koffertje. A. B. C. D. E. E 1. E 2. E 3.

T-stuk (connecting adapter) 1 afzuigring (filter adapter) 1 thermometermanchet (thermometer adapter) 1 centrifugebuis, 15 ml, met deksel (centrifuge tube, 15 mL) 1 chromatografiekolom (chromatography column) 1 vultrechter (funnel) 1 glazen kolom (chromatography column glass) 1 büchnertrechter (luer tip) 1

$

2-1


E4. filterschijf (polyethylene disc) 1 In de leerlingentekst worden E3 en E4 samen ‘filtertip’ genoemd F. kraantje (one way stopcock) 1 G. staafje (support rod) 1 H. verbindingsstuk (connector) 3 I. destillatiekolom, terugvloeikoeler (distillation column, air condensor, gas collection tube) 1 J. destillatieopzet (distillation head) 1 K. korthalskolf, 5 ml (short neck flask, 5 mL) 1 L. langhalskolf, 5 ml (long neck flask, 5 mL) 1 M. erlenmeyer, 10 ml (erlenmeyer flask, 10 mL) 3 N. afzuigerlenmeyer, 25 ml (filter flask, 25 mL) 1 O1. hirschtrechter (hirsch funnel) 1 O2. filterschijf (polyethylene frit) 1 In de leerlingentekst worden O1 en O2 samen ‘filtertrechter’ genoemd P. reageerbuisje, 10 × 100 mm (reaction tube, 10 × 100 mm) 5 Q. spatel (spatula) 1 R. septum (sleeve stopper, rubber septum) 2 S. injectiespuit, 1 ml (syringe, 1mL) 1 T. slang (tubing, polyethylene) 60 cm V. roermagneet (stirr bar) 1 Daarnaast is aan de set toegevoegd: dikke injectienaald, stomp (needle, 18 Gauge, blunt end) 1 dunne injectienaald, stomp (needle, 22 Gauge, blunt end) 1 injectiespuit, 3 ml (syringe, 3mL) 1 thermometer, -10°C - +250°C, kwikvrij (thermometer, -10°C - +250°C, non mercury) 1

2. Verwarmingsapparaat Als warmtebron wordt geen gasvlam, maar een elektrisch verwarmingsapparaat gebruikt. De basis daarvan bestaat uit een 60 Watt soldeerbout. Hoewel het een erg eenvoudig apparaat is, is het zeer effectief. Gebruikers van duurdere verwarmingsapparaten zijn verrast door de snelheid, die veel hoger is dan bij de traditionele elektrische zandbaden. Op vol vermogen heeft het zandbad na ruim vier minuten een temperatuur van 100°C, na zeven minuten 150°C en na elf minuten 200°C. Na een half uur is een temperatuur van 300°C bereikt. U hoeft overigens niet bang te zijn voor een te groot stroomgebruik: op een tot 16 Ampère gezekerde groep kunnen 64 verwarmingsapparaten worden aangesloten. Het verwarmingsapparaat bestaat uit vier onderdelen: A. een aluminium blok waar zand in zit (het ‘zandbad’), B. een metalen schacht die met een mannetje aan een statief wordt bevestigd, C. een handvat, en D. een snoer met dimmer.

$

2-2


A

B

C

D 2

➣ Pas op! De metalen schacht en het aluminium blok worden bij gebruik zeer heet! U kunt er lelijk uw vingers aan branden! Het is het veiligst om het verwarmingsapparaat zo laag mogelijk aan het statief te bevestigen. Daartoe is een dubbelklem (‘mannetje’) bijgeleverd. Aan de kant die op de metalen schacht wordt bevestigd, is de vleugelschroef vervangen door een inbusbout. dimmer Het verwarmingsapparaat kan met de dimmer worden geregeld. In stand 0 is het apparaat uitgeschakeld, in stand 9 staat het op vol vermogen. Als de gewenste temperatuur bereikt is kan de dimmer zo ver worden teruggedraaid dat die temperatuur constant blijft. In het leerlingenmateriaal zijn oefeningen met het verwarmingsapparaat opgenomen. zand Als zand kan kwartszand, zilverzand of zeezand worden gebruikt. Belangrijk is dat het zand fijnkorrelig en schoon is. Per zandbadje is ongeveer 13 gram nodig. Aan het eind van een les kunnen de verwarmingsapparaten met hun mannetje aan één statief worden bevestigd. Eventueel kan het hete zand in een leeg conservenblik worden verzameld. Aan dat statief kunnen ze dan op een veilige plaats afkoelen. gebruik met roermotor Door de geringe hoogte kan het verwarmingsapparaat zonder probleem in combinatie met een magneetroerder worden gebruikt.

$

2-3


3. Materiaal nodig naast het microschaalglaswerk Het koffertje en het verwarmingsapparaat vormen de kern van het microschaallaboratorium. Er zijn echter nog chemicaliën en andere attributen nodig om het geheel compleet te maken. Sommig materiaal is volgens ons echt nodig, ander materiaal is vooral handig om beschikbaar te hebben.

Nodig

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Afvalvaten (OOS, HOS, ZM, OAS, prullenbak) Electronische bovenweger (nauwkeurig tot op 1 mg) Kooksteentjes Pasteurpipetten met speentje Scherpe injectienaalden met luer-huls, 22 Gauge Spuitfles met demi-water Spuitfles met spoelaceton Statieven met mannetje Stopcontacten, 240V, randaarde Veiligheidsbrillen

Handig

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Aluminiumfolie Filterrondjes passend in de filtertrechter (Ø 14 mm) en de filtertip (Ø 6,3 mm) Glasdroogstoof Heteluchtpistool of verfschroeier Kleine kurkjes (passend op Ø 8 mm) Kleine horlogeglaasjes Kleine bekerglaasjes (25 ml en 100 ml) Kookstokjes (geprepareerde satéprikkers) Maatkolven 25 ml Magneetroerders Metaaldraad Metaalspons (roestvrijstalen pannenspons) Moleculaire zeven (molsieve) Papieren handdoekrollen of tissues Perslucht (een luchtbedpomp voldoet ook) Pijpenragers Reageerbuisrekjes of houten blokjes met uitsparingen voor kolfjes (Ø 27 mm) en voor reageerbuisjes (Ø 10 mm) Statiefklemmen Voorraadflesjes, met septum of schroefdop (20 ml) Waterstraalpomp

$

2-4


Technische tips Handleiding microschaalglaswerk 1. Vooraf Het microschaalglaswerk dat in het project Microschaalexperimenten wordt gebruikt, is ontworpen door Kenneth L. Williamson van het Mount Holyoke College in South Hadley, Massachusetts. Het wordt onder de merknaam Microflex® geproduceerd door de firma Kontes. Kontes duidt de set in de catalogus aan als ‘The Williamson Microscale Kit’. Wij zullen praten over ‘het microschaalglaswerk’ of over ‘de set’. Williamson heeft een practicumboek organische scheikunde geschreven, waarin hij gebruik maakt van dit glaswerk: Macroscale and Microscale Organic Experiments . Onder meer op basis van dit werk wordt sinds het eind van de jaren tachtig aan de Universiteit van Amsterdam door Ed de Waard een practicum organische scheikunde verzorgd. De kosten van glasbreuk liepen daardoor terug naar 15% van het oude bedrag. De Waard zag de voordelen van het werken op microschaal voor het voortgezet onderwijs, en nam het initiatief tot het project Microschaalexperimenten. Ten behoeve van zijn practicumassistenten schreef hij in overleg met Williamson een serie technische tips voor de gebruiker van het microschaalglaswerk. In dit hoofdstuk vindt u een aangepaste versie van die handleiding. Bij microschaalexperimenten worden enkele tientallen milligrammen chemicaliën in enkele milliliters oplosmiddel gebruikt. De naam milli-experimenten zou dus eigenlijk juister zijn. Voor het succesvol uitvoeren van microschaalexperimenten kan echter niet worden volstaan met het verkleinen van de hoeveelheden stof van goed werkende practicumvoorschriften. Bij het neerschalen moet terdege rekening worden gehouden met de invloed van de verhoogde verhouding tussen oppervlak en massa op de reactietemperatuur. Dit, maar ook het verliesarm manipuleren van kleine hoeveelheden chemicaliën, vereist een aantal aanpassingen in de gebruikelijke laboratoriumtechnieken. Deze aanpassingen zijn in geen enkel opzicht spectaculair; ze dragen meer het karakter van: “O, doe je dat zo; dat moet je maar net weten”. Deze handleiding wil daar een wegwijzer in zijn.

$

3-1


3

2. Inhoud 3. Algemene tips (3-3) 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

Monteren en demonteren met kunststof verbindingsstukken (3-3) Ophanging van opstellingen (3-5) Naalden (3-5) Levensduur van (kunststof)onderdelen (3-8) Meten en wegen (3-9) Roeren en mengen (3-11) Het verwijderen van roermagneetjes (3-12) Verwarmen in een zandbad (3-12) Heteluchtpistool of verfschroeier (3-14) Schoonmaken (3-14)

4. Typische microschaaltechnieken (3-16) 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12

Filtreren (3-16) Kristalliseren (3-19) Sublimeren onder atmosferische druk (3-19) Kolomchromatografie (3-21) Scheitrechterfunctie (3-22) Drogen van oplossingen (3-23) Ontkleuring met actieve kool (3-23) Indampen en afdampen (3-23) Koken en refluxen (3-24) Koelen (3-25) Destilleren (3-26) Droog werken (3-28)

$

3-2


3. Algemene tips 3.1 Monteren en demonteren met kunststof verbindingsstukken Gebruik bij het monteren van de kunststof verbindingen geen vet of olie. Neem in elke hand een onderdeel stevig tussen duim en wijsvinger, zo dicht mogelijk bij het te monteren buiseinde. Druk het buiseinde een beetje schuin in het verbindingsstuk, terwijl de knokkels van de wijsvingers tegen elkaar steunen. Zet het onderdeel vervolgens recht en draai het ter controle even rond om te voelen of de glasrand goed in de kunststofzitting sluit. Het tweede glasonderdeel wordt op dezelfde manier in het nog vrije einde gedrukt. Voorkom dat de glasranden van van de buiseinden tegen elkaar knarsen: draai de buiseinden in de kunststofzittng niet te dicht naar elkaar toe!

Het demonteren gebeurt met een gecombineerde trekkende en buigende beweging. Steun de duimen tegen elkaar om te vermijden dat de glasrandjes binnen in het verbindingsstuk tegen elkaar kunnen knarsen.

RS! KNA

Het is een goede gewoonte direct na het demonteren de kunststofonderdelen met enkele druppels van een geschikt gekozen oplosmiddel schoon te maken. thermometermanchet en thermometer Vóór het aanbrengen van een thermometer moet altijd eerst voorzichtig worden gepast of het glaswerk nergens klem kan lopen en of een eventueel benodigde naald nog wel naast de thermometer in het buiseinde past! Het manchet heeft een binnendiameter van 6 mm. De bijgeleverde thermometer past daar uiteraard in, maar andere thermometers of een thermokoppel mogen niet veel dikker dan 7 mm zijn. $

3-3


Druk de thermometermanchet als éérste op het buiseinde. Draai hem ter controle even rond om te voelen of de glasrand goed in de kunststofzitting sluit. Schuif pas daarna de thermometer met korte stukjes tegelijk naar binnen.

Bij nieuwe manchetten gaat dit soms erg zwaar. De verleiding is daarom groot om dan maar een smeermiddel (vaseline of glycerine) op de thermometer te gebruiken. Vergeet echter niet dat er dan al heel gauw meer dan een milligram van het smeermiddel in het reactiemengsel terecht kan komen. Dat is niet altijd zonder gevolgen voor het reactieverloop.

4.0

3.5

2.5

3.0

2.0

1.5

0.5

1.0

0.75

Voor het verwijderen van een thermometer worden de handelingen exact omgekeerd. Eerst de thermometer eruit; korte stukjes tegelijk, dicht bij de manchet vastgehouden!

aanbrengen van een septum Zet het opengevouwen septum met de smalle kant in het buiseinde. Houd het glaswerk in de rechterhand, en buig met de wijsvinger van de linkerhand de slappe septummanchet naar beneden over de buisrand. Neem het geheel in de linkerhand over. Trek de bovenrand van het septum nu tussen duim en wijsvinger van de vrije hand in de richting van de pijl over het buiseinde.

$

3-4


4.5

4.5

4.0

4.0

3.5

3.5

3.0

3.0

4.5

4.0

3.5

3.5

3.5

3.5

3.0

3.0

3.0 2.5

2.5

2.0

2.0

2.5 2.5

1.5

1.5

4.5

4.0

4.5

4.0

3.5

3.0

3.0 2.5

2.5

2.5

2.0

2.0

2.0

2.0

1.5

1.5

1.5

1.5

1.0

1.0

1.0

1.0

0.75

0.75

1.0 0.75

1.0 0.75

0.5

0.5

0.75 0.5

0.75 0.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

Voor het verwijderen van een septum kan de slappe manchetrand in één hand met de duim omhoog worden gewreven. Het is niet onverstandig om de wijsvinger van de vrije hand daarbij boven het septum te houden. Nieuwe, erg veerkrachtige, septa willen nog wel eens wegspringen en aan de onderkant zit vaak nog een restant reactiemengsel. Het is een goede gewoonte direct na het demonteren het septum met enkele druppels van een geschikt gekozen oplosmiddel schoon te maken.

3.2 Ophanging van opstellingen Het microschaalglaswerk is ontworpen voor éénpunts-statiefophanging door middel van het verbindingsstuk met het bijbehorende staafje. Het staafje is vrij dun. De mannetjes voor statiefbevestiging moeten dus voldoende ver kunnen worden dichtgeschroefd. Voor een stabiele ophanging moet het zwaartepunt van een opstelling altijd zo laag mogelijk onder het ophangpunt komen. Als er een keuze is, moet de statiefophanging dus altijd zo hoog mogelijk worden aangebracht. Bij opstellingen met een hoog uitstekende thermometer moet de thermometer in een openstaand klemmetje worden gesteund. Vooral de wat langer in gebruik zijnde verbindingsstukken verliezen wat van hun veerkracht. Een topzware opstelling kan daardoor gemakkelijk omklappen. Om branden van de vingers te voorkomen kan het verwarmingsapparaat het beste altijd zo laag mogelijk aan het statief bevestigd blijven. Het is bij microschaalexperimenten gebruikelijk de opstelling zelf hoger of lager aan het statief te hangen. Ook het gebruik van schroeftafels voor het hoger of lager zetten van bijvoorbeeld een koelbad of magneetroerder kan dus achterwege blijven en wordt afgeraden.

3.3 Naalden De roestvrijstalen naalden zijn voorzien van een luer-huls zonder bajonetvergrendeling. Deze huls klemt gas- en vloeistofdicht op de luer-kern van de injectiespuiten en op het kraantje. Bij het microglaswerk worden twee dikten RVS-naalden gebruikt: dunne naalden (22 Gauge; 0,70 mm) en dikke naalden (18 Gauge; 1,25 mm). De dikke naalden worden alleen gebruikt voor verbindingen met kunststof slangetjes. Septa worden sneller onbruikbaar voor vacuüm afsluitingen door onnodig doorboren met dikke naalden.

$

3-5


Voor alle andere toepassingen dan slangverbindingen wordt altijd de dunne (22 Gauge) naald gebruikt. De naalden zijn in twee uitvoeringen in de handel: scherp schuin afgesneden en stomp loodrecht afgeslepen (‘blunt end’). Deze stompe naalden maken septa sneller ongeschikt voor vacuüm-doeleinden. Bij de sets zijn uit veiligheidsoverwegingen stompe naalden geleverd. In de Verenigde Staten zijn scherpe naalden voor gebruik in het onderwijs zelfs verboden. De scherpe naalden werken voor de meeste doeleinden echter gemakkelijker en hebben minder slijtage van de septa tot gevolg. Voor enkele dubbeltjes zijn de dunne naalden bij de apotheker verkrijgbaar; bij de groothandel betaalt u ongeveer een dubbeltje per naald bij afname van honderd stuks.

ml 1,0 0,9 0,8 0,7 4.5

4.0

0,6 0,5 0,4

3.5

0,3 0,2

3.0 0,1 2.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

Het is zinloos om te proberen met een scherpe naald de laatste microliters vloeistof van een glasbodem op te zuigen. Druk op de bodem resulteert slechts in een omgekrulde naaldpunt. In de meeste gevallen kan de omgekrulde naaldpunt weer grotendeels worden gefatsoeneerd door de naald tussen de stevig op elkaar geknepen duim en wijsvinger door te trekken zodat de omgekrulde punt langs de duimnagel weer glad strijkt. De stompe naalden zijn handiger voor het opzuigen van de laatste microliters vloeistof uit een reactievat. naald tussen manchet en thermometer Wanneer een opening tussen verbindingsstuk en thermometer nodig is om in een ‘gesloten ‘ opstelling een luchtgaatje te maken, wordt altijd gebruik gemaakt van een dunne naald (maat 22). De naald moet ter controle van tevoren samen met de thermometer in het buiseinde zijn gepast! Bij een scherpe naald wordt de schuine kant naar de thermometer toegekeerd, en ongeveer evenwijdig aan de lengterichting van de thermometer gehouden. De naald wordt zover tussen glas en manchet gestoken dat de punt onder de manchet zichtbaar wordt. Let hierbij op dat de scherpe naaldpunt niet over de glasrand heen dwars door de manchet in de vingers wordt geprikt.

$

3-6


4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

4.0

4.0

4.0

3.5

3.5

3.5

Voor het tussensteken van een dunne stompe naald wordt de opstelling met manchet en thermometer vlak onder de manchet tussen duim en middelvinger gehouden, terwijl met de wijsvingernagel de rand van de manchet iets wordt opengesperd. De stompe naald wordt dan met de vrije hand in de gemaakte opening gestoken. gebruik van naalden en spuiten Bij het opzuigen van vloeistoffen moet de plunjer nooit helemaal tot de uiterste stand worden teruggetrokken. Er moet altijd voldoende ruimte overblijven om de vloeistof die in de naald zit met de naald naar boven wijzend in de spuit te zuigen, met de bedoeling om luchtbellen naar buiten te kunnen blazen. De naalden passen weliswaar gas- en vloeistofdicht op de spuiten, maar kunnen er gemakkelijk weer worden afgetrokken. Daarom moet een spuit/naald-combinatie na het opzuigen van vloeistof altijd aan de naald-huls uit een septum o.i.d. worden getrokken. Naalden en spuiten moeten na gebruik zo snel mogelijk worden schoongemaakt door opzuigen van een beetje van een geschikt oplosmiddel (meestal aceton), weer leegspuiten en droogblazen of beter nog droogzuigen. Resten oplossing leiden tot verstopping door verdamping van het oplosmiddel; corrosieve anorganische zuren leiden tot roestvorming. Voor het nagenoeg kwantitatief opzuigen van vloeistof uit een kolfje zijn de stompe naalden het beste bruikbaar. Deze naalden zijn uiteraard minder handig voor het doorboren van septa.

$

3-7


3.4 Levensduur van (kunststof)onderdelen Het is een goede gewoonte alle onderdelen zo snel mogelijk na gebruik schoon te maken; voor naalden en spuiten is dat een ‘must’! Defecte, beschadigde, niet meer te reinigen of sterk geëtste onderdelen moeten eenvoudigweg vervangen worden. De vervangingskosten zijn gering. glasbreuk De dikwandige glazen onderdelen zijn over het algemeen weinig breukgevoelig. Er bestaat echter een verhoogde kans op breuk bij: • het terugveren van een stugge dikke rubbervacuümslang op de afzuigkolf als de kolf wordt losgelaten (zet de kolf dus met een geschikte klem aan het statief vast)

• het op verkeerde manier demonteren van de langere of gebogen buisonderdelen waarbij het glas niet vlakbij het kunststof verbindingsstuk wordt vastgepakt • het gebruik van te dikke thermometers of glazen roerstaven die niet van tevoren even gepast zijn opschriften De aan de buitenkant van glazen onderdelen aangebrachte rode opschriften kunnen onder invloed van sommige chemicaliën verbleken. kunststofonderdelen De flexibele kunststofonderdelen kunnen na langdurig gebruik geleidelijk hun veerkracht verliezen. Sommige chemicaliën en langdurig blootstellen aan hoge temperaturen versnellen dit proces. Spoel de onderdelen daarom steeds schoon na gebruik. Er zijn ook duurzamere, maar ook duurdere, Viton® verbindingsstukken verkrijgbaar. Ook het drogen in een te warme oven leidt tot versnelde veroudering van zachte kunststofonderdelen en deformatie van harde kunststofonderdelen. Septa kunnen met de scherpe dunne naalden veelvuldig worden doorboord voordat vervanging noodzakelijk wordt. Het gebruik van dikke naalden en naalden met de recht afgeslepen punt versnellen de slijtage. naalden en spuiten Naalden en spuiten moeten direct na gebruik door opzuigen van een beetje oplosmiddel en weer leegspuiten worden gereinigd om verstopping of roestvorming te voorkomen De sluiting van de plunjer in een spuit kan worden gecontroleerd door een wijsvinger stevig op de spuitmond te drukken en de plunjer naar beneden te trekken. Bij een goed werkende spuit moet de plunjer niet al te gemakkelijk weer terugveren en het geheel moet een paar seconden aan de vinger blijven bengelen. Wanneer de plunjer van een spuit ondanks schoonmaken te zwaar beweegt, of wanneer een plunjer juist te veel speling heeft gekregen, kan de spuit na verwijdering van de plunjer met een scherpe schaar worden doorgeknipt. Dergelijke afgedankte spuiten zijn $

3-8


uitstekend bruikbaar voor vacuüm- of gasverbindingen tussen dikke slangen en de dunne kunststofslang.

0,1

0,2 0,3

0,4

0,5

0,6 0,7

schuiminterieur Onderdelen waarin of waaraan nog organisch oplosmiddel aanwezig is, moeten niet in het schuiminterieur van de microset worden opgeborgen. Het schuimmateriaal is tegen de meeste organische oplosmiddelen niet bestand!

3.5 Meten en wegen Reacties op microschaal vragen soms een grote nauwkeurigheid. Een electronische bovenweger (liefst met automatische tarreerinrichting) is daarom eigenlijk onmisbaar. In de nauwkeurigheid moet goed onderscheid gemaakt worden tussen volumes oplosmiddel, die doorgaans niet zo kritisch zijn, en reagentia die zo nauwkeurig mogelijk moeten worden afgemeten of afgewogen. oplosmiddelen Oplosmiddelen kunnen voldoende nauwkeurig met het aanwezige volumetrische glaswerk of met injectiespuiten worden afgemeten. vaste reagentia Afgewogen vaste, niet kleverige reagentia, kunnen vanuit een reageerbuisje met een paar stevige tikken door de vultrechter in een rondbodemkolf gebracht worden. 0.5 0.75 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

vloeibare reagentia Het afmeten van vloeibare reagentia met behulp van het bij de kit gebruikte volumetrische materiaal zoals injectiespuiten of pipetten is doorgaans veel te onnauwkeurig. Daarom worden eerst de benodigde hoeveelheden reagentia omgerekend van millimol in milligram en in microliter. $

3-9


0,9

1,0 ml

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Het benodigde volume van een van de reagentia wordt zo goed mogelijk benaderd door opzuigen in de injectiespuit. Vervolgens wordt een klein gaaf kurkje op de naald gestoken en het geheel gewogen. Na aflevering van de vloeistof wordt de lege kurk/ naald/spuit-combinatie gewogen. Daarna kan de spuit schoongemaakt worden. Deze eerste hoeveelheid reagens (het verschil tussen beide wegingen) vormt het uitgangspunt voor de berekening van de benodigde hoeveelheden van de andere reagentia.

De hoeveelheid van het volgende reagens moet zo nauwkeurig mogelijk aangepast worden aan de hoeveelheid van het eerste reagens. Daartoe wordt de volgende werkwijze gevolgd. Omdat bij het leegspuiten van een injectiespuit altijd wat reagens achterblijft, wordt dat ‘dode’ volume van de spuit/naald eerst volledig met vloeistof gevuld. Zuig daartoe wat vloeistof op, tik de lucht eruit met de naald omhoog gestoken, en spuit de injectiespuit leeg. De spuit kan nu met opgestoken kurkje op de balans gelegd worden om te worden gewogen. Bij gebruik van een balans met automatische tarrering kan op nul getarreerd worden. Alle vloeistof die daarna opgezogen wordt zal bij neerdrukken van de plunjer worden afgeleverd. Het is nu dus zaak door voorzichtig opzuigen en leegspuiten het geheel op de juiste massa te brengen en te zorgen dat geen nieuwe luchtbellen ontstaan. De volgorde waarin de chemicaliën het beste kunnen worden afgewogen wordt vaak bepaald door de stabiliteit en de vluchtigheid. Het reagens dat het slechtst langdurige manipulatie verdraagt wordt bij voorkeur het eerst afgewogen. Soms ook zal een reagens, waarvan moeilijk een bepaalde massa is af te wegen, zo goed mogelijk in de buurt van een streefgewicht moeten worden gebracht. Denk hierbij b.v. aan magnesium krulletjes voor een Grignard-reactie. De afgewogen hoeveelheid daarvan zal dan als uitgangspunt voor de berekening van de overige chemicaliën moeten worden gebruikt. Bij het afwegen van een niet-vluchtig vloeibaar reagens in open glaswerk kan een injectiespuit met naald handig zijn om op de balans een teveel aan massa op te zuigen. Een pareltje vloeistof aan de punt van een dunne naald (22 Gauge) dat afgestreken wordt in de hals van het glaswerk kan een weging dan net weer op de vereiste nauwkeurigheid brengen. Hetzelfde resultaat kan met enige handigheid echter ook worden bereikt met pasteurpipet en speentje. opzuigen van zeer vluchtige vloeistoffen zonder morsen Wanneer heel vluchtige vloeistoffen, zoals ether en aceton, in een spuit worden opgezogen, zal de opgezogen vloeistof meestal weer volledig uit de spuit geperst worden zodra de spuit in de hand wordt gehouden met de naald naar beneden. Dit gebeurt vrijwel zeker als de spuit met de warme huid in contact komt. Om dit morsen te vermijden moet de spuit direct na het opzuigen worden omgekeerd met de naald naar boven terwijl na het omkeren de plunjer ver genoeg wordt teruggetrokken om te zorgen dat er geen vloeistof meer in de naald zit. De plunjer mag daarom bij het opzuigen nooit tot de uiterste stand worden teruggetrokken. Alle eventuele luchtbelletjes worden met het bekende ‘verpleegsters-gebaar’ boven in de spuit verzameld. De damp/lucht-bel wordt vervolgens heel secuur volledig naar buiten $

3-10


geblazen totdat er een klein vloeistofpareltje op de naald begint te verschijnen. De spuit kan nu veilig worden omgekeerd en er is voldoende tijd om een kurkje op de naald te steken voor een eventueel gewenste nauwkeurige weging.

3.6 Roeren en mengen Het roeren van homogene reactiemengsels is niet nodig. Maar op microschaal behoeven ook heterogene reactiemengsels vrijwel nooit te worden geroerd; af en toe even schudden geeft doorgaans hetzelfde resultaat. Roeren is alleen nodig in geval van heterogene mengsels of om stoffen in oplossing te brengen. in open kolfjes Het roeren en mengen kan op vele manieren uitgevoerd worden. De voorkeursmethode zal vooral afhangen van de eigenschappen van de gebruikte chemicaliën en de vorm van het vat. spatel Roeren met de spatel in het reageerbuisje gaat het beste door het ronde midden-gedeelte van de spatel tussen duim en wijsvinger heen en weer te rollen. pasteurpipet Een pasteurpipet met veerkrachtig speentje kan uitstekend worden gebruikt voor het mengen in een reageerbuisje. De pipetpunt wordt hiertoe halverwege de vloeistof gehouden en het speentje ritmisch ingeknepen en weer losgelaten. schudden Een andere methode is: het reageerbuisje met de wijsvinger op het buiseinde tussen duim en wijsvinger van één hand klemmen en snel in de lengterichting van de buis heen en weer schudden. Deze methode kan uiteraard alleen bij een ongevaarlijke inhoud van het reageerbuisje worden gebruikt. Het oplossen of mengen van ongevaarlijke, niet stinkende verbindingen in een reageerbuisje kan ook heel effectief worden uitgevoerd door het buiseinde stevig tussen duim en wijsvinger van de ene hand te klemmen en een vinger van de andere hand snel langs de bodem van de buis te halen. De venijnige, verende beweging die dan ontstaat is uiterst effectief. Het is natuurlijk altijd beter eerst een septum op het buiseinde te zetten, vooral wanneer er nauwkeurig bekende hoeveelheden in het reageerbuisje moeten blijven. in gesloten kolfjes Bij roeren in gesloten reageerbuisjes blijft uiteraard alleen het in de lengterichting schudden tussen duim en wijsvinger van één hand en het magnetisch roeren met behulp van het roermagneetje over. Het roermagneetjes kan in een reageerbuisje rechtop roerend gebruikt worden en zorgt voor uitstekende menging. Het eigen volume van het vrij grote roermagneetje kan echter wel eens voor een iets te vol reageerbuisje zorgen. Het is dus zaak van te voren rekening te houden met eventueel later nog toe te voegen chemicaliën. Roermagneetjes die korter zijn dan de inwendige doorsnede van de reageerbuisjes (en dus horizontaal roeren) hebben een te verwaarlozen eigen volume. Een nadeel is echter dat ze erg gemakkelijk zoekraken buiten de kolfjes.

$

3-11


3.7 Het verwijderen van roermagneetjes Het zonder stofverlies verwijderen van roermagneetjes uit een oplossing vereist enige handigheid. Roermagneetjes korter dan 7 mm roeren in horizontale stand in een reageerbuisje. Ze kunnen het beste met een grote roermagneet langs de wand van het reageerbuisje omhoog worden gesleept. Bijna bovenaan gekomen wordt het reageerbuisje overgenomen tussen middelvinger en ringvinger van dezelfde hand waarin ook de grote roerstaaf wordt vastgehouden. Met de vrije hand kan nu een druppeltje oplosmiddel over het kleine magneetje worden gedruppeld. Even bewegen van de magneten laat het oplosmiddel naar beneden druipen, waarna de kleine magneet over de rand kan worden gesleept.

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

Dezelfde methode kan ook gevolgd worden bij het gebruik van grote roermagneetjes, die rechtop staand roeren. Verwijderen van roermagneetjes uit de rondbodem-kolfjes gaat in beginsel op dezelfde wijze. Het slepen om de bocht van de kolf naar de hals mislukt echter doorgaans wanneer de kolf rechtop wordt gehouden. Het magneetje valt dan terug. Wanneer het kolfje schuin wordt gehouden gaat het doorgaans uitstekend langs de bovenkant van kolfwand en hals!

3.8 Verwarmen in een zandbad Electrisch geregelde zandbaden zijn, in tegenstelling tot wat veel chemici denken, uiterst handige en veilige warmtebronnen. Om een zandbad op de juiste manier bij microschaalexperimenten te gebruiken is het wel nodig een aantal karakteristieke eigenschappen te kennen. Zand is een slechte warmtegeleider zodat een temperatuursverschil ontstaat tussen de oppervlaktelaag en het zand op de bodem. Dat temperatuurbereik is direct beschikbaar door het glaswerk eenvoudigweg meer of minder diep in het zand te steken. Dit voordeel gaat verloren wanneer te veel met de spatel in het zand wordt geroerd. Door de kleine hoeveelheid zand (circa 13 gram) in het bijgeleverde verwarmingsapparaat zal het verschil in contact tussen zand en glaswerk echter een grotere rol spelen. Bij grotere zandbaden neemt het opwarmen van het zand en de instelling van het temperatuurevenwicht tussen bodem en oppervlak veel tijd in. Dikwijls moet het zandbad reeds een uur van te voren ingeschakeld worden. Het kleine zandbad dat wij gebruiken is veel $

3-12


sneller op temperatuur: 100°C is na ruim vier minuten bereikt, 150°C na zeven minuten en 200°C na elf minuten. Na een half uur is een temperatuur van 300°C bereikt, en hogere temperaturen kunnen worden bereikt door het aluminium blokje luchtig met een dubbelgevouwen vel aluminiumfolie te omwikkelen. Ondanks deze korte opwarmtijden is het een goede gewoonte als allereerste handeling het zandbad in te schakelen en pas daarna met de overige laboratorium werkzaamheden verder te gaan. Ondanks het geringe opgenomen vermogen van 60 Watt kan de temperatuur van het aluminiumblokje en de steel tot zeer hoge waarden oplopen. Laat dus nooit het zandbad onbeheerd opwarmen met de regelaar in de hoogste stand. Een ander weet niet dat het apparaat heet is en zou zich lelijk kunnen branden. Voor het snel opwarmen kan de regelaar natuurlijk wel tijdelijk in de hoogste stand worden gezet. Steek nooit thermometers met een snelle beweging tot op de bodem van een zandbad van onbekende temperatuur, maar zoek eerst de vloeistof- of kwikdraad van de thermometer op en houd die zorgvuldig in de gaten terwijl de thermometerpunt voorzichtig in het zand wordt gestoken. regeling met snoerdimmers Het verwarmingsapparaat kan enigszins met de dimmer worden geregeld. In stand 0 is het apparaat uitgeschakeld. Als de gewenste temperatuur bereikt is kan de dimmer zo ver worden teruggedraaid dat die temperatuur constant blijft. De dimmer moet bij juiste werking een zacht geluid geven. In het leerlingenmateriaal zijn oefeningen met het verwarmingsapparaat opgenomen. fijnregeling Het juiste temperatuurgebied voor een rustige reflux van een bepaald oplosmiddel wordt ingesteld door de éénklemsopstelling in zijn geheel meer of minder diep in het zand te laten zakken.

4.0

4.0

4.0

3.5

3.5

3.5

3.0

3.0

3.0

2.5

2.5

2.0

2.0

2.0

1.5

1.5

1.5

1.0

1.0

1.0

0.75

0.75

0.75

0.5

0.5

0.5

zand weggraven rustiger koken

normale insteek diepte

2.5

zand ophogen heftiger koken

Hoger stellen gaat uiteraard uiterst gemakkelijk; bij het laten zakken in het zand moet de opstelling onder neerwaartse druk een beetje heen en weer worden bewogen in het zand.

$

3-13


Dit laatste gaat bij de reageerbuisjes erg gemakkelijk, bij de kolfjes vanwege de beperkte afmetingen van het zandbad uiteraard iets moeilijker. Bij een juiste badtemperatuur voor reflux moet alleen het te verwarmen gedeelte van een kolf in het zand steken. Die bovenste zandlaag moet dan een temperatuur hebben die 10 tot 20 graden boven de vereiste kooktemperatuur ligt. Deze ideale toestand wordt meestal niet bereikt. Door met de spatel het zand rondom de kolf op te hogen kan de kolftemperatuur iets hoger worden gemaakt. Het gedeeltelijk uitgraven van de kolf leidt tot lagere temperatuur.

3.9 Heteluchtpistool of verfschroeier Een heteluchtpistool (een verfschroeier uit de doe-het-zelfzaak is een goed en goedkoop alternatief), of zelfs een föhn, is erg handig als bijverwarming. Het is een gemakkelijke maar niet direct energiezuinige hulpwarmtebron bij bijvoorbeeld een sublimatie, wanneer de kristallisatie teveel op de buitenwand van de afzuigkolf plaatsvindt. De kristallen kunnen dan naar de koude centrifugebuis verplaatst worden door de hele opstelling op het tafeloppervlak met de vingers aan de bovenkant van de centrifugebuis vast te houden en in de hete luchtstroom rond te draaien. Denk erom dat het zand uit een zandbad wordt geblazen wanneer de heteluchtstraal direkt op het zandbad wordt gericht. Rijpvorming op de kolfwand kan ook worden voorkomen door de kolf in een reflector geknipt uit aluminiumfolie in te pakken. De voortgang van de kristallisatie is dan uiteraard wel grotendeels aan het oog onttrokken. kunststofslang De verfschroeier kan ook handig zijn om een haarspeldbocht in de kunststofslang aan te brengen. De slang wordt hiertoe in de juiste vorm gebogen, en zolang tussen duim en wijsvinger in de hete luchtstroom gehouden dat de vorm na afkoelen gehandhaafd blijft.

Hetzelfde resultaat kan ook met een vlammetje van een aansteker worden bereikt. Daarbij moet men voorzichtig verhitten, want bij oververhitting smelt de bocht gemakkelijk dicht. Ook bij het insteken van naalden in kunststofslang kan de verfschroeier goede diensten bewijzen om de slang wat soepeler te maken.

3.10 Schoonmaken De levensduur van vooral de zachte kunststofonderdelen kan aanzienlijk worden vergroot wanneer ze, zo gauw de werkzaamheden dat toelaten, worden schoongemaakt met het voor de verontreiniging geschikte oplosmiddel. Ook het glaswerk moet zo snel mogelijk worden schoongemaakt. Het oplosmiddel moet afhankelijk van de verontreiniging worden gekozen. Weinig vluchtige organische oplosmiddelen moeten weer worden verwijderd met een vluchtig oplosmiddel zoals aceton om te langdurig intrekken in de kunststof te voorkomen. $

3-14


Onderdelen waarin, of waaraan nog organisch oplosmiddel aanwezig is, moeten niet in het schuiminterieur van de microset worden opgeborgen; het schuimmateriaal is tegen veel organische oplosmiddelen niet bestand ! Mechanisch schoonmaken door borstelen met water en schuurmiddel gaat doorgaans handig met wissers of pijpenragers die in de juiste vorm voor het glaswerk zijn gebogen. Het schuurmiddel moet daarna zorgvuldig met water worden weggespoeld om te vermijden dat er een film schuurmiddel achterblijft. Daarna kan het glaswerk met aceton wordt gedroogd.

$

3-15


4. Typische microschaaltechnieken 4.1 Filtreren Het filtreren met de bedoeling vaste (al of niet kristallijne) en vloeibare componenten van mengsels te scheiden, kan op talloze manieren worden uitgevoerd. Factoren die de voorkeursmethode bepalen zijn o.a.: 1) de deeltjesgrootte, 2) de viscositeit van het mengsel, 3) de bestendigheid van het filtermateriaal (papier, watten, glaswol, kunststof-fiterschijf), 4) de vraag of we de vaste of de vloeibare component of misschien allebei kwantitatief nodig hebben 5) de relatieve volumes van de componenten, etc. in pasteurpipet Een pasteurpipet met een propje watten erin geduwd kan worden gebruikt om o.i.v. zwaartekracht te filtreren. Deze methode is het meest geschikt wanneer het alleen om het filtraat gaat. De mate waarin het wattenpropje met behulp van een houten stokje wordt aangestampt bepaalt de filtratiesnelheid en de deeltjesgrootte die kan worden tegengehouden. Drukverhoging met een speentje versnelt weliswaar het proces, maar vermindert de filterkwaliteit. Een op de juiste wijze met een wattenpropje geprepareerde pasteurpipet kan zelfs worden gebruikt om actieve kool (zoals Norit SA3) uit een oplossing te filtreren. De vloeistof moet dan langzaam op zwaartekracht door de filterprop lopen! met filtertip Het T-stuk, met de zijbuis omhoog wijzend, voorzien van een thermometermanchet en een ondergekoppeld reageerbuisje vormt een goede basis voor het gebruik van zowel de filtertip (büchnertrechter met filterschijf) als de filtertrechter (hirschtrechter met filterschijf). De zijbuis kan zonodig voor vacuümaansluiting dienen. Zeer kleine hoeveelheden te filtreren mengsel kunnen met behulp van een pasteurpipet direkt in de filtertip gedruppeld worden. Bij hoeveelheden van meer dan een milliliter kan beter de chromatografiekolom of luchtkoeler op de filtertip worden gezet, gesteund in een kleine klem. Het mengsel wordt dan met de pasteurpipet onder in de kolom op het filter gedruppeld.

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0 4.5 1.5 4.0 1.0 0.75

3.5

0.5 3.0

$

3-16


De filtertip kan ook met de punt in het T-stuk (voorzien van septum met naald en een reageerbuisje om het filtraat op te vangen) worden gestoken, waarna een verbindingsstuk op het T-stuk wordt gedrukt. Dit geheel kan dan een op reageerbuisje met het te filteren mengsel worden gezet. Door het apparaat om te keren kan gefiltreerd worden. 3.5

0.5 0.75

4.0

1.0

4.5

1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 4.5

4.5

4.0

4.0 3.5

3.5

3.0

3.0

2.5

2.5

2.0

2.0

1.5

1.0

1.5

0.75 1.0

0.5

0.75 0.5

De polyethyleen filterschijfjes hebben poriegrootte van 20 micrometer. Voor het affiltreren van erg fijne deeltjes moet er een schijfje filtreerpapier op worden gelegd (bv. actieve kool na ontkleuring, indien daar geen korrelkool voor is gebruikt). De diameter van de papieren filterschijfjes is voor de filtertip erg kritisch. Helaas is die diameter net iets groter dan met de gewone perforator kan worden gemaakt. De schijfjes kunnen met een holpijpje uit een stapeltje filters worden geslagen. De rand van het papier moet licht verend juist tegen de zijkant van het filter sluiten. Na afloop kan met een stompe injectienaald of een recht afgeknipt metaaldraadje het kunststof plaatje met papier en al van onder af uit het filter worden geduwd. Daarna moet het plaatje weer zorgvuldig recht op zijn plaats gedrukt worden. De luer-kern van de injectiespuit of van het kraantje kan daarbij worden gebruikt. met filtertrechter De filtertrechter kan op de afzuigkolf worden gebruikt. Omdat de afzuigkolf zou kunnen breken als de stugge dikke rubbervacuümslang terugveert, moet de kolf met een geschikte klem aan het statief vastgezet worden.

$

3-17


De filtertrechter kan ook op de zelfde manier als de filtertip gebruikt worden. Omdat de meeste filtertrechters gasdicht op de glasrand van het T-stuk sluiten, is het niet altijd nodig om de thermometermanchet te gebruiken. Wanneer de aansluiting toch mocht lekken, dan kan de thermometermanchet er tussen worden gezet. Bij het demonteren moeten T-stuk en manchet stevig in één hand worden gehouden, waarna de trechter met de andere hand eruit getrokken kan worden. Zorg dat de manchet moet niet in de buitenconus van de trechter wordt geduwd; bij het demonteren blijft hij dan binnenin de filtertrechter zitten van waaruit hij heel moeilijk is te verwijderen.

4.5

4.5

4.0

4.0

3.5

3.5

3.0

3.0

Ook in de filtertrechter zit een polyethyleen filterschijfje met een poriegrootte van 20 micrometer. De schijfjes filtreerpapier voor de filtertrechter moeten precies tegen de trechterwand sluiten en bij voorkeur na bedruppelen met het gebruikte oplosmiddel even vast gezogen worden. Het filtreerpapier met daarop het vaste materiaal kan na afloop het beste met de puntige kant van de spatel van het filterschijfje worden gewipt. Verwijderen van het kunststof filterschijfje (bijvoorbeeld om het om te keren) gaat het best als door de steel met de recht afgesneden kant van een dun rondhoutje (zoals een satéprikker) wordt geduwd. Druk bij het weer aanbrengen van het filterschijfje de randen zorgvuldig in de zitting. Verkleurde of enigszins verstopte filterschijfjes hoeven niet meteen te worden weggegooid. Na spoelen met heet oplosmiddel, omkeren en nogmaals spoelen is het schijfje meestal weer bruikbaar. ‘opfiltreren’ in pasteurpipet De meest elegante manier van filtreren op microschaal is het zogenaamde ‘opfiltreren’. Opfiltreren heeft de voorkeur bij de uitvoering van een herkristallisatie in een reageerbuisje. Wanneer een geschikt oplosmiddel is gevonden, waaruit de te zuiveren stof in niet al te fijne kristallen uitkristalliseert, dan kan herkristallisatie vele malen in hetzelfde reageerbuisje worden herhaald zonder het kristallisaat eruit te halen. Gebruik een pasteurpipet met een onbeschadigde, goed loodrechte punt. Na volledige kristallisatie wordt deze voorzichtig op de bodem van het reageerbuisje met het mengsel van moederloog en kristallisaat gezet. Daarbij wordt zachtjes in het speentje geknepen om te zorgen dat er geen kristallijn materiaal in de pipet komt. De pipetpunt wordt uiterst licht op de bodem van het reageerbuisje gedrukt, waarna alle lucht uit het speentje wordt geknepen.

$

3-18


4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

Het speentje wordt daarna voorzichtig losgelaten, waardoor de moederloog in de pasteurpipet wordt gezogen en naar een leeg reageerbuisje kan worden overgebracht. Dit proces kan bij goede keuze van oplosmiddel(mengsel) een aantal malen worden herhaald, met een minimum aan stofverlies.

4.2 Kristalliseren Over kristalliseren zijn boeken vol geschreven. De ene verbinding kristalliseert gemakkelijk, de andere heel moeilijk. Een en ander is erg afhankelijk van het oplosmiddel (-mengsel). Hier wordt volstaan met slechts twee vuistregels: 1. Uitkristalliseren moet langzaam gebeuren om de vorming van al te fijne kristallen te voorkomen. 2. Grote kristallen vertonen echter vaak veel inclusie van oplosmiddelen en zijn dan minder zuiver. Het reageerbuisje met hete oplossing kan het beste ter kristallisatie in een bekerglaasje met watten of in een blok piepschuim worden gestoken. Het verwijderen van de laatste resten oplosmiddel uit een hoeveelheid kristallijn materiaal dat zich in een reageerbuisje bevindt, geschiedt door aanbrengen van een septum met naald/slang aansluiting en aansluiten op vacuüm. Verwarmen tot zo hoog mogelijke temperatuur zonder daarbij het materiaal te smelten versnelt het proces aanzienlijk. Als goed alternatief kunnen de kristallen worden uitgespreid op een klein horlogeglas of filtreerpapier, om ze aan de lucht te laten uitdampen (drogen).

4.3 Sublimeren onder atmosferische druk Sublimatie bij atmosferische druk wordt uitgevoerd met de afzuigkolf en een met smeltend ijs gekoelde centrifugebuis. De punt van de centrifugebuis moet dicht boven het te sublimeren materiaal op de bodem van de afzuigkolf komen. Daartoe wordt de afzuigring zover op de centrifugebuis gescho$

3-19


ven, dat de punt van de de buis tot circa 3 mm van de bodem komt als de buis met de ring losjes in de afzuigkolf gedrukt wordt. Voor het opschuiven van de afzuigring wordt de centrifugebuis, afgesloten met het dekseltje, ondersteboven op een stevige ondergrond gezet. Pas regelmatig, opdat de ring niet te ver op de buis wordt geschoven. Bij het terugschuiven wordt de buis namelijk op de punt gezet, en moet de punt alle krachten opvangen, waarbij een verhoogd breukrisico bestaat. Zet de punt daarom liefst niet op een harde, betegelde ondergrond, maar op een houten werkblad. Wanneer eenmaal een goede positie is bereikt, dan kan de ring het beste op de buis gelaten worden en bij de betreffende kolf worden bewaard. Om condens op het gesublimeerde materiaal te voorkomen, moet het mengsel van water en ijs pas in de centrifugebuis worden gedaan nadat het onzuivere mengsel op de bodem van de afzuigkolf is gebracht, de buis losvast in de kolf gezet en de zijtuit met een speentje van een pasteurpipet is afgesloten. Bij gasdichte afsluiting kan de lucht, die door het verwarmen uitzet, de centrifugebuis uit de kolf persen. De kolf wordt verwarmd door de bodem op het warme zand te zetten. Het zand moet vooral niet al te heet zijn. Inpakken van de kolfwand in een stukje aluminiumfolie kan voorkomen dat teveel materiaal op de koele kolfwand sublimeert. De voortgang van de sublimatie is dan natuurlijk niet goed te zien. Sublimeren gaat vrij traag. Er moet vooral niet meteen een te hoge wandtemperatuur worden gebruikt; de stof kan dan gaan smelten en zelfs koken en spatten. Enig geduld is dus vereist.

KONTES

25ml

Wanneer geen aluminiumfolie wordt gebruikt, kan de kolfwand met een verfbrander worden warmgemaakt. Om te voorkomen dat het zandbad wordt leeggeblazen moet de kolf daarbij buiten het zandbad aan de zijtuit in de hand worden gehouden! De kolf kan ook iets schuin op tafel aan de buis vastgehouden in de hete luchtstroom worden rondgerold. Er moet dan worden opgelet dat de (bewust niet al te vastgezette) kolf niet van de buis valt. Om het gesublimeerde materiaal droog te verzamelen dient het ijswater eerst vervangen te worden door water van kamertemperatuur. Daarna kan dan de centrifugebuis zonder gevaar voor vochtcondensatie voorzichtig worden uitgenomen en de gezuiverde stof er met de spatel worden afgekrabd.

$

3-20


4.4 Kolomchromatografie Op microschaal kan met redelijk grote snelheid een kolomchromatografische scheiding worden uitgevoerd. Bovendien is betrekkelijk weinig adsorbens nodig. Voor een kolomchromatografische scheiding wordt de glazen kolom voorzien van de filtertip. De benodigde hoeveelheid droog adsorbens kan eenvoudig worden afgepast door met behulp van de vultrechter de glazen kolom tot de gewenste hoogte te vullen. Het aldus afgemeten adsorbens wordt in een erlenmeyer geschud. Het buiseinde van de glaskolom wordt tot een centimeter of twee door een verbindingsstuk met staafje geduwd. Het geheel wordt aan het statief gehangen en voorzien van kraan en vultrechter. De kraan wordt gesloten.

KONTE S10ml

De kraan draait soms vrij zwaar en moet daarom altijd met twee handen worden bediend. Bij gebruik van één hand schiet gemakkelijk de filtertip met kraan en al van de kolom!

Het te scheiden mengsel wordt opgelost in enkele druppels van een vluchtig oplosmiddel. Daarna wordt circa 200 mg droog adsorbens toegevoegd en het oplosmiddel onder zacht verwarmen en roeren afgedampt. Het te scheiden mengsel blijft op deze wijze geadsorbeerd achter in de vorm van een makkelijk hanteerbaar poeder. $

3-21


Het vullen van de kolom kan het beste geschieden door een slurry van het adsorbens en het elutiemiddel in één keer in de gedeeltelijk met elutiemiddel gevulde kolom te storten. Hiertoe wordt aan het van te voren afgemeten adsorbens iets meer elutiemiddel toegevoegd dan nodig is om de vaste stof geheel te bedekken. Terwijl de erlenmeyer voortdurend wordt rondgezwenkt, wordt de slurry met een snelle beweging in de vultrechter gegoten. Het mengsel moet in zijn geheel daarin passen. Door gedeeltelijk openen van de kraan wordt de kolom met een matige snelheid afgetapt in de erlenmeyer met de resten adsorbens. Terwijl het adsorbens in de kolom bezinkt, wordt het laatste restje in de erlenmeyer opgewerveld en toegevoegd. Zonodig wordt het in de vultrechter aanwezige adsorbens met de spatel opgeroerd. Na volledig bezinken van het adsorbens wordt de kolom tot op enkele millimeters boven de pakking afgetapt. Het van tevoren klaargemaakte geadsorbeerde monster wordt op de kolom getikt en met enkele druppels eluens gelijkmatig in de kolomtop verdeeld. De kolomtop wordt afgedekt met enkele millimeters fijn kwartszand. Het zandlaagje dient verstoring van de kolomtop bij de toevoeging van elutiemiddel te voorkomen. Het elutiemiddel wordt langs de wand uit een injectiespuit met naald of uit een pasteurpipet toegevoegd tot aan de vultrechter. Daarna wordt elutiemiddel aangevuld met ruwweg dezelfde snelheid als die waarmee het aftappen plaatsvindt.

4.5 Scheitrechterfunctie Het scheiden van niet met elkaar mengbare vloeistoflagen zoals we dat op grotere schaal in een scheitrechter uitvoeren, geschiedt op microschaal geheel met behulp van twee reageerbuisjes en een pasteurpipet met een goed veerkrachtig speentje. Een mengsel van ether en water wordt ‘geschud’ door de punt van een pasteurpipet in de buurt van de scheidingslaag te brengen en het speentje snel in te knijpen en weer los te laten. Bij het juiste ritme ontstaat hierdoor een zeer intensieve extractie. Het mengsel moet daarna eerst weer goed in lagen scheiden. Het verwijderen van de bovenste laag, in dit geval de etherlaag, geschiedt door zorgvuldig opzuigen in een droge pasteurpipet. Daarbij wordt tot zo dicht mogelijk bij de scheidingslaag doorgegaan. De opgezogen bovenlaag wordt overgebracht in een reageerbuisje, waarin ook de bovenlagen van volgende extracties worden verzameld. Het verzamelen van een onderste laag, bijvoorbeeld bij een extractie van een carbonzuur met behulp van verdunde loog uit een etherische oplossing, verloopt op vergelijkbare wijze. Nadat de lagen na het schudden volledig tot scheiding zijn gekomen, wordt een pasteurpipet onder uiterst voorzichtig inknijpen van het speentje door de bovenlaag heen tot op de bodem van het reageerbuisje gestoken. Terwijl de pipetpunt door de bovenlaag heen gaat moet een bijna ontsnappend luchtbelletje ervoor zorgen dat de bovenlaag niet in de pipet terecht komt. Anderzijds mag hierdoor het grensvlak niet teveel worden verstoord. De onderlaag wordt vervolgens zorgvuldig tot dicht bij het grensvlak opgezogen waarna de pipet door de bovenlaag wordt getrokken, zorgvuldig vermijdend dat er bovenlaag wordt meegezogen. Het is veiliger om er zelfs een druppelje onderlaag bij te verliezen.

$

3-22


4.6 Drogen van oplossingen Het drogen van organische lagen na een extractie moet met een zorgvuldig geselecteerd droogmiddel gebeuren. De selectiecriteria zijn daarbij anders dan die op grotere schaal. Zo zal watervrij natriumsulfaat de voorkeur verdienen boven watervrij magnesiumsulfaat. Het laatste droogmiddel is te fijn, waardoor het moeilijk door middel van opfiltreren met behulp van een pasteurpipet van de vloeistof is te scheiden. De geringe hoeveelheden die nodig zijn, maken ook duurdere droogmiddelen aantrekkelijker, zoals korrelvormige geactiveerde moleculaire zeven (molsieves) of duurdere, granulaire vormen van een ander droogmiddel, zoals granulair calciumchloride.

4.7 Ontkleuring met actieve kool In hetzelfde licht als de droogmiddelen moet ook actieve kool worden gezien. Als een oplossing van een organische verbinding sterk gekleurd is door teer of harsachtige bijproducten, zijn de poedervormige kwaliteiten uitstekend geschikt voor het ontkleuren daarvan. Toch kan men hiervoor beter een duurdere, gegranuleerde actieve kool gebruiken, zoals Norit RO 0,8. Poederkool kan namelijk niet worden afgefiltreerd met de kunststof filterschijfjes zonder daarbij een extra fijn papierfilterje te gebruiken; laat staan met de opfiltreermethode!

4.8 Indampen en afdampen Het verwijderen van oplosmiddel kan natuurlijk altijd gebeuren door ‘normale’ destillatie. Het in- of afdampen zoals dat op grotere schaal wordt gedaan met een rotatieverdamper kan niet goed worden toegepast op het microschaal glaswerk; de vorm van de reageerbuisjes leent zich daar niet toe.

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

10 0 75 0.5

Voor het afdampen van kleine hoeveelheden vluchtig oplosmiddel wordt het open reactievat verwarmd tot dicht onder de kooktemperatuur van het oplosmiddel. Een heel kalme straal perslucht uit een naald kan het verdampen sterk versnellen. Een op de waterstraalpomp aangesloten naald, juist boven de meniscus van de bijna kokende oplossing, geeft hetzelfde effect.

$

3-23


4.9 Koken en refluxen kookvertraging Kookvertraging treedt ook op heel kleine schaal op! In een open vat is een kookhoutje een goed middel om kookvertraging te voorkomen. De houtjes kunnen van droge satéprikkers gemaakt worden. Ze moeten goed geëxtraheerd zijn met alle oplosmiddelen waarin ze moeten dienstdoen, en daarna langdurig aan de lucht of in vacuüm ‘gedroogd’. De meeste houtsoorten bevatten vrij veel extraheerbare producten. De stokjes moeten zo lang zijn dat ze gemakkelijk weer uit de kolf met eventueel daarop gemonteerde onderdelen kunnen worden gehaald. kooksteentjes Kookstenen met een niet al te poreuze structuur kunnen worden gebruikt in ‘dichte’ opstellingen, zoals een destillatieopstelling of een opstelling die ‘afgesloten’ is met een septum met naald. Wanneer de structuur erg poreus is, zoals bij veel puimsteenachtige kooksteentjes, dan zullen ze niet effectief zijn in de wat ‘zwaardere’ oplosmiddelen zoals dichloormethaan of trichloormethaan. Ze dwarrelen dan grotendeels in de buurt van de meniscus van de kokende oplossing, zodat op de bodem toch nog kookvertraging optreedt. Het verwijderen van kooksteentjes uit een oplossing is moeilijk. In zo’n geval wordt de vloeistof door opzuigen met de pasteurpipet in een andere kolf overgebracht. magneetroerder Het gemakkelijkst is het gebruik van roermagneet en magneetroerder om kookvertraging te voorkomen. refluxen Gedurende refluxen wordt een opstelling gewoonlijk afgesloten gehouden met een septum waardoor een naald wordt gestoken. Wanneer de naald zou worden vergeten kan een goed sluitend septum door de druk van de kolf worden geblazen.

4.5

4.5

4.0

4.0

3.5

3.5

3.0

3.0

Bij langdurig refluxen kan stofverlies vrijwel geheel worden voorkomen door het gebruik van de luchtkoeler die is afgesloten met een septum plus naald. Wanneer waterdamp zorgvuldig moet worden uitgesloten, kan circa 10 cm goed gedroogde kunststofslang een calciumchloridebuisje vervangen. De naald wordt van te voren in het septum gestoken vanaf de kant die in de buis komt, en de punt worden voorzien van de slang. Daarna wordt het septum aangebracht. $

3-24


4.5

4.0 4.5 3.5 4.0

3.5 3.0

3.5

3.0 2.5

3.0

2.5 2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.75 0.75 0.5

Het opzetten van een septum waardoor al een naald met slang (of alleen een slang) steekt, gaat in beginsel op dezelfde manier als een septum zonder naald. Het omvouwen en over het buiseinde trekken van de septumrand gaat dan alleen wat moeilijker.

4.10 Koelen Het relatief grote glasoppervlakte bij het microschaalglaswerk maakt waterkoeling zelfs bij langdurig koken overbodig. Bij refluxen van enkele milliliters vloeistof in een reageerbuisje fungeert het bovenste deel van de kolf als terugvloeikoeler. Vaak kan de kolf hierbij zelfs langdurig bij het topje van de buis tussen de vingers worden vastgehouden zonder de vingers te branden. Het gedeelte van een reageerbuisje dat binnen het verbindingsstuk geschoven zit is niet voor koeling beschikbaar. Wanneer een reageerbuisje onvoldoende koelcapaciteit biedt, kan de luchtkoeler erop gezet worden. Bij refluxen van een etherische oplossing gedurende langere tijd bij een verhoogde omgevingstemperatuur kan het nuttig zijn daarbij nog een vochtig gehouden pijpenrager om de luchtkoeler te winden. Drenken in een beetje ethanol geeft een nog betere koeling.

4.5

4.0

3.5

3.0

Ook bij het destilleren is luchtkoeling voldoende. Toch kan het bij erg laagkokende vloeistoffen nodig zijn de ontvanger in een klein bekerglas met ijs te koelen. Voor het aanbrengen van ijsgruis rondom een erlenmeyer die in een bekerglaasje staat kan de $

3-25


vultrechter omgekeerd op de erlenmeyer worden gezet om te voorkomen dat ijsgruis in de ontvanger zelf terecht komt. Nadat de vultrechter is verwijderd kan het geheel met klem en mannetje onder de uitloop van de destillatieopzet worden gemonteerd.

4.11 Destilleren sneldestillatie Kleine hoeveelheden versgedestilleerde vloeistof kunnen heel handig worden verkregen met behulp van twee reageerbuisjes en een pasteurpipet met speentje. De beide reageerbuisjes worden op ongelijke hoogte tussen duim en wijsvinger van één hand gehouden. De onzuivere vloeistof wordt met enkele kooksteentjes in het laagstgehouden buisje gebracht. De vloeistof wordt tot koken verhit in een zandbad van geschikte temperatuur totdat duidelijk condensatie in het koudere deel van het reageerbuisje optreedt. Met de andere hand wordt de pasteurpipet met ingeknepen speentje in de condenserende damp van de kokende vloeistof gestoken, waarna het speentje langzaam wordt losgelaten. De pipet met de daarin gecondenseerde vloeistof wordt uit het kookbuisje getrokken en het condensaat in het lege reageerbuisje gespoten. Wanneer dit proces enkele malen wordt herhaald kan in zeer korte tijd een bruikbare hoeveelheid vers gedestilleerd materiaal worden verzameld. gewone destillatie Destillatie tot enkele milliliters vloeistof wordt uitgevoerd vanuit een rondbodem met destillatieopzet. De zijarm van de opzet fungeert hierbij als luchtkoeler. Soms vormen zich geen mooie druppels aan het uiteinde van de zijarm. Een gekruld stukje metaaldraad, dat in de zijarm wordt geklemd, kan zonodig als druppelpunt worden gebruikt.

Het vloeistofreservoir van de thermometer moet voldoende ver in de condenserende damp steken. Afhankelijk van de vereiste immersiediepte van de gebruikte thermometer kunnen grotere of kleinere fouten in de temperatuuraanwijzing optreden. Door de grote warmtecapaciteit van de thermometer en de geringe hoeveelheid damp, kan er te veel damp aan de thermometerpunt condenseren. Het gebruik van een thermokoppel met lagere warmtecapaciteit heeft dan ook de voorkeur.

$

3-26


gefractioneerde destillatie Microschaal destillatieopstellingen hebben een erg klein scheidend vermogen. Voor gefractioneerde destillatie kan de scheiding worden verbeterd door een langhalskolf te gebruiken, of door de destillatiekolom (al of niet gevuld met metaalspons) tussen de kookkolf en de destilatieopzet te monteren. Een goede kolomvulling bestaat uit 1 à 1,5 gram goed verdeelde koperen of roestvrijsstalen pannenspons. De pannenspons moet met een schaar afgeknipt worden; met blote handen verdelen kan ernstige snijwonden opleveren. Enkele voorbeelden voor verbeterde scheiding staan hieronder getekend. Het omwikkelen van de kolom met watten en aluminiumfolie geeft een sneller, maar minder goed resultaat

vacuümdestillatie ‘Vacuümdestillatie’ op kleine schaal is eigenlijk niet mogelijk. Toch kunnen aardige resultaten worden behaald wanneer spatten wordt tegengegaan door magnetisch te roeren en te zorgen voor goede gasdichte aansluitingen. Spatten kan ook, zij het meestal met wat minder succes, worden voorkomen door de kookkolf voor een groot deel te vullen met goed uitgeplozen glaswol of metaalspons. $

3-27


0.5

0.7 5

1.0

1.5

2.0

glaswol

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

naar vacuum

stoomdestillatie Voor stoomdestillatie van vluchtige verbindingen wordt het T-stuk met omhooggerichte zijarm tussen kookvat en destillatieopzet gemonteerd. De zijarm wordt afgesloten met een septum en met behulp van de injectiespuit wordt het water weer aangevuld met de snelheid waarmee het overdestilleert.

4.12 Droog werken Reacties die moeten worden uitgevoerd onder extreme uitsluiting van waterdamp vereisen uiteraard zorgvuldig drogen van glaswerk en kunststofonderdelen. Alle materialen die bij dergelijke reacties worden gebruikt dienen liefst in een exsiccator met goed werkzaam droogmiddel te blijven opgeslagen. Wanneer onvoldoende vóórdroogtijd beschikbaar is, moeten het glaswerk en de kunststofonderdelen minstens een paar uur op circa 120°C zijn gedroogd.

$

3-28


Reagentia kunnen onder zeer droge omstandigheden aan een reageerbuisje worden toegevoegd met een droge injectiespuit.

1,0 ml 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 4.5

4.0

3.5

2.0

1.5

1.0 0.75 0.5

De kunststofslang en naalden moeten afdoende lang zijn gedroogd voordat de slang/naald combinatie de functie van een chloorcalciumbuisje kan overnemen.

$

3-29


$

3-30


Overzicht gebruikte literatuur In dit overzicht staan de boeken opgenomen die voor het samenstellen van de hele tekst gebruikt zijn. Naar specifieke literatuur wordt ter plekke verwezen. We hebben gebruik gemaakt van de in dit overzicht vermelde drukken; andere drukken kunnen hiervan afwijken.

1. Studieboeken Chemie L. Pieren, M. Scheffers-Sap, H. Scholte, E. Vroemen & W. Davids (red.): Chemie, Groningen: Wolters-Noordhoff 3HV vierde druk 1995 4H vierde druk 1996 4V vierde druk 1996 5H derde druk 1993 5V derde druk 1992 6V derde druk 1993 Chemie overal J. Reiding, P.W. Franken & M.A.W. Kabel-van den Brand: Chemie overal, Houten: Educaboek/Educatieve Partners Nederland B.V. 3HV derde druk 1995 4H tweede druk, derde oplage 1995 4V tweede druk, derde oplage 1996 5H tweede druk, tweede oplage 1995 5V tweede druk, tweede oplage 1994 6V tweede druk, tweede oplage 1996 Williamson K.L. Williamson: Macroscale and microscale organic experiments, Lexington en Toronto: D.C. Heath, 1989

2. Naslagwerken Aldrich Aldrich: Catalog handbook of fine chemicals 1996-1997 , Zwijndrecht: Aldrich chemie, 1996. Binas G. Verkerk, J.B. Broens, W. Kranendonk, F.J. van der Puijl, J.L. Sikkema & C.W. Stam: Binas, informatieboek vwo/havo voor het onderwijs in de natuurwetenschappen, Groningen: Wolters-Noordhoff, derde druk 1992. Chemiekaarten Stuurgroep Chemiekaarten (samenstelling): Chemiekaarten, gegevens voor veilig werken met chemicaliën, Alphen aan de Rijn: Samson H.D. Tjeenk Willink, elfde editie 1995. $

4-1


4

Examenprogramma H. Morélis: Scheikunde, voorlichtingsbrochure havo/vwo, Enschede: SLO 1996. Handbook R.C. Weast, M.J. Astle & W.H. Beyer (red.): CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Publishing Company, 61 st Edition 1980 en 66th Edition 1986. IUPAC International union of pure and applied chemistry, organic chemistry division, commission on nomenclature of organic chemistry, J. Rigaudy & S.P. Klesney (red.): Nomenclature of organic chemistry, Sections A, B, C, D, E, F and H, 1979 Edition, Oxford etc.: Pergamon Press 1982. Veilig practicum W. de Vos (red.): Veilig practicum, veiligheidskaarten voor het practicum in het voortgezet onderwijs, Utrecht: Vakgroep Chemiedidactiek Universiteit Utrecht en Leidschendam: VNCI, 1993.

$

4-2


Aanwijzingen bij de leerlingenteksten Inhoud A

Algemeen 1 2 3

B

Scheidingsmethoden 1 2 3 4

C

Destillatie: Winning van alcohol uit een alcoholische drank Gefractioneerde destillatie: Scheiding van een mengsel van methylbenzeen en cyclohexaan Sublimatie: Scheiding van een mengsel van koolstof en benzeencarbonzuur Kolomchromatografie: Scheiding van kaliumpermanganaat en kaliumdichromaat

Eigenschappen van stoffen 1 2 3 4

D

Verschillende koolwaterstoffen Verschillende reactietypen: Reacties tussen broom en koolwaterstoffen Het onderscheiden van isomeren: Twee verschillende stoffen met formule C4H10O Het onderscheiden van isomere alcoholen

Eigenschappen van reacties 1 2 3

E

Gebruik van een katalysator: De bereiding van 1-butylethanoaat Bepaling van de evenwichtsconstante van een verestering Beïnvloeding van een evenwicht: Zuur-gekatalyseerde ‘azeotropische’ verestering

Syntheses 1

5-i

Standaardopstellingen: Verhitten van een vloeistof Standaardopstellingen: Destillatie Standaardopstellingen: Kookpuntbepaling

Esters: geuren en smaken

$


5

5-ii

$


Standaardopstellingen Verhitten van een vloeistof

A1 Aanwijzingen

Inleiding

Het verhitten van een vloeistof zal vaak voorkomen. Drie standaardopstellingen worden hier beschreven: • in een reageerbuisje of kolf • in een reageerbuisje of kolf met terugvloeikoeler • in een reageerbuisje of kolf met terugvloeikoeler en septum.

Examenprogramma

Bij de standaardhandelingen wordt een bijdrage geleverd aan de vaardigheden: Havo en vwo A.23: “De kandidaat kan gebruik maken van stoffen, instrumenten en apparaten voor het in de praktijk uitvoeren van experimenten (…)

Havo en vwo A.27: “De kandidaat kan verantwoord omgaan met stoffen, instrumenten en organismen (…)”

Boeken

Vergelijkbaar zijn: Chemie 3HV: ‘Om te beginnen’ Chemie overal 3HV: hoofdstuk 1

Tijdsduur

Een half lesuur.

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Benodigdheden

Water Ethanol Kooksteentje Reageerbuisje of langhalskolf Verbindingsstuk met staafje Terugvloeikoeler Septum Injectienaald

Gevaren en milieu

ethanol: R: 11; S: 7-16 Ethanol is licht ontvlambaar. Het verwarmingsapparaat is echter geen ontstekingsbron.

Praktische aanwijzingen

Let erop dat de leerlingen de chromatografiekolom niet als terugvloeikoeler gebruiken. Belangrijk is hier het regelen van de verwarming: als de vloeistof te sterk verhit wordt kan de damp uit het apparaat ontwijken. Als de terugvloeikoeler gesloten is met een doorstoken septum is dat aan een fluitend geluid te horen. In het ergste geval zal de damp ook langs het verbindingsstuk ontwijken. Koken onder reflux betekent dat de damp ook werkelijk kan condenseren tegen het koudere deel van het glaswerk. Het aanbrengen van het septum kan problemen opleveren.

5-A1-1

$


Een septum dat als een soort hoedje op de buis is gezet, zit er niet goed op.

Opmerkingen

De standaardhandelingen kunnen als onderdeel van de kennismaking met het werken op microschaal uitgevoerd worden, maar dienen in de eerste plaats als naslagmogelijkheid voor de leerlingen.

Antwoorden op de vragen

1. Door de vorming van damp kan de druk in het vat zo hoog oplopen dat er een breuk ontstaat. In dit geval zal de terugvloeikoeler van het verbindingsstuk af schieten.

5-A1-2

$


Standaardopstellingen Destillatie

A2 Aanwijzingen

Inleiding

In verschillende experimenten zal een destillatie voorkomen. Hier wordt een standaardopstelling daarvoor beschreven. In de voorschriften zal naar deze standaardopstelling worden verwezen. Daarnaast komt de sneldestillatie aan bod.

Examenprogramma



Boeken

Chemie 3HV: hoofdstuk 2.3 Chemie overal 3HV: hoofdstuk 4.4

Tijdsduur

Niet aan te geven.

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Vloeistofmengsel, bijvoorbeeld gemaakt van 1 ml water en 1 ml ethanol Kooksteentjes Reageerbuisje of langhalskolf Verbindingsstuk met staafje Pasteurpipet met speentje

Gevaren en milieu

ethanol: R: 11; S: 7-16 Ethanol is licht ontvlambaar. Het verwarmingsapparaat is echter geen ontstekingsbron.


U kunt de leerlingen wijzen op het gebruik van een natte pijpenrager als extra koeling. Het aanbrengen van de thermometer moet op de aangegeven manier geschieden. Als de thermometer werkelijk te stroef door de manchet schuift kan bij de destillatie van een waterige oplossing wat water worden gebruikt als smeermiddel.

Opmerkingen



1. De sneldestillatie is bruikbaar als een kleine hoeveelheid reagens vers gedestilleerd moet zijn.

5-A2-1

$


5-A2-2

$


Standaardopstellingen Kookpuntbepaling

A3 Aanwijzingen

Inleiding

De bepaling van het kookpunt van een vloeistof is een methode om de identiteit van de stof te bepalen. In dit voorschrift wordt een standaardopstelling beschreven.

Examenprogramma



Boeken

Kookpunt als stofeigenschap: Chemie 3HV: hoofdstuk 1.5 Chemie overal 3HV: hoofdstuk 2.3

Tijdsduur

Niet aan te geven.

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Benodigdheden

Vloeistof waarvan het kookpunt moet worden bepaald Langhalskolf Verbindingsstuk met staafje T-stuk Septum Dunne injectienaald Thermometermanchet Thermometer

Gevaren en milieu

Niet aan te geven.


Er is ook een eenvoudiger opstelling mogelijk, zoals aangegeven in ‘Technische tips: algemene tips’. Deze heeft echter als nadeel dat er gemakkelijk een vloeistofbrug tussen de wand van het reageerbuisje en de thermometer ontstaat. Ook kan kokende vloeistof opspatten tegen de thermometer. De grote thermometer heeft een niet te verwaarlozen invloed op de meting. Een oplossing zou kunnen zijn om de opstelling te ijken met vloistoffen met bekend kookpunt. Een andere oplossing is het gebruik van een thermokoppel. Dat kan in een dichtgesmolten pasteurpipetje worden aangebracht. Een pasteurpipet past juist in de thermometermanchet.

5-A3-1

$


Opmerkingen


Literatuur

Binas, tabel 40c.

5-A3-2

$


Destillatie Winning van alcohol uit een alcoholhoudende drank Inleiding

De destillatie is een scheidingsmethode die in vrijwel elk boek voor de derde klas voorkomt; de ene keer als demonstratie, de ander keer als leerlingenproef. Daarbij wordt dikwijls wijn gebruikt of een gegiste glucoseoplossing. In dit experiment leren de leerlingen een destillatie uit te voeren en leren ze het resultaat te evalueren door het te destilleren mengsel, het destillaat en het residu te vergelijken.

Examenprogramma

Havo F.80 en vwo F.135: “De kandidaat kan uitleggen wat een geschikte methode is voor een scheiding van een mengsel of zuivering van een stof aan de hand van de eigenschappen van de aanwezige stoffen. -destillatie”

Havo C.20: “De kandidaat kan alternatieve brandstoffen noemen: - (bio)alcohol”

Vwo C.34: “De kandidaat kan alternatieve brandstoffen noemen: - methanol en ethanol”

Boeken

Chemie 3HV hoofdstuk 2.3 (vraag 22); 4H hoofdstuk 1.9; 4V hoofdstuk 3.4 Chemie overal 3HV hoofdstuk 4.4

Tijdsduur

Een lesuur.

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Alcoholhoudende drank, zoals wijn (Chemie overal 3HV hoofdstuk 4.4), sherry of een vergiste glucose-oplossing Langhalskolf Kooksteentje Thermometermanchet Thermometer Verbindingsstuk met staafje destillatieopzet vultrechter erlenmeyer horlogeglas

Gevaren en milieu

Laat de leerlingen een veiligheidsbril dragen en zorg dat ze zich niet branden aan de weinig lichtgevende vlam.


Hoewel het scheidend vermogen bij een eenvoudige destillatie niet al te groot is, gaat een destillatie goed met het microschaalglaswerk. De alcoholopbrengst is uiteraard het grootst bij dranken met een hoog alcoholpercentage. Rode wijn, maar vooral een versterkte wijn zoals sherry, is bruik-

5-B1-1

$


B1 Aanwijzingen

baar. Port kan door het hoge suikergehalte karameliseren en een residu opleveren dat moeilijk uit het kolfje is te verwijderen.

Uitbreidingen

De verschillen tussen werken op de gebruikelijke schaal en op microschaal komen bij een destillatie goed naar voren: er is geen waterkoeling nodig! U kunt voor de klas een destillatie op macroschaal uitvoeren en het probleem van schaalvergroting bespreken: welke maatregelen moeten in de industrie genomen worden om te kunnen destilleren? Er bestaat een ABC-band over destillatie.


1. Deze vraag benadrukt dat het destillaat niet zuiver is, maar meer alcohol bevat dan de kokende vloeistof. Het destillaat kan dus opnieuw gedestilleerd worden, waarbij het alcoholgehalte toeneemt. (We laten de azeotroop buiten beschouwing.) 2. Afhankelijk van de snelheid van destilleren en het moment van stoppen kan er een druppel vloeistof als residu achterblijven. 3. Als het destillaat een onbrandbaar bestanddeel bevat, is het niet zuiver. 4. De condensatietemperatuur van de damp is afhankelijk van de samenstelling. Bij een sterke verandering van die temperatuur verandert ook de samenstelling sterk. 5. Het residu bevat minder alcohol. Als argumenten kunnen de brandbaarheid van het destillaat vergeleken met de brandbaarheid van de alcoholische drank, en de veranderde geur genoemd worden.

Literatuur

Williamson, hoofdstuk 5: Distillation. Bouwstenen Chemie, deel III: Thermisch scheiden, Leidschendam: Stichting ABC 1985 (video).

5-B1-2

$


Gefractioneerde destillatie Scheiding van een mengsel van methylbenzeen en cyclohexaan Inleiding

Bij de behandeling van de destillatie wordt vaak ten onrechte beweerd dat de laagstkokende component als eerste verdampt. In dit exeriment leren de leerlingen dat bij een destillatie van een vloeistofmengsel niet alleen de laagstkokende vloeistof verdampt. Ze vergelijken een gefractioneerde destillatie met een eenvoudige destillatie, en kunnen concluderen dat de eerste een betere scheiding geeft. Bij uitbreiding kan ervaren worden dat een destillatie beperkt bruikbaar is om een vloeistofmengsel te scheiden.

Examenprogramma

Havo F.80 en vwo F.135: “De kandidaat kan uitleggen wat een geschikte methode is voor een scheiding van een mengsel of zuivering van een stof aan de hand van de eigenschappen van de aanwezige stoffen. - destillatie”

Vwo: C.40: “De kandidaat kan processen beschrijven die gebruikt worden om produkten te maken in de aardolie verwerkende industrie - gefractioneerde destillatie”

Boeken

Chemie overal 4H en 4V: hoofdstuk 6; 6V: hoofdstuk 5 Chemie 4H: hoofdstuk 9; 4V: hoofdstuk 3

Tijdsduur

Per destillatie een lesuur.

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

5-B2-1

4 ml mengsel van 50% (v/v) methylbenzeen (tolueen) (kp = 110,6°C) en 50% (v/v) cyclohexaan (kp = 80,7°C). Korthalskolf Langhalskolf Kooksteentje Verbindingsstuk met staafje Destillatiekolom Pannenspons van roestvrij staal (bijvoorbeeld Spirenett’ van de firma Spontex, verkrijgbaar bij winkels voor horeca-benodigdheden) Watten Strook aluminiumfolie, ca. 4 × 12 cm Destillatieopzet Thermometermanchet Thermometer Erlenmeyer Bekerglas met ijs

$


B2 Aanwijzingen

Gevaren en milieu

methylbenzeen: R: 11-20; S: 16-29-33 cyclohexaan: R: 11; S: 9-16-33 Beide stoffen zijn zeer brandbaar en vormen explosieve mengsels met lucht. Ze ontvetten de huid. Afval moet in het vat voor halogeen-arme organische stoffen.


Een zorgvuldige destillatie kost betrekkelijk veel tijd; per destillatie is er zeker een les nodig. Er zijn manieren om de leerlingen snel te laten werken. U kunt vooraf een 1:1 (v/v) mengsel van methylbenzeen en cyclohexaan bereiden en de leerlingen daar een portie uit laten pipetteren. Een reageerbuisje kan gebruikt worden om de portie af te meten. Ook kan de vergelijking door twee groepen worden gemaakt: de ene voert de eenvoudige destillatie uit, de andere de gefractioneerde. Daarbij kunnen beide groepen proberen door zorgvuldig te werken een zo goed mogelijke scheiding te verkrijgen. De warmtecapaciteit van de thermometer is groot, waardoor het lang duurt voor het evenwicht zich instelt. Een thermokoppel in een dichtgesmolten pasteurpipet heeft een lagere warmtecapaciteit, en her gebruik daarvan kan de instelling van het evenwicht versnellen.

Uitbreidingen

Er kan ook met een langere destillatiekolom worden gewerkt, door de 10 cm lange destillatiekolom met pannenspons te vullen in plaats van de hals van de langhalskolf. Ook zijn andere vloeistofmengsels te gebruiken. Methylbenzeen en cyclohexaan vormen een nagenoeg ideaal mengsel waarvan de partieeldruk van beide componenten evenredig is aan het product van de dampdruk van de zuivere stof en de molfractie in het vloeistofmengsel. In de praktijk wijken mengsels af van het ideale mengsel, en zullen andere destillatiecurves geven. Opmerkelijk zijn de azeotropische (Grieks: a = niet, zeotroop = kokend met verandering) mengsels, zoals:

Mengsel (kp zuivere component) 1-propanol (97,2°C) / methylbenzeen (110,6°C) 1-butanol (117,7°C) / water (100,0°C) methylbenzeen (110,6°C) / water (100,0°C)

kp azeotroop 92,6°C 93,0°C 85,0°C

samenstelling azeotroop 49,0% / 51,0% (m/m) 55,5% / 44,5% (m/m) 79,8% / 20,2% (m/m)

1-propanol: R: 11; S: 7-16 1-butanol: R: 10-20; S: 16 Als een te destilleren mengsel dezelfde samenstelling heeft als de azeotroop treedt er geen scheiding op. Vooral het mengsel van methylbenzeen en water is interessant, omdat het destillaat 79,9% van de hoogstkokende component bevat. Daar waar zich twee lagen vormen is de samenstelling van de damp eenvoudig na te gaan.

5-B2-2

$


lagen 1 2 2

Bij de zuur–gekatalyseerde azeotropische verestering (experiment D3 en E1) wordt azeotropie gebruikt om water en ester van het reactiemengsel te scheiden.

Literatuur

Binas: tabel 40c Williamson hoofdstuk 5: Distillation Handbook

Antwoorden

1. Het kookpunt van methylbenzeen ligt volgens Binas tabel 40c bij 384K (111°C); dat van cyclohexaan bij 354K (81°C) 2. Cyclohexaan is de laagstkokende vloeistof 3. De eerste druppel bij 81°C, de laatste bij 111°C 4/5. De grafieken kunnen er als volgt uitzien:

115

ideale scheiding slechte scheiding

t 110 e 105 m p 100 e r 95 a 90 t u 85 u r 80 75 volume destillaat in druppels

6. Bovenin de kolom zal het condensaat rijker zijn aan cyclohexaan dan onderin de kolom. Aan het eind van de destillatie zal bij een goede scheiding de kolom met methylbenzeen gevuld zijn. 7. Gefractioneerde destillatie geeft een betere scheiding. Ruim de helft van de overgedestilleerde druppels is bruikbaar.

115

5 cm kolom

t 110 e 105 m p 100 e r 95 a 90 t u 85 u r 80

geen kolom

75 volume destillaat in druppels

5-B2-3

$


5-B2-4

$


Sublimatie Scheiding van een mengsel van koolstof en benzeencarbonzuur Inleiding

Sublimatie is op microschaal een bruikbare zuiveringsmethode. Van de zes verschillende veranderingen van aggregatietoestand gaat echter de minste aandacht uit naar de twee die bij de sublimatie een rol spelen. De leerlingen zullen dus onbekend zijn met het verschijnsel, dat daardoor een zekere fascinatie kan oproepen. De leerlingen leren in dit experiment die twee veranderingen van aggregatietoestand kennen.

Examenprogramma

Sublimatie wordt in de opsomming van scheidingsmethoden (havo F.80 en vwo F.135) niet expliciet genoemd.

Boeken

Chemie 3 HV: aanvulling op hoofdstuk 2 Chemie overal 3 HV: aanvulling op hoofdstuk 4

Tijdsduur

Een lesuur.

Benodigdheden

✓

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Mengsel van koolstof (actieve kool) en benzeencarbonzuur (benzoëzuur): voeg zoveel benzeencarbonzuur aan een portie kool toe dat het mengsel nog zeer donkergrijs blijft Afzuigerlenmeyer Rubber speentje Centrifugebuis Afzuigring IJs: het mooiste is ijs uit een ijsmachine, maar ijsklontjes in een plastic zak fijnstampen met een hamer voldoet ook Horlogeglas

Gevaren en milieu

Benzeencarbonzuur: R: 20/21/22-42/43-36/37/38; S: 26-36 Actieve kool: R: 20-36/37/38; S: 22-26-36 Beide stoffen gelden als irriterend voor de huid, de ogen en de ademhalingsorganen. Het zijn ook voedseladditieven: benzeencarbonzuur (en dan onder de naam benzoëzuur) als conserveermiddel (E210) en kool als kleurstof (E153). Inademing van het fijnverdeelde sublimaat moet echter voorkomen worden.


De afzuigring moet om de centrifugebuis geschoven worden: zet daartoe de centrifugebuis op een werktafel met de punt omhoog. Het kost wat moeite om de afzuigring over de centrifugebuis te schuiven. Verwijderen gaat precies omgekeerd. Zet de punt van de centrifugebuis dan niet op een harde

5-B3-1

$


B3 Aanwijzingen

ondergrond zoals een betegeld werkblad. U kunt de afzuigring ook om de buis laten zitten.

Uitbreidingen

Het sublimaat kan op zuiverheid gecontroleerd worden door een bepaling van het smeltpunt. Ook kunnen andere stoffen gezuiverd worden, zoals: 1,4-dichloorbenzeen (toiletblok), naftaleen, 2-bornanon (kamfer), 2-hydroxybenzeencarbonzuur (salicylzuur), caffeïne, of een mengsel van jood en kaliumjodide.


1. Verdampen en condenseren. 2. Via het register: tabellen 15, 39B en 40. Bij een zelfde druk kan een stof niet zowel een sublimatiepunt als een smeltpunt hebben. 3. Het ijswater moet eerst door water van kamertemperatuur worden vervangen om te voorkomen dat water uit de lucht op de koude buis condenseert en het sublimaat vervuilt. 4. Bij een sublimatie op grote schaal kan het aangegroeide sublimaat makkelijk terug in de kolf vallen. Herkristallisatie zal dan de voorkeur genieten.

Literatuur

Williamson, p. 111. Informatie over het gebruik van voedseladditieven: M. Hanssen & J. Marsden, De E in je eten, Ede: Zomer en Keuning, 1988.

5-B3-2

$


Kolomchromatografie Scheiding van kaliumpermanganaat en kaliumdichromaat Inleiding

Kolomchromatografie is een belangrijk middel bij het scheiden van organische of biochemische stoffen. Hoewel kolomchromatografie niet genoemd wordt in het examenprogramma, vormt het een uitbreiding van de bij vwo wel genoemde papieren dunnelaagchromatografie. De leerlingen leren dat mengsels met chromatografie niet alleen analytisch, maar ook preperatief te scheiden zijn. In dit experiment worden twee gekleurde ionen van anorganische zouten gescheiden.

Examenprogramma

Kolomchromatografie wordt in de opsomming van scheidingsmethoden (havo F.80 en vwo F.135) niet expliciet genoemd.

Boeken

Chemie 6V: microschaalversie van hoofdstuk 3, proef 9 Chemie overal: aanvulling bij 6V hoofdstuk 3.2

Tijdsduur

Een lesuur

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

kaliumpermanganaat R: 8-23/24/25-36/37/38; S: 17-26-2736/37/39 kaliumdichromaat R: 8-23/24/25-34-45; S: 53-17-26-2736/37/39 salpeterzuur R: 23/24/25-34; S: 26-45-36/37/39 zwavelzuur R: 49-23/24/25-36/37/38; S: 53-23-45-36/37/393/7 aluminiumoxide R: 20-37; S: 22-38-36 De gekleurde fracties bevatten zware metalen. Laat de leerlingen een veiligheidsbril dragen met het oog op spatten

Gevaren en milieu

5-B4-1

Te scheiden mengsel, bereid uit gelijke hoeveelheden 0,02 M kaliumpermanganaat en 0,02 M kaliumdichromaat Loopvloeistof: 0,5 M salpeterzuur Loopvloeistof: 1 M zwavelzuur 2 g aluminiumoxide voor kolomchromatografie, neutraal, geactiveerd, 50-200 micron Trechter Glazen kolom Filtertip Kraantje Verbindingsstuk met staafje 3 erlenmeyers

$


B4 Aanwijzingen

eluens. Het na afloop verzamelde kolommateriaal kan worden geneutraliseerd; met natronloog kunnen alle anionen uitgewassen worden.


De suspensie van 2 g aluminiumoxide moet genoeg zijn voor een kolom van ongeveer 4 cm. Deze kolom geeft een goede scheiding. Met een langere kolom neemt de proef meer tijd in beslag.

Uitbreidingen

Met kolomchromatografie kunnen vele mengsels, met name van organische verbindingen, worden gescheiden. In de tweede serie voorschriften wordt kolomchromatografie gebruikt bij de isolatie van natuurstoffen; deze proef bereidt daar op voor. Ook kunnen andere gekleurde anionen worden gekozen; zie de opmerkingen hieronder.

Opmerkingen

Chromatografie werd voor het eerst gebruikt door de Russische botanist Michael Tswett, die in 1906 plantenextracten papierchromatografisch scheidde. Pas vijfentwintig jaar later, met de opkomst van de biochemie, kwam de scheidingsmethode weer in de belangstelling te staan. Tot vandaag de dag is chromatografie een belangrijk middel bij het scheiden van organische of biochemische stoffen. In twee artikelen uit 1937 bespreekt Georg-Maria Schwab de scheiding van (de ionen van) anorganische zouten. Hij gebruikte een microkolom met aluminiumoxide. Een basische kolom was in staat kationen te scheiden, een zure kolom anionen. Schwab constateerde dat de fracties niet als volledig van elkaar gescheiden banden door de kolom liepen, maar aaneengesloten als aan elkaar grenzende banden. Volgens hem berust de scheiding op verdringing van de aan het aluminiumoxide geadsorbeerde ionen, en hij stelde de volgorde op waarin de ionen elkaar verdringen: kationen As3+ Sb3+ Bi3+ Cr3+/Fe3+/Hg2+ UO22+ Pb2+ Cu2+ Ag+ Zn2+ Co2+/Ni2+/Cd2+/Fe2+ Tl+ Mn2+

anionen OH– PO43– F– [Fe(CN)6]4–/CrO42– SO42– [Fe(CN)6]3–/Cr2O72– Cl– NO3– MnO4– ClO4– S2–

De kolomchromatografische scheiding van permanganaat en dichromaat laat duidelijk gekleurde fracties zien. Het paarse

5-B4-2

$


permanganaat kan niet adsorberen aan de met salpeterzuur gevulde kolom en wordt verdrongen door het kleurloze nitraat. Het gele dichromaat komt pas in beweging als het verdrongen wordt door het kleurloze sulfaat, en verdringt dan op zijn beurt het nitraat.


1. Kaliumpermanganaat is paars en kaliumdichromaat is oranje-geel. 2. Het paarse permanganaat zit in de eerste fractie; het oranje-gele dichromaat in de tweede.

Literatuur

B. Jaffe, Crucibles: the story of chemistry, New York: Dover 1976 G.-M. Schwab & K. Jockers, Anorganische Chromatographie (I. Mitteilung), Angewandte Chemie 50 (1937) 546 G.-M. Schwab & G. Dattler, Anorganische Chromatographie (II. Mitteilung) Säuretrennung, Angewandte Chemie 50 (1937) 691

5-B4-3

$


5-B4-4

$


Verschillende koolwaterstoffen

C1 Aanwijzingen

Inleiding

Op basis van verschillen in de reacties van diverse koolwaterstoffen met broom maken leerlingen een onderscheid tussen verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen. Er wordt ook een aantal uit de leefwereld bekende koolwaterstoffen getest op het al dan niet verzadigd zijn.

Examenprogramma

Havo C.37: “De kandidaat kan aangeven wat verstaan wordt onder verzadigde en onverzadigde verbindingen” C.38: “De kandidaat kan een verband leggen tussen de algemene formule van een homologe reeks en de bijbehorende structuurformules: - alkanen , - alkenen” C.39: “De kandidaat kan van een aantal koolstofverbindingen (…) de naam of namen (IUPAC) noemen en de structuurformule geven: - alkanen , - alkenen” C.40: “De kandidaat kan van de in eindterm 38 genoemde verbindingen aangeven tot welke grotere klasse van verbindingen deze behoren en de karakteristieke groep aangeven: - koolwaterstoffen”

Vwo C.42: “De kandidaat kan aangeven op welke wijze de vermoedelijke aanwezigheid van een onverzadigde verbinding kan worden nagegaan” C.53: “De kandidaat kan een aantal onderdelen van een structuurformule herkennen en benoemen: - enkele binding, - dubbele binding” C.54: “De kandidaat kan in een koolstofskelet structuurkenmerken herkennen en benoemen: - verzadigd, - onverzadigd” C.58: “De kandidaat kan van een aantal koolstofverbindingen (…) de systematische naam (IUPAC) noemen en de structuurformule geven: - alkanen , - alkenen” C.60: “De kandidaat kan van de in eindterm 58 genoemde verbindingen aangeven tot welke grotere klasse van verbindingen deze behoren en de karakteristieke groepen aangeven: - koolwaterstoffen”

Boeken

Chemie 4H: hoofdstuk 1.8; 4V: hoofdstuk 3.2 (demonstratieproef 2) Chemie overal 4H: hoofdstuk 6.2; 4V: hoofdstuk 6.3 Alleen in Chemie 4V is een experiment opgenomen ter onderscheiding van verzadigde en onverzadigde koolwaterstoffen.

Tijdsduur

Minder dan 1 lesuur.

✓ ✓ ✓

Benodigdheden

5-C1-1

Octaan 1-octeen Broomreagens: 3 %(v/v) broom in dichloormethaan (in kleine hoeveelheden bereiden i.v.m. beperkte houdbaar-

$


✓ ✓ ✓ ✓

heid en bewaren in een bruine fles). Het gebruik van druppelflesjes verkleint de kans op ongelukken. Er kan ook broomwater 3 % (v/v) worden gebruikt. Enkele koolwaterstoffen uit het dagelijks leven, zoals benzine, wasbenzine, rubber (wit of ongekleurd elastiekje), paraffine-olie, polystyreen of polyetheen. Dichloormethaan Reageerbuisjes Injectiespuit 1 ml of pasteurpipet

Gevaren en milieu

Laat leerlingen nooit met zuiver broom werken! Houd bij het maken van het broomreagens anti-broom bij de hand. broom: R: 26-35; S: 7/9-26 dichloormethaan: R: 40; S: 23-24/25-36/37 octaan: R: 11; S: 9-16-29-33 1-octeen: R: 10-20/22-36/37/38; S: 16-26-36 Het bij dit experiment vaak gebruikte hexaan is vrij toxisch en moet daarom ontraden worden. Het hier gebruikte octaan is veel minder schadelijk.


Als lang wordt gewacht, ontkleurt het mengsel van octaan met broom ook, doordat substitutie optreedt. In een lichte omgeving (felle lamp, zonlicht) gebeurt dit binnen enkele minuten. Bij gebruik van broomwater moet circa 1 ml worden toegevoegd en er moet steeds worden geschud om de waterlaag te ‘mengen’ met de organische laag. Broom gaat dan over van de waterlaag naar de organische laag.

Uitbreidingen

Het experiment kan uitgebreid worden met octyn en met een aromaat (bijv. tolueen = methylbenzeen). 1-octyn (en ook de meeste andere alkynen) is echter vrij prijzig. De kookpunten van octaan en 1-octeen (en eventueel 1-octyn en tolueen) kunnen worden bepaald om de gelijkenis in fysische eigenschappen te laten zien (gebruik daarvoor de kookpuntopstelling in 'kennismaking'). Er kunnen ook verzadigde en onverzadigde vetten en oliën gebruikt worden, zoals kaarsvet, reuzel, slaolie, olijfolie en boter. Vaste stoffen dienen eerst in wat dichloormethaan te worden opgelost.


1. C (koolstof) en H (waterstof). 2. In de buis met octeen is een ontkleuring van het broom zichtbaar. 3. Octeen reageert met broom, octaan niet. 4. De stoffen die in de reactie met broom ontkleuren zijn onverzadigd. De stoffen die dat niet doen, zijn verzadigd.

5-C1-2

$


5.

Octaan is C8H18

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

en 1-octeen is C8H16 H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

Williamson, hoofdstuk 13.3.

Literatuur

5-C1-3

H

$


5-C1-4

$


Verschillende reactietypen Reacties tussen broom en koolwaterstoffen Inleiding

Op basis van verschillen in de reacties van octaan respectievelijk 1-octeen met broom maken leerlingen een onderscheid tussen de reactietypen ‘substitutie’ en ‘additie’. De verwachting bij de gekozen aanpak is dat leerlingen op basis van een aantal extra gegevens over de ontstane producten zelf een reactievergelijking kunnen opstellen en het verschil zien tussen substitutie van broom bij alkanen en additie van broom bij alkenen. De boeken sluiten hierop aan door informatie te geven over reactiemechanismen en de invloed van UV-licht bij substituties.

Examenprogramma

Havo: C.24: “De kandidaat kan typen reacties van koolstofverbindingen noemen en aangeven wat de kenmerken van die reacties zijn: - additie” C.25: “De kandidaat kan uit gegevens afleiden tot welke van de in eindterm 24 genoemde typen reacties een bepaalde reactie behoort: - uit de vergelijking van de reactie, - uit gegevens over beginstoffen en reactieproducten” C.26: “De kandidaat kan aangeven dat alkenen kunnen reageren met de volgende stoffen en aangeven welke producten daarbij gevormd kunnen worden: - halogenen”

Vwo: C.41: “De kandidaat kan de reactie van alkenen en andere onverzadigde verbindingen met (…) halogenen als een additiereactie beschrijven en de mogelijke producten van de reactie geven” (het begrip substitutiereactie is vervallen).

Boeken

Chemie 4V: hoofdstuk 3.5 (proef 6) en hoofdstuk 3.6 (demonstratieproef 7) Chemie Overal 4V: hoofdstuk 12.2 (experiment 39); 5H: hoofdstuk 5.3 (experiment 30)

Tijdsduur

Minder dan een lesuur

✓ ✓ ✓

Benodigdheden

✓ ✓ 5-C2-1

Octaan 1-octeen Broomreagens: 3 % (v/v) broom in dichloormethaan (in kleine hoeveelheden bereiden i.v.m. de beperkte houdbaarheid en bewaren in een bruine fles). Het gebruik van druppelflesjes verkleint de kans op ongelukken. Er kan ook broomwater 3 % (v/v) worden gebruikt: er dient dan circa 1 ml te worden toegevoegd en er moet flink worden geschud. 2 reageerbuisjes Injectiespuit 1 ml of pasteurpipet met speentje

$


C2 Aanwijzingen

✓ ✓ ✓

Aluminiumfolie of zwart papier Lamp pH-papier

Gevaren en milieu

broom: R: 26-35; S: 7/9-26 dichloormethaan: R: 40; S: 23-24/25-36/37 octaan: R: 11; S: 9-16-29-33 1-octeen: R: 10-20/22-36/37/38; S: 16-26-36 Laat leerlingen nooit met zuiver broom werken! Houd bij het maken van het broomreagens anti-broom bij de hand. Het bij dit experiment vaak gebruikte hexaan is vrij toxisch en moet daarom ontraden worden. Het hier gebruikte octaan is veel minder schadelijk.


De reactie tussen broom en octaan verloopt niet altijd gemakkelijk. Gebruik eventueel een UV-lamp om de reactie te bevorderen of stel het reactiemengsel aan fel zonlicht bloot. Het aantonen van waterstofbromidegas kan lastig zijn door de kleine schaal waarop het experiment wordt uitgevoerd. Dit kan door het ademen over de buis (er is dan een nevel zichtbaar) of met een vochtig pH-papiertje. Ook bij de bromering van onverzadigde koolwaterstoffen kan waterstofbromide ontwijken. Er vindt dan substitutie plaats. Als niet in te fel licht wordt gewerkt, valt te verwachten dat uitsluitend additie plaatsvindt. Bij gebruik van broomwater is het belangrijk om te schudden om de waterlaag te ‘mengen’ met de organische laag.

Uitbreidingen

Het experiment kan uitgebreid worden door ook 1-octyn en methylbenzeen (tolueen) met broom te laten reageren. Octyn vertoont dezelfde reactie als octeen. Methylbenzeen reageert alleen in licht en vertoont dus substitutie, doch geen additie. Met dit laatste experiment kan het bijzondere karakter van aromaten worden geïllustreerd.


1. Chemie noemt de volgende koolwaterstoffen: (in hoofdstuk 1 van deel 4H:) alkanen, alkenen, alkynen, verzadigde, onverzadigde en cyclische koolwaterstoffen en benzeen als voorbeeld van een apart type; (in hoofdstuk 3 van deel 4V:) alkanen, alkenen, alkynen, aromaten, verzadigde, onverzadigde en cyclische koolwaterstoffen. Chemie overal noemt: (in hoofdstuk 6 van deel 4H:) cyclisch vs. acyclisch, verzadigd vs. onverzadigd, vertakt vs. onvertakt, en noemt alkanen, alkenen, alkadiënen, cycloalkanen en cycloalkenen; (in hoofdstuk 6 van deel 4V:) aromatisch vs. alifatisch, cyclisch vs. acyclisch, verzadigd vs. onverzadigd, vertakt vs. onvertakt, en noemt alkanen, alkenen, alkynen, alkadiënen, cycloalkanen en aromaten.

5-C2-2

$


2. Octaan behoort tot de onvertakte alkanen (verzadigd, acyclisch). Octeen behoort tot de onvertakte alkenen (onverzadigd, acyclisch). 3. C8H18 en C8H16. 4. octaan:

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

1-octeen:

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

5. Alleen in de buis die wordt belicht, treedt een reactie op. 6. Het produkt is C8H17Br. 7. C8H18 + Br2 → C8H17Br + HBr Het antwoord: C8H18 + Br 2 → C8H16 + 2 HBr voldoet niet aan de gegeven voorwaarde. 8.

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

H

+ Br 2

→

H

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

Br

Er kunnen 4 mogelijke isomeren van monobroomoctaan ontstaan. Er kan ook dibroom-, tribroomoctaan etc. ontstaan. 9. Dit is een voorbeeld van een substitutiereactie. 10. In beide buizen treedt een reactie op. 11. Er treedt hier een andere reactie op omdat bij deze reactie geen licht nodig is om de reactie te laten verlopen. 12. C8H16 + Br2 → C8H16Br2

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

H

H

H

H

H

H

H

H

+

Br 2

→

H

H

H

H

H

H

H

H

C

C

C

C

C

C

C

C

Br

Br

H

H

H

H

H

H

13. Dit is een voorbeeld van een additiereactie. Williamson: hoofdstuk 13.3.

Literatuur

5-C2-3

$


H

+ HBr

5-C2-4

$


Het onderscheiden van isomeren Twee verschillende stoffen met formule C4H 10O Inleiding

Dit experiment geeft een illustratie van het begrip isomerie. In dit geval is er sprake van karakteristieke (functionele-) groep-isomerie, namelijk van ethers en alcoholen. We kunnen dit aan de orde stellen bij de behandeling van de karakteristieke groep. Hiermee kan voor leerlingen het begrip isomerie een grotere betekenis krijgen: het is niet alleen een verschil in structuurformules, maar vooral ook een verschil in (chemische en fysische) eigenschappen tussen stoffen met gelijke molecuulformule. Er wordt gewezen op de analogie van de reactie van alcoholen met natrium en de reactie van water met natrium. Hiermee kunnen leerlingen de structuurformules met OH-groep onderscheiden van die waarin een OH-groep ontbreekt. Daarnaast worden in dit experiment enkele karakteristieke eigenschappen van ethers (alkoxyalkanen) en alcoholen getoond.

Examenprogramma

Vwo C.58: “De kandidaat kan van een aantal koolstofverbindingen (…) de systematische naam (IUPAC) noemen en de structuurformule geven: (…) - alkanolen; - alkoxyalkanen (…)”

Vwo C.68: “De kandidaat kan overeenkomsten en verschillen in eigenschappen van isomeren aangeven en in verband brengen met de structuur: - smelten kookpunten; - reactiviteit (…)”

De term ‘alkoxyalkanen’ is niet opgenomen in het havoprogramma.

Boeken

Chemie 5V: hoofdstuk 3.2 (demonstratieproef 1) Chemie overal 5V: hoofdstuk 8.3 (experiment 34)

Tijdsduur

Een lesuur

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓

✓ 5-C3-1

1-butanol Watervrije ethoxyethaan (diethylether). Deze kan watervrij gemaakt en gehouden worden door drogen op molsieves. Commercieel verkregen ether is vaak vochtig. Natrium: een korreltje natrium ter grootte van een speldenknop is voldoende Jones reagens: los 13,4 gram chroom(VI)oxide in 11,5 ml geconcentreerd zwavelzuur (dit lost zeer langzaam op!) en voeg dit voorzichtig toe aan ca. 30 ml water. Breng het volume op 50 ml. Reageerbuisjes

$


C3 Aanwijzingen

✓ ✓

Horlogeglas Druppelpipetje (voor Jones reagens)

Gevaren en milieu

ethoxyethaan: R: 12-19; S: 9-16-29-33 Ethoxyethaan vormt bij luchtcontact na enige tijd explosieve peroxiden. natrium: R: 11-14/15-34; S: 8-16-43B Door de geringe hoeveelheid is het werken met natrium verantwoord. Zelfs bij contact met water zijn er niet veel gevaren. chroom(VI)oxide: R: 8-35-40; S: 28 geconcentreerd zwavelzuur: R: 35; S: 2-26-30 Laat leerlingen niet zelf Jones reagens maken. Dit bevat het giftige chroom(VI)oxide en geconcentreerd zwavelzuur.


In plaats van met Jones reagens kan ook worden gewerkt met een mengsel van gelijke volumes 1 M kaliumdichromaat en 4 M zwavelzuur (zie Chemie overal).

Uitbreidingen

Ook de reactie met Lucas reagens (zie experiment C4) kan gebruikt worden voor het aantonen van de OH-groep. Dit experiment kan als een geheel worden beschouwd met experiment C4, waar de vier isomere alcoholen C 4H9OH worden onderscheiden.


1.

Er zijn zeven isomeren met de formule C4H9OH:

H

vier alcoholen: H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

1-butanol (n-butanol)

H

H

CH 3

H

C

C

C

H

H

H

H

H

OH

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

2 - butanol (sec - butanol)

CH 3 OH

2-methyl-1-propanol (isobutanol)

5-C3-2

OH

H

CH 3

C

OH

CH 3

2-methyl-2-propanol (t - butanol)

$


en drie alkoxy-alkanen:

H

H

H

C

C

H

O

H

H

H

C

C

H

H

CH3 H

H

H

H

C

C

C

H

H

H

C CH3

ethoxyethaan (diethylether) H

H

H O

C H

2-methoxypropaan (methylisopropylether)

H O

C

H

H

1-methoxypropaan (methylpropylether)

2. Water reageert heftig met natrium onder vorming van waterstofgas: 2 H2O (l) + 2 Na (s) → 2 Na+ (aq) + 2 OH– (aq) + H2 (g) 3. De vier alcoholen reageren op soortgelijke wijze dankzij de OH-groep: 2 C4H9OH (l) + 2 Na (s) → 2 Na+(C4H9O-) (solv) + H2 (g) butanol natriumbutanolaat 4.

De tabel zou er als volgt uit kunnen zien: 1-butanol

ethoxyethaan

geur

alcoholachtig

ziekenhuislucht

vluchtigheid

niet erg vluchtig

zeer vluchtig

mengbaarheid met water

wel

niet

reactie met natrium

wel

niet

reactie met Jones reagens

wel

niet

5. 6.

5-C3-3

Zie tabel bij 4. Zie vraag 1.

Williamson, hoofdstuk 70.

Literatuur

H

$


5-C3-4

$


Het onderscheiden van isomere alcoholen

C4 Aanwijzingen

Inleiding

Er is in dit experiment gekozen voor een identificatieprobleem van vier isomere alcoholen op basis van een aantal typerende eigenschappen. Hierbij komen aan de orde de oxidatiemogelijkheid van alcoholen en de substitutie van de alcoholgroep door chloride. Met dit experiment wordt tevens een verduidelijking van het begrip isomerie nagestreefd, waarbij men kan laten zien dat isomerie meer is dan een verschil in structuurformules en dat er een verschil in eigenschappen aan ten grondslag ligt.

Examenprogramma

Vwo: C.43: “De kandidaat kan aangeven welke soorten alcoholen (primair, secundair, tertiair) kunnen reageren met een oxidator en welke producten daarbij gevormd kunnen worden” C.58: “De kandidaat kan van een aantal koolstofverbindingen met een ketenlengte van maximaal 6 koolstofatomen de systematische naam (IUPAC) noemen en de structuurformule geven: (…), alkanolen, (…), alkanalen, alkanonen, (…)” C.65: “De kandidaat kan aangeven wat men onder verschillende soorten isomeren verstaat, deze herkennen en voorbeelden ervan geven: (…), - structuurisomeren, (…)” C.68: “De kandidaat kan overeenkomsten en verschillen in eigenschappen van isomeren aangeven en in verband brengen met de structuur: (…), - reactiviteit, (…)”

De nucleofiele substitutiereactie komt niet in het vwo-programma voor. In het havo-programma komen de oxidatie van alcoholen en de stofklassen alkanalen en alkanonen niet voor.

Boeken

Chemie 5V: hoofdstuk 6.7 (proef 18) Chemie overal 5V: hoofdstuk 8.3 (experiment 33)

Tijdsduur

Twee lesuren (bij taakverdeling is het experiment in een lesuur af te ronden).

✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ 5-C4-1

1-butanol 2-butanol 2-methyl-1-propanol 2-methyl-2-propanol Jones reagens. Los 13,4 gram chroom(VI)oxide op in 11,5 ml geconcentreerd zwavelzuur (dit lost zeer langzaam op!) en voeg dit voorzichtig toe aan circa 30 ml water. Breng het volume op 50 ml. Lucas reagens. Los 76 gram watervrij zinkchloride op in 50 ml op 5°C gekoeld geconcentreerd zoutzuur. Zandbad Reageerbuisjes

$


✓ ✓ ✓

Kurkje Druppelpipetje (voor reagentia) Microschaal-kookpuntopstelling (zie experiment A3)

Alle te gebruiken alcoholen zijn brandbaar en werken irriterend: 1-butanol: R: 10-20; S: 16 2-butanol: R: 10-20; S: 16 2-methyl-1-propanol: R: 10-20; S: 16 2-methyl-2-propanol: R: 11-20; S: 9-16 Jones reagens bevat dichromaat en zwavelzuur. Chroom (VI) verbindingen zijn giftig; zwavelzuur is sterk bijtend: chroom(VI)oxide: R: 8-35-40; S: 28 geconcentreerd zwavelzuur: R: 35; S: 2-26-30 Lucas reagens is zinkchloride in geconcentreerd zoutzuur. Lucas reagens is bijtend. zinkchloride: R: 34; S: 7/8-28-45 geconcentreerd zoutzuur: R: 34-37; S: 2-26

Gevaren en milieu

Afval van onderdeel A in organisch afval (OOS: overige organische stoffen); afval van onderdelen B en C in het afvalvat voor zware metalen (ZM).


In plaats van met Jones reagens kan ook worden gewerkt met een mengsel van gelijke volumes 1 M kaliumdichromaat en 4 M zwavelzuur (zie Chemie overal). Ook kaliumpermanganaat-oplossing is bruikbaar (zie Chemie).

Uitbreidingen

Er kan naar een verklaring worden gevraagd voor de verschillen in kookpunt en mengbaarheid met water. De testreacties met Lucas reagens kunnen ook gebruikt worden om andere isomere alcoholen te onderscheiden, bijvoorbeeld 1-propanol en 2-propanol.

Opmerkingen

De hier aan de orde zijnde typen isomerie zijn plaatsisomerie en skeletisomerie: 1-butanol en 2-butanol zijn plaatsisomeren; ook 2-methyl-1-propanol en 2-methyl-2-propanol zijn plaatsisomeren; en 1-butanol en 2-methyl-1-propanol zijn skeletisomeren. De reactie met Lucas reagens is een illustratie van een nucleofiele substitutiereactie. De reactie die plaatsvindt met het mengsel van zoutzuur en zinkchloride is een eerste ordenucleofiele substitutie (SN1). Voor 2-methyl-2-propanol is het opgestelde mechanisme:

5-C4-2

(CH3)3C–OH + H+

→

(CH3)3C–OH 2+

(CH3)3C–OH2+

→

(CH3)3C+ + H2O

(CH3)3C+ + Cl–

→

(CH3)3C–Cl

$


De snelheid van de reactie wordt bepaald door de stabiliteit van het intermediaire carbo-kation R+. De stabiliteit is het grootst voor tertiaire carbo-kationen, het kleinst voor primaire. De substitutie verloopt dus het snelst bij 2-methyl-2-propanol, en niet bij 1-butanol. Het zinkchloride heeft een rol als katalysator. Het bindt aan het alcohol. Het tertiaire alcohol reageert ook vlot in afwezigheid van zinkchloride. De reactie is zichtbaar doordat een troebeling optreedt. 1.

Antwoorden op de vragen H

De alcoholen:

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

OH

H

1-butanol (n-butanol)

H

H

CH 3

H

C

C

C

H

H

H

H

H

OH

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

2 - butanol (sec - butanol)

CH 3 CH 3

OH

C

OH

CH 3

2-methyl-1-propanol (isobutanol)

2-methyl-2-propanol (t - butanol)

2. 1-butanol en 2-methyl-1-propanol zijn primaire alcoholen, 2-butanol is een secundair alcohol en 2-methyl-2-propanol is een tertiair alcohol. 3. 1-butanol, 2-butanol en 2-methyl-1-propanol zijn oxideerbaar. De respectievelijke oxidatieproducten:

H

H

H

H

C

C

C

H

H

H

H C

H O

H

H

O

H

C

C

C

C

H

H

butanal

butanon

H

H

CH 3

C

C

H

H

H C O

2-methyl-propanal

5-C4-3

$


H

H

4. De chlorering verloopt het snelst bij 2-methyl2-propanol en het langzaamst bij de primaire alcoholen 1-butanol en 2-methyl-1-propanol. De chloreringsproducten:

H

H

H

H

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

CH3

H

C

C

C

H

H

H

H

Cl

H

H

H

Cl

H

C

C

C

C

H

H

H

H

H

CH3 Cl

CH3

C

Cl

CH3

5. De eigenschappen van de alcoholen zijn in de volgende tabel weergegeven:

eigenschappen

1-butanol

2-butanol

2-methyl-1-propanol

2-methyl-2-propanol

118°C

100°C

108°C

83°C

mengbaarheid met water

niet

niet

niet

goed

Jones reagens

wel

wel

wel

niet

Lucas reagens

niet

na verwarming

niet

bij kamertemperatuur

kookpunten

6.

Williamson, hoofdstuk 70.

Literatuur

5-C4-4

Zie tabel.

$


Gebruik van een katalysator Bereiding van 1-butylethanoaat Inleiding

De leerlingen onderzoeken aan de hand van een vergelijkend experiment de functie van een katalysator.

Examenprogramma

Havo E.60 en vwo E.95: “De kandidaat kan aangeven dat door het beïnvloeden van de reactiesnelheid bij (industriële) processen een bepaald product kan worden verkregen of goedkoper kan worden geproduceerd.”

Havo F.76 en vwo F.130: “De kandidaat kan uitleggen welke rol andere stoffen bij een chemisch proces kunnen spelen -katalysator.”

Vwo E.120: “De kandidaat kan van een aantal factoren uitleggen op welke wijze deze de snelheid waarmee een gegeven evenwicht zich instelt, beïnvloeden: katalysator, temperatuur.”

Boeken

Chemie 5V: hoofdstuk 3.4, demonstratieproef 5; 5H: hoofdstuk 6.3, demonstratieproef 2 Chemie overal 5H: hoofdstuk 5.5, experiment 32 (demonstratie); 5V: hoofdstuk 8.6

Tijdsduur

Een lesuur

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Benodigdheden

1-butanol: R: 10-20; S: 16 (brandbaar, irriteert huid, ogen en de luchtwegen. De stof kan via de huid worden opgenomen.) ethaanzuur: R: 10-35; S: 23-26-45 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. Reageert heftig met basen onder warmteontwikkeling. De stof is bijtend voor de luchtwegen, huid en ogen.) zwavelzuur: R: 35; S: (1/2-)26-30-45 (Kan ernstige brandwonden veroorzaken, reageert heftig met water en basen onder ontwikkeling van warmte, tast papier en textiel aan.)

Gevaren en milieu

5-D1-1

1-butanol (kp 118°C) Ethaanzuur (azijnzuur) (kp 118°C) Geconcentreerd zwavelzuur (druppelflesje) 1 ml injectiespuit Langhalskolf Kooksteentje Verbindingsstuk met staafje Terugvloeikoeler Septum Dunne injectienaald Stopwatch of horloge Erlenmeyer

$


D1 Aanwijzingen

1-butylethanoaat: R: 10 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. De stof irriteert de luchtwegen en ogen.) Afval van alle stoffen gaat in het vat voor overige organische stoffen (OOS).


✃

De invloed van de temperatuur op de reactiesnelheid kan ook worden onderzocht: u kunt een verestering bij kamertemperatuur inzetten, met en zonder katalysator. Vergelijk klassikaal na een week het resultaat: de kolf met de katalysator ruikt duidelijk naar ester, de kolf zonder katalysator niet. De klas kan in meerdere groepen worden opgedeeld als er meerdere katalysatoren worden gebruikt. Elke groep gebruikt dan een andere (of geen) katalysator. Als er snel gewerkt wordt, kan een leerlingen-tweetal in een lesuur de proeven met en zonder katalysator uitvoeren. Om tijd te winnen is het dan handig de leerlingen de beschikking te geven over twee langhalskolven en twee terugvloeikoelers:

Uitbreidingen

5-D1-2

Naast zwavelzuur zijn ook andere katalysatoren te gebruiken, zoals zure kationenwisselaars (b.v. Dowex® 50X2-100 of Amberlyst ® 15) en Zeoliet Y (Lesbrief ‘Proeven met zeolieten’). Zeoliet Y wordt geactiveerd als katalysator door gedurende twee uur te verhitten bij 300˚C. Activering van de katalysator kan ook in een magnetron. Aan het reactiemengsel wordt van deze katalysatoren toegevoegd: 100 mg Zeoliet Y of 200 mg Dowex. Het zandbad moet meteen aan het begin van de les aangezet worden! De zandbaden moeten zo worden afgesteld, dat de temperatuur rond de 180-200˚C ligt. Tijdens de reactie moet de vloeistof rustig refluxen, de condensatie mag niet hoger komen dan tot 1/3 van de terugvloeikoeler. Als de damp tot bovenin de terugvloeikoeler komt, zal een deel van het reactiemengsel kunnen ontwijken via de naald in het septum. Het septum kan door langdurig contact met 1-butylethanoaat worden aangetast (zie ook bij ‘opmerkingen’). De kunststof onderdelen moeten daarom goed worden schoongemaakt met een beetje aceton en buiten de opbergkoffer uitdampen. De eventueel in de kunststof opgeloste 1-butylethanoaat kan zo verdampen. De Dowex kan geregenereerd worden. Laat de leerlingen voorzichtig de inhoud van de kolf in het juiste afvalvat schenken zodat de katalysator en kooksteentje achterblijven in de kolf. De rest van de ester kan uit de kolf worden verwijderd door voorzichtig spoelen met een beetje aceton. Laat de leerlingen de Dowex en de kooksteentjes met water uit de kolf spoelen en inleveren. U kunt de verzamelde Dowex ontdoen van de kooksteentjes en op een filter wassen met water. Laat de op een stuk filtreerpapier drogen. De gedroogde Dowex kan daarna in een aparte voorraadpot worden bewaard.

$


tijdens de eerste reactie kan de volgende opstelling worden klaargemaakt.

Opmerkingen

Er is in dit experiment gekozen voor de synthese van 1-butylethanoaat, in overeenstemming met de macrouitvoering zoals beschreven in de diverse schoolboeken. 1-Butylethanoaat lost echter op in veel kunststoffen en kan hierdoor ook een nadelige invloed hebben op de levensduur van bijvoorbeeld de septa. Dit experiment is in principe ook met een andere ester uit te voeren. Zie voor suggesties experiment E1: “Esters: geuren en smaken”.


1. O R

C

O O

H

+

H

O R'

R

C

O R'

2. Bij de verestering zonder katalysator is (nog) geen specifieke esterlucht te ruiken, bij de verestering met katalysator wel. De reactie verloopt dus een stuk sneller in de aanwezigheid van een katalysator. 3. De reactie verloopt veel sneller als er een katalysator aanwezig is, dus het gebruik van een katalysator bij deze reactie is verstandig als je sneller een product wilt hebben. A. Kerkstra e.a.: Proeven met Zeolieten, Naaldwijk: Interconfessioneel Westland College, 2e druk (1996). Verkrijgbaar via Stichting C3.

Literatuur

5-D1-3

$


+

H

O

H

5-D1-4

$


Bepaling van de evenwichtsconstante van een verestering Inleiding

Zoals veel reacties in de organische scheikunde, is de veresteringsreactie een evenwichtsreactie. De evenwichtsconstante kan experimenteel bepaald worden door het gehalte aan carbonzuur in zowel een blancomengsel als in een evenwichtsmengsel te bepalen. Door wegend te titreren kan een hoge graad van nauwkeurigheid bereikt worden.

Examenprogramma

Havo E.70 en vwo E.122: “De kandidaat kan voor een gegeven evenwichtsreactie van een homogeen evenwicht de evenwichtsvoorwaarde geven.”

Havo E.71 en vwo E.124: “De kandidaat kan rekenen aan evenwichten, gebruik makend van de evenwichtsvoorwaarde.”

Boeken

Chemie overal 5V: hoofdstuk 8.6, experiment 37 (demonstratie); 5H: hoofdstuk 5.5 Chemie 5V: hoofdstuk 3.4 ; 5H: hoofdstuk 6.3

Tijdsduur

Twee lesuren

✓

Benodigdheden Verestering

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Ethanol Demiwater Fenolftaleïne indicator-oplossing 0,1 M natronloog 1 ml injectiespuit 2 maatkolven van 25 ml Pasteurpipet met rechte punt Pipetballonnetje 3 erlenmeyers van 10 ml Glazen trechter Rond filtreerpapier Erlenmeyer 50 of 100 ml (voor de filtratie)

✓

Benodigdheden Titratie

5-D2-1

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

Equimolair mengsel van 1-butanol (kp 118°C) en ethaanzuur (azijnzuur) (kp 118°C) 150 mg katalysator (Dowex ® 50X2-100 kationenwisselaar) 1 ml injectiespuit Langhalskolf Kooksteentje Verbindingsstuk met staafje Terugvloeikoeler Septum Dunne injectienaald Stopwatch of horloge Bakje met ijs Bekerglas voor het inleveren van de katalysator

$


D2 Aanwijzingen

Gevaren en milieu

1-butanol: R: 10-20; S: 16 (brandbaar, irriteert huid, ogen en de luchtwegen. De stof kan via de huid worden opgenomen.) ethaanzuur: R: 10-35; S: 23-26-45 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. Reageert heftig met basen onder warmteontwikkeling. De stof is bijtend voor de luchtwegen, huid en ogen.) 1-butylethanoaat: R: 10 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. De stof irriteert de luchtwegen en ogen.) Afval van alle stoffen gaat in het vat voor overige organische stoffen (OOS).


Als katalysator kunnen in principe ook andere zure kationenwisselaars, zoals bijvoorbeeld Amberlyst ®15, worden gebruikt. Test wel van tevoren een keer of de katalysator een goed resultaat geeft! Zie ook bij ‘opmerkingen’. Het voorschrift voor dit experiment bestaat uit twee delen. De leerlingen beginnen met het voorschrift ‘verestering’. Als de veresteringsreactie is ingezet, is er tijd om de blanco te titreren. Het voorschrift hiervoor staat in het deel ‘titratie’. Na afloop wordt dit voorschrift ook gebruikt voor de titratie van het reactiemengsel. Voor de verestering is (inclusief de voorbereidingen, de reactietijd en het afmeten in de maatkolf) minstens een lesuur nodig. Om tijd te sparen kan de reactietijd worden verkort: de gevonden waarde voor K zal daardoor wel kleiner zijn (na 15 minuten refluxen wordt een waarde van ongeveer 1 gevonden). Ook kan de Dowex van tevoren voor de leerlingen in de kolfjes worden afgewogen. In een tweede lesuur kan de titratie van het reactiemengselen eventueel ook de blanco- worden uitgevoerd. Het zandbad moet meteen aan het begin van de les aangezet worden! De temperatuur van het zandbad is bij voorkeur ongeveer 180°C, en niet warmer dan 200°C. Tijdens de verestering moet erop gelet worden, dat het mengsel rustig refluxt. De damp mag niet hoger komen dan tot 1/3 van de terugvloeikoeler. Als de damp tot bovenin de terugvloeikoeler komt, zal een deel van het reactiemengsel kunnen ontwijken via de naald in het septum. Ook kan het septum door het langdurige contact met 1-butylethanoaat worden aangetast (zie ook bij ‘opmerkingen’). De kunststof onderdelen moeten schoongemaakt worden met een beetje aceton en buiten de opbergkoffer uitdampen. De eventueel in de kunststof opgeloste 1-butylethanoaat kan zo verdampen. Als de proef in twee afzonderlijke lesuren wordt uitgevoerd, is het belangrijk dat het reactiemengsel na het afvullen in de 25 ml maatkolf wordt gefiltreerd. Eventueel aanwezige Dowex heeft namelijk een grote invloed op het reactieevenwicht tijdens het bewaren. Als alternatief op het filtreren

5-D2-2

$


kunnen leerlingen ook een deel van de inhoud van de maatkolf voorzichtig overschenken zodat de Dowex achterblijft, en dit gebruiken voor de titratie. Als het mengsel direct wordt getitreerd (blokuur) kan deze stap worden overgeslagen. Er moet wel op worden gelet, dat er geen Dowex in het titratiemengsel aanwezig is, aangezien de katalysator dan ook als zuur wordt getitreerd! De Dowex kan (samen met de kooksteentjes) in water worden ingezameld voor hergebruik. De Dowex wordt centraal afgefiltreerd en ontdaan van de kooksteentjes en vervolgens gewassen met water. De Dowex wordt kan na droging op een filtreerpapiertje in een apart potje worden bewaard. Voor de titratie van de blanco is ongeveer 1,3 ml natronloog nodig, voor de titratie van het reactiemengsel ongeveer 0,5 ml. De beschreven titratiemethode is op microschaal. De concentratie van de titrant is hoog (0,1 M) in verhouding tot de te titreren hoeveelheid zuur. Dit leidt echter toch tot reproduceerbare waarden voor de evenwichtscontante. De titratie kan natuurlijk ook op macroschaal worden uitgevoerd met een buret. Gebruik dan minder geconcentreerde natronloog. Er moet dan wel gebruik gemaakt worden van grotere erlenmeyers (titreerkolven) of bekerglazen (50 ml).

Uitbreidingen

In een blokuur is het mogelijk om verschillende leerlingen verschillende reactietijden (bijvoorbeeld: 10, 20, 30, 40 minuten) voor de verestering op te geven. Op deze manier wordt de ligging van het evenwicht als functie van de tijd weergegeven.

Opmerkingen

Voor K worden na 30 minuten veresteren waarden van ongeveer 3 gevonden. De literatuurwaarde (Williamson) is ongeveer 4. Er is in dit experiment gekozen voor de synthese van 1-butylethanoaat, in overeenstemming met de macro-uitvoering zoals beschreven in Chemie overal 5V. 1-Butylethanoaat lost echter in veel kunststoffen op en kan hierdoor ook een nadelige invloed hebben op de levensduur van bijvoorbeeld de septa. De proef is in principe ook met een andere ester uit te voeren, bijvoorbeeld 1-propylethanoaat (peer) of 1-octylethanoaat (sinaasappel). Zeoliet Y (lesbrief ‘Proeven met Zeolieten’) is voor deze proef niet geschikt als katalysator, omdat het te fijn verdeeld is. Hierdoor is de zeoliet na de verestering niet meer uit de oplossing te verwijderen. Er wordt momenteel aan gewerkt om zeoliet Y in een minder fijn verdeelde vorm beschikbaar te krijgen.

5-D2-3

$


Een druppel geconcentreerd zwavelzuur is niet geschikt als katalysator omdat de hoeveelheid niet te verwaarlozen is ten opzichte van de hoeveelheid ethaanzuur. 1-butanol + ethaanzuur ¯ı 1-butylethanoaat + water [1butylethanoaat][water] K= [1-butanol][ethaanzuur] 2. Na instelling van het evenwicht is nog x—y mol van de uitgangsstoffen aanwezig in het reactiemengsel. 1.


3.

Voor de evenwichtscontstante K geldt: y2 K= (x − y)2

4.

De waarde van de blancobepaling is x, de waarde van de

evenwichtsbepaling is x— y. Dus y is de waarde van de blancobepaling minus de waarde van de evenwichtsbepaling. 5.

Voor de evenwichtscontstante K geldt: y2 K= (x − y)2 Vul in deze formule in (zie antwoord bij 4): y = V blanco − V evenwicht ; x − y = V evenwicht .

6/7. De antwoorden zijn afhankelijk van het experiment. 8. De evenwichtsconstante is volgens de literatuur 4, de zelf gevonden waarde zal ongeveer 3 zijn. De bijbehorende waarden voor y zijn dan voorK = 4: y = 0,66 x en voor K = 3: y = 0,63 x. Deze waarden verschillen nauwelijks van elkaar, het evenwicht heeft zich dus nagenoeg ingesteld. A. Kerkstra e.a.: Proeven met Zeolieten, Naaldwijk: Interconfessioneel Westland College, 2e druk (1996). Verkrijgbaar via Stichting C3. Williamson, hoofdstuk 27: Esterification.

Literatuur

5-D2-4

$


Beïnvloeding van een evenwicht Zuur-gekatalyseerde ‘azeotropische’ verestering Inleiding

Door het onttrekken van een reactant aan een evenwichtsmengsel ontstaat een aflopende reactie. Bij de vorming van 1-butylethanoaat kan dat door gebruik te maken van het verschijnsel azeotropie. Drie componenten van het reactiemengsel vormen een azeotroop, waardoor niet alleen het product water wordt afgedestilleerd maar ook de hoger kokende componenten 1-butanol en 1-butylethanoaat.

Examenprogramma

Havo E.61: “De kandidaat kan uitleggen dat door het onttrekken van een reactant bij (industriële) processen een bepaald product kan worden verkregen of goedkoper kan worden geproduceerd.”

Vwo E.96: “De kandidaat kan beschrijven hoe met behulp van maatregelen die de evenwichtsligging beïnvloeden bij (industriële) processen een bepaald product kan worden verkregen of goedkoper kan worden geproduceerd.”

Havo E.69: “De kandidaat kan uitleggen dat door het onttrekken van een reactant een aflopende reactie ontstaat.”

Vwo E.119: “De kandidaat kan beschrijven op welke wijze een aflopende reactie kan worden verkregen bij een evenwicht.”

Bij uitbreiding: Vwo E.121: “De kandidaat kan uitleggen met behulp van de evenwichtsvoorwaarde of de evenwichtssituatie kan worden beïnvloed door - de aanwezigheid van een katalysator.”

Vwo E.123: “De kandidaat kan van een aantal factoren aangeven of deze de waarde van de evenwichtsconstante beïnvloeden - katalysator.”

Boeken

Chemie 5V: hoofdstuk 3.4; 5H: hoofdstuk 6.3 Chemie overal 5V: hoofdstuk 8.6; 5H: hoofdstuk 5.5

Tijdsduur

Een lesuur

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

5-D3-1

1,5 ml equimolair mengsel van 1-butanol (kp = 118°C) en ethaanzuur (azijnzuur) (kp = 118°C) 200 mg katalysator (Dowex ® 50X2-100 kationenwisselaar) 3 ml injectiespuit Korthalskolf Kooksteentje Verbindingsstuk met staafje

$


D3 Aanwijzingen

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

T-stuk Kurkje (passend op T-stuk) Verbindingsstuk Terugvloeikoeler Septum Dunne injectienaald Erlenmeyer Bekerglas voor het inleveren van de katalysator

Gevaren en milieu

1-butanol: R: 10-20; S: 16 (brandbaar, irriteert huid, ogen en de luchtwegen. De stof kan via de huid worden opgenomen.) Ethaanzuur: R: 10-35; S: 23-26-45 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. Reageert heftig met basen onder warmteontwikkeling. De stof is bijtend voor de luchtwegen, huid en ogen.) 1-butylethanoaat: R: 10 (brandbaar, kan met lucht een explosief mengsel vormen. De stof irriteert de luchtwegen en ogen.) Afval van alle stoffen gaat in het vat voor overige organische stoffen (OOS).


Als katalysator kunnen in principe ook andere zure kationenwisselaars, zoals bijvoorbeeld Amberlyst ®15, of een druppel geconcentreerd zwavelzuur worden gebruikt. Test wel van tevoren een keer of de katalysator een goed resultaat geeft! Het zandbad moet meteen aan het begin van de les aangezet worden! De temperatuur van het zandbad is bij voorkeur ongeveer 180°C, en niet hoger dan 200°C. Tijdens de verestering moet erop gelet worden, dat het mengsel rustig refluxt. De damp mag niet hoger komen dan tot 1/3 van de terugvloeikoeler. Als de damp tot bovenin de terugvloeikoeler komt, zal een deel van het reactiemengsel kunnen ontwijken via de naald in het septum. Ook kan het septum door het langdurige contact met 1-butylethanoaat worden aangetast (zie ook bij ‘opmerkingen’). De kunststof onderdelen moeten daarom goed worden schoongemaakt met een beetje aceton en buiten de opbergkoffer uitdampen. De eventueel in de kunststof opgeloste 1-butylethanoaat kan zo verdampen. Het is de bedoeling dat de opstelling zó schuin staat, dat de inhoud van de zijarm begint over te lopen. Doordat de organische laag (de bovenste) terugloopt in de kolf en de waterlaag (de onderste) achterblijft, zal de reactie verder verlopen. De opbrengst van de ester is met deze methode nagenoeg 100%. De inhoud van de erlenmeyer en de inhoud van de kolf ruiken beide alleen naar de ester. Dit is het bewijs dat de uitgangs-

5-D3-2

$


stoffen niet meer (aantoonbaar) aanwezig zijn en dat de ene laag in de zijarm de ester moet zijn. De waterige laag is natuurlijk niet met de neus te onderscheiden (zie uitbreidingen). De Dowex kan (samen met de kooksteentjes) in water worden ingezameld voor hergebruik. De Dowex wordt centraal afgefiltreerd en ontdaan van de kooksteentjes en vervolgens gewassen met water. De Dowex wordt kan na droging op een filtreerpapiertje in een apart potje worden bewaard.

Uitbreidingen

Een uitleg over azeotropie vindt u als bijlage bij deze toelichting. U kan deze voor uw leerlingen kopiëren. De leerlingen kunnen waarnemen dat er in de zijarm twee lagen aanwezig zijn. Door aan de erlenmeyer te ruiken kan worden vastgesteld, dat de ene laag ester moet zijn. De aanwezigheid van water kan eventueel worden aangetoond door aan de erlenmeyer enkele korrels wit kopersulfaat (wordt blauw) of custardpoeder (vlapoeder, wordt geel) toe te voegen. Er wordt in de inleiding vermeld dat een katalysator geen invloed heeft op de ligging van het evenwicht. In een bespreking met de leerlingen kan aan de orde komen waarom een katalysator geen invloed heeft op de ligging van het reactie-evenwicht. In principe zou het antwoord moeten zijn: de ligging van een chemisch evenwicht wordt bepaald door de entropie van begin- en eindtoestand. De concentratie van de katalysator is in de uitgangssituatie en in de evenwichtssituatie gelijk. De katalysator levert daardoor geen bijdrage aan de entropieverandering, en heeft dus geen invloed op de ligging van het evenwicht. Een antwoord aan de hand van het eindterm E.121 in het examenprogramma vwo (“De kandidaat kan met behulp van de evenwichtsvoorwaarde uitleggen of de evenwichtssituatie kan worden beïnvloed door een aantal factoren -de aanwezigheid van een katalysator) kan luiden: De evenwichtsconstante is alleen afhankelijk van de temperatuur. In de concentratiebreuk komt de katalysator niet voor, want de concentratie van de katalysator voor en na de reactie is gelijk. Met een katalysator kan dus geen invloed worden uitgeoefend op de ligging van het evenwicht. Dit sluit aan op de behandelde stof uit Chemie 5V hoofdstuk 2.6 en Chemie overal 5V hoofdstuk 3.3.

Opmerkingen

1-butylethanoaat kan in veel kunststoffen oplossen en kan hierdoor een nadelige invloed hebben op de levensduur van bijvoorbeeld de septa. Deze proef is in principe ook met een andere ester uit te voeren. Zie voor suggesties experiment E1: ‘Esters: geuren en smaken’.

5-D3-3

$


1-butanol + ethaanzuur ¯ı 1-butylethanoaat + water [1butylethanoaat][water] K= [1-butanol][ethaanzuur] 2. Als een van de producten uit de noemer van de concentratiebreuk wordt verwijderd, zal het systeem zo verschuiven, dat de breuk weer gelijk is aan de evenwichtsconstante. Er ontstaat hierdoor een verschuiving van het evenwicht naar rechts. 3. 1-butanol en ethaanzuur: 118°C, water 100°C. 4. Water, want dit heeft het laagste kookpunt. 5. Als de opstelling rechtop staat, kan er in de zijarm van het T-stuk geen destillaat worden opgevangen. De reactie zal dan niet aflopend worden. 6. Er zijn twee lagen overgedestilleerd, terwijl er maar een werd verwacht (water). 7. De ene laag zal water zijn. Als de reactie aflopend is, kan de andere laag alleen maar ester zijn. Dit is niet in overeenstemming met de kookpunten, want de ester kookt bij 127°C: dit is het hoogste kookpunt van de stoffen die aanwezig waren in het reactiemengsel.


1.

Literatuur

Williamson, hoofdstuk 27: Esterification.

5-D3-4

$


Azeotropie

D3 Extra informatie

Uitleg

Een mengsel van 1-butanol, 1-butylethanoaat en water heeft een bijzondere eigenschap tijdens destilleren: De damp van dit mengsel bevat niet voornamelijk de laagstkokende component, maar alle drie de stoffen in een vaste verhouding. Dit verschijnsel heet azeotropie (Grieks: a = niet, zeotroop = kokend met verandering). Zodra de damp met de drie componenten condenseert, scheidt het mengsel zich in twee lagen: de ene laag bevat voornamelijk water, de andere laag bestaat uit ester en 1-butanol. 1-butanol is een van de uitgangsstoffen in de reactie. Je zult je afvragen hoe de reactie volledig kan verlopen terwijl er 1-butanol in de zijarm van het T-stuk aanwezig is. Misschien is het je tijdens het experiment opgevallen dat de inhoud van de zijarm na verloop van tijd begint ‘over te lopen’: de bovenste laag, die uit ester en 1-butanol bestaat, loopt voor een deel terug in de reactiekolf en daardoor kan de 1-butanol verder reageren met het ethaanzuur. Het water zit in de onderste laag en kan daardoor niet terugstromen in de kolf. Zo kan de reactie toch aflopend worden gemaakt!

5-D3x-1

$


5-D3x-2

$


Esters: geuren en smaken

E1 Aanwijzingen

Inleiding

In dit experiment wordt een aantal esters bereid uit verschillende alcoholen en zuren. De reactie wordt aflopend gemaakt door water uit het reactiemengsel te verwijderen.

Examenprogramma

Havo C.27 en vwo C.45: “De kandidaat kan aangeven dat uit een alcohol en een alkaanzuur een ester en water gevormd kunnen worden.” Extra voor vwo: “… - evenwichtsreactie, - H+ als katalysator”

Havo E.61: “De kandidaat kan uitleggen dat door het onttrekken van een reactant bij (industriële) processen een bepaald product kan worden verkregen of goedkoper kan worden geproduceerd.’

Vwo E.96: “De kandidaat kan beschrijven hoe met behulp van maatregelen die de evenwichtsligging beïnvloeden bij (industriële) processen een bepaald product kan worden verkregen of goedkoper kan worden geproduceerd.’

Havo E.69: “De kandidaat kan uitleggen dat door het onttrekken van een reactant een aflopende reactie ontstaat.’

vwo E.119: “De kandidaat kan beschrijven op welke wijze een aflopende reactie kan worden verkregen bij een evenwicht.’

Boeken

Chemie 5V: hoofdstuk 3.4; 5H: hoofdstuk 6.3 Chemie overal 5V: hoofdstuk 8.6; 5H: hoofdstuk 5.5

Tijdsduur

Een lesuur

✓ ✓ ✓

Benodigdheden

✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓ ✓

5-E1-1

10 mmol alcohol 10 mmol carbonzuur 200 mg katalysator (Dowex ® 50X2-100 kationenwisselaar) 1 ml injectiespuit Korthalskolf Kooksteentje Verbindingsstuk met staafje T-stuk Kurkje (passend op T-stuk) Verbindingsstuk Terugvloeikoeler Septum Dunne injectienaald Erlenmeyer Bekerglas voor het inleveren van de katalysator

$


Gevaren en milieu

Alcoholen algemeen: Ontvlambaar, schadelijk bij inademing en opname door mond. 1-propanol (n-propanol) R: 11; S: 7-16, 1-butanol (n-butanol) R: 10-20; S: 16, 2-methyl-1-propanol (isobutanol) R: 10-20; S: 16, 3-methyl-1-butanol (iso-amylalcohol) R:10-20; S: (2-)24/25, fenylmethanol (benzylalcohol) R:20/22; S:26, 1-octanol (n-octanol): R: 20/21/22-36/37/38-43; S: 26-36/37 (irriterend voor ogen, longen en huid). Zuren: brandbaar, ethaanzuur kan met lucht een explosief mengsel vormen. Reageren heftig met basen onder warmteontwikkeling. Bijtend voor de luchtwegen, huid en ogen. methaanzuur (mierenzuur) R:35; S:23-26-45, ethaanzuur (azijnzuur) R:10-35; S:23-26-45. Afval van alle stoffen gaat in het vat voor overige organische stoffen (OOS).


Enkele gegevens over de uitgangsstoffen van de esters staan in tabel 1. Het zandbad moet meteen aan het begin van de les aangezet worden! De temperatuur van het zandbad is bij voorkeur ongeveer 180°C, en niet warmer dan 200°C. Tijdens de verestering moet erop gelet worden, dat het mengsel rustig refluxt. De damp mag niet hoger komen dan tot 1/3 van de terugvloeikoeler. Als de damp tot bovenin de terugvloeikoeler komt, zal een deel van het reactiemengsel kunnen ontwijken via de naald in het septum. Ook kan het septum door het langdurige contact met 1-butylethanoaat worden aangetast (zie ook bij ‘opmerkingen’). De kunststof onderdelen worden schoongemaakt met een beetje aceton en moeten drogen buiten de opbergkoffer. De eventueel in de kunststof opgeloste 1-butylethanoaat kan zo verdampen.

ester

alcohol

ml/10 mmol

carbonzuur

ml/10 mmol

2-methylpropylmethanoaat

2-methyl-1-propanol

0,92

methaanzuur

0,38

1-propylethanoaat

1-propanol

0,75

ethaanzuur

0,57

1-butylethanoaat

1-butanol

0,92

ethaanzuur

0,57

3-methyl-butylethanoaat

3-methyl-1-butanol

1,09

ethaanzuur

0,57

fenyl-methylethanoaat

fenylmethanol

1,04

ethaanzuur

0,57

octylethanoaat

1-octanol

1,57

ethaanzuur

0,57

tabel 1 Het is de bedoeling dat de opstelling zó schuin staat, dat de inhoud van de zijarm begint over te lopen. De opstelling mag niet zo schuin staan dat de waterlaag ook terugloopt in de kolf. Doordat de organische laag terugloopt in de kolf en de waterlaag achterblijft, zal de reactie verder verlopen.

5-E1-2

$


De opbrengst van de ester is met deze methode nagenoeg 100%. De Dowex kan (samen met de kooksteentjes) in water worden ingezameld voor hergebruik. De Dowex wordt centraal afgefiltreerd en ontdaan van de kooksteentjes en vervolgens gewassen met water. De Dowex wordt droog bewaard. In tabel 2 staan enkele esters die ook kunnen worden gemaakt. Hoewel het geurverschil tussen het zuur en de ester spectaculair is, zijn de veresteringen met butaanzuur (boterzuur) en propaanzuur (propionzuur) af te raden vanwege de stank van deze zuren. Wilt u leerlingen deze proef toch laten uitvoeren, geef het zuur dan aan in een met een septum afgesloten potje. Met behulp van een injectienaald kan de benodigde hoeveelheid zuur dan worden opgezogen met een injectiespuit. Alle onderdelen die in aanraking komen met het zuur moeten direct goed worden schoongespoeld met water.

Uitbreidingen

ester

geur

kp (°C)

alcohol

carbonzuur

methylbutanoaat

appel

102,3

methanol

butaanzuur

ethylbutanoaat

ananas

121

ethanol

butaanzuur

2-methyl-propylpropanoaat

rum

136,8

2-methyl-1-propanol

propaanzuur

methyl-2-hydroxybenzoaat

wintergroenolie

222

methanol

2-hydroxybenzeen carb onzuur (salicylzuur)

tabel 2 U moet extra opletten bij de verestering van methanol met 2-hydroxybenzeencarbonzuur (salicylzuur): dit carbonzuur is een vaste stof die niet oplost in de kleine hoeveelheid methanol. Om een hanteerbare hoeveelheid methanol te hebben, wordt er gewerkt met 0,02 mol i.p.v. 0,01 mol. Methanol kookt bij een erg lage temperatuur dus er moet zeer voorzichtig verwarmd en gerefluxet worden, anders komt de kolf droog te staan! Als katalysator kunnen in principe ook andere zure kationenwisselaars, zoals bijvoorbeeld Amberlyst®15, of een druppel geconcentreerd zwavelzuur worden gebruikt. Test wel van tevoren een keer of de katalysator een goed resultaat geeft! Het experiment kan in een lesuur worden uitgevoerd. Er moet wel rekening worden gehouden met ongeveer een half lesuur voorbereiding: de leerlingen moeten vooraf de hoeveelheid van de uitgangsstoffen berekenen. De geuren van de gesynthetiseerde esters komen vaak niet helemaal overeen met de geur volgens de tabel. Mogelijk komt dit, doordat de geuren van vruchten vaak bepaald

Opmerkingen

5-E1-3

$


worden door mengsels van een aantal esters. De ester die in de tabel is opgegeven, is het hoofdbestanddeel van dit mengsel. Vaak is de geur beter te bepalen als de concentratie van de ester lager is. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door een druppel van de ester op een filtreerpapiertje te doen en hieraan te ruiken. Sommige mensen reageren allergisch op 2-hydroxybenzeencarbonzuur (salicylzuur). Dit uit zich in een rood aanlopend gezicht.


1/2. De antwoorden op vraag 1 en 2 zijn afhankelijk van de gekozen ester. De benodigde hoeveelheden in milliliters zijn weergegeven in tabel 1 bij ‘praktische aanwijzingen’. 3. Als de reactie goed verlopen is, is de omzetting van de uitgangsstoffen met de gebruikte reactie-opstelling nagenoeg volledig. Het reactiemengsel ruikt duidelijk anders dan de uitgangsstoffen. Op basis hiervan mag geconcludeerd worden dat er nauwelijks meer uitgangsstof aanwezig is. De reactie is dus aflopend geweest naar de kant van de ester.

Literatuur

Williamson, hoofdstuk 27: Esterification.

5-E1-4

$


Leerlingenteksten

6-i

$


6

6-ii

$


Het project wordt uitgevoerd door de Werkgroep Microschaalexperimenten, bestaande uit:

Recommend Documents