Meten en Maken 1. TOETS HARRIS:
Dinsdag 1 Juni 2004, 14.00 uur – 17.00 uur • • • • • •
U treft drie opgaven aan. Elk van deze drie opgaven weegt even zwaar mee in het cijfer over deze toets. Elk van deze drie opgaven bevat deelopgaven. Elke deelopgave (a…..e) weegt even zwaar mee in het cijfer van de opgave. Houd de beschikbare tijd in het oog. Advies: trek voor elke opgave ongeveer een half uur uit. Besteed de resterende tijd om nog eens rustig uw antwoorden door te lezen. Zet uw naam en studienummer op alle papieren die u inlevert.. Veel succes. De toetsresultaten worden na een week bekend gemaakt en kunnen daarna op verzoek nabesproken worden met de docenten Biessels (1), Woudenberg (2) en Jonker (3).
1) UV-VIS-spectroscopie als mogelijk hulpmiddel bij een titratie. In een van de door u uitgevoerde experimenten hebt u azijnzuur getitreerd met 0.1M NaOH, waarbij u fenolftaleïne (= FF) als indicator hebt gebruikt. De kleuromslag van kleurloos naar lichtrose vormde voor u de eindpuntindicatie. Deze verandering in kleur hangt samen met verschillen in structuur van FF, bij verschillende pH’s. Zie de structuren hieronder: OH -
in zuur milieu
O
C
O
OH
-
in zwak tot matig sterk basisch milieu
OOC
O
O
A
B
(In sterk basisch milieu (pH > 14) heeft FF weer een andere structuur, maar daar hoeven wij in deze opgave geen rekening mee te houden.)
Deze structuurverandering komt ook tot uiting in het UV-VIS-spectrum van FF bij pH = 3 (spectrum A) en bij pH = 11 (spectrum B). Om deze spectra te kunnen meten werd een stockoplossing van 10.1 mg FF (zure vorm) in 250.0 mL EtOH/water (3/1 v/v) gemaakt. Vanuit deze stockoplossing werden de oplossingen van A en B bereid door respectievelijk - (A) 1 mL 0.10M HCl in een maatkolf van 100 mL te brengen en aan te vullen met stockoplossing tot de ijkstreep. - (B) 1 mL 0.10M NaOH in een maatkolf van 100 mL te brengen, 50.0 mL stockoplossing toe te voegen en aan te vullen met EtOH/water (3/1 v/v) tot de ijkstreep. Verdere gegevens vooraf: De spectra werden opgenomen op de double beam UNICAM UV500 spectrofotometer. Spectra A, B en C zijn opgenomen tegen ethanol/water 3:1 (v/v), spectra D en E tegen demiwater. De spectra A, B en C vertonen ook tussen 600-700 nm (dit gebied is niet weergegeven) geen extincties. De lengte van de lichtweg in de meetcuvet is 1.000 cm.
1) UV-VIS (vervolg) Opgave 1a: Maak duidelijk waarom FF in zuur milieu kleurloos, in (zwak) basisch milieu rose tot (bij hoge concentraties) paars gekleurd is. (U moet in uw antwoord ook aangeven welke informatie uit Harris u gebruikt heeft.) Opgave 1b: Bereken aan de hand van het spectrum B de molaire extinctiecoëfficiënt ε van het absorptiemaximum bij 557 nm.
Zowel voor de detectie met het oog als voor de detectie met de spectrofotometer werd bepaald hoever men oplossing B kan verdunnen totdat de rose kleur juist nog met het oog waarneembaar is c.q. totdat de spectrofotometer nog juist significante extinctie meet. Dit blijkt voor het oog van deze waarnemer bij een verdunning van 1: 120 te zijn, in de meetcuvet van de spectrofotometer. We noemen deze verdunde oplossing C. De vraag is nu of met deze verdunning ook de detectie-ondergrens van de spectrometer bereikt is. Is het oog gevoeliger of de spectrometerdetector? Om deze vraag te beantwoorden werd van oplossing C een spectrum opgenomen (spectrum C). Opgave 1c: Bereken de verdunningsfactor (t.o.v oplossing B) waarbij de spectrometer nog juist bij 557 nm een significante extinctiewaarde meet. Om te bepalen of een indicator voor een bepaalde titratie bruikbaar is wordt vaak de grootheid pK'In gebruikt waarbij pK'In gedefiniëerd is als: -
pK'In = pH - log [In ]/[HIn] Voor FF vinden we in de literatuur de waarde pK'In = 9.6. Uit de structuurformules is duidelijk dat fenolftaleïne een zuur/base-indicator is, A is dus identiek met HIn en B is identiek met In . Opgave 1d: Bereken bij welke pH de aan het begin van de opgave bedoelde stockoplossing van FF voor het oog juist waarneembaar rose is.
Witte wijnazijn wordt industriëel uit witte wijn gemaakt door de in de wijn aanwezige alcohol door een bacteriesoort (Acetobacter spec.) te laten oxideren tot azijnzuur. De aanwezige ethanol wordt daarbij uitsluitend tot azijnzuur omgezet. Helaas kan dit proces niet zonder meer met UV-VIS-spectroscopie gevolgd worden, omdat noch ethanol noch azijnzuur in hun waterige oplossingen bruikbare absorpties in het gebied 220-700 nm vertonen. Bovendien toont het UV-VIS-spectrum van wijn (wees gerust, het was een Caveau, geen Gewürztraminer) dat deze wijn stoffen bevat die in het UV-gebied sterk absorberen. Als mogelijk bruikbaar gebied voor de detectie kiezen we het gebied waar witte Caveau weinig of niet absorbeert, dit is 350-700 nm. Spectrum D is opgenomen van Caveau, 1:10 verdund met demiwater. Spectrum E is opgenomen van Caveau, 1:10 verdund met 0.001M NaOH. Opgave 1e: Beredeneer of u titrimetrisch met behulp van 0.1M NaOH en fenolftaleïne als indicator kunt bepalen hoeveel azijn-zuur tijdens het bacteriële proces is gevormd. Zo nee: geef duidelijk aan waarom niet. Zo ja, geef aan hoe u de titratie en de eindpuntindicatie zou uitvoeren. Gegevens: 1. De pH van deze Caveau-wit is 3.12. 2. Ook wijnazijn moet voldoen aan de warenwet op azijn.
1) UV-VIS (vervolg)
1) UV-VIS (vervolg)
2) AAS Bij de meting van het chroomgehalte in geïmpregneerde paaltjes met behulp van AAS werden de volgende waarden gevonden: -1
conc (mg l ) 0.00 4.00 8.00 12.00 16.00 20.00 monster
Extinctie (gem.) 0.0005 0.2676 0.4509 0.6043 0.7237 0.8230 0.5190
Afgelezen extinctie waarden 0.0004 0.2682 0.4536 0.6093 0.7185 0.8327 0.5165
0.0006 0.2702 0.4544 0.6044 0.7260 0.8183 0.5167
0.0005 0.2645 0.4447 0.5993 0.7266 0.8181 0.5238
Opgave 2a:
Bereken met behulp van bovenstaande meetgegevens o de standaarddeviatie van de blanco-meting. o de waarde van de extinctie behorend tot de detectielimiet van de AASspectrofotometer
Opgave 2b:
Construeer met behulp van bovenstaande gegevens de ijklijn van Cr en bereken de -1 concentratie van het monster (in mg l ).
Bij de meting van een metaal met behulp van een AAS-spectrofotometer is de grootte van de lampstroom van de holle kathode lamp van grote invloed op de vorm van de ijklijn. In figuur 1 is te zien, hoe de gemeten extinctie van zink (gemeten op een willekeurige AAS-spectrofotometer) afneemt naarmate de lampstroom toeneemt. Opgave 2c:
Verklaar waarom de gemeten extinctie afneemt naarmate de lampstroom toeneemt. 4 mA
A 6 mA 8 mA
10 mA
12 mA
[Zn] (mg/l) Figuur 1: Effect van de verandering van de lampstroom op de ijklijn van Zink
2) AAS (vervolg) Bij de meting van atomaire absorpties en emissies is de ionisatie van het te meten element een ongewenst proces. Om deze ionisatie tegen te gaan kan er een zogenoemde ionisatiebuffer worden toegevoegd. In figuur 2 is het effect van de toevoeging van zo’n ionisatiebuffer op de emissie van Rb te zien. Opgave 2d:
Beredeneer o Bij welke van de ijklijnen (1 t/m 4) geen ionisatiebuffer is toegevoegd. o De oorzaak van de (concave) vorm van ijklijn 1.
Opgave 2e:
Bepaal met behulp van tabel 1 welke van de volgende 3 ionisatiebuffers het meest geschikt zou zijn voor dit experiment. Beredeneer uw keuze. o KCl o CsCl o BaCl2 Intensiteit van de emissie
4
3
2
1
100 mg/l Rb Figuur 2: Onderdrukking van de ionisatie van Rb in een lucht-acetyleenvlam door toevoeging van ionisatiebuffer
Tabel 1: Eerste en tweede ionisatie energieën van enkele elementen -1 (Ei in kJ mol )
3) HPLC U bent assistent en assisteert een drietal groepen studenten bij de analyse van APC tabletten. Een APC tablet bevat de actieve bestanddelen Aspirine, Paracetamol en Cafeïne. De analyse wordt uitgevoerd met behulp van HPLC. O
NHCOCH3 H3C
COOH
N
N
OCOCH3 O
N
N
CH3
OH
Aspirine
CH3
Paracetamol
Caffeïne
Tijdens de voorbespreking moet u met de studenten bespreken welke de optimale golflengte is voor de UV-detector. In figuur 3 staan de UV-spectra van Aspirine, Paracetamol en Cafeïne in het gebruikte eluens, zoals opgenomen met een aparte UV-spectrofotometer. Opgave 3a:
Beredeneer o welke golflengte voor elk van de bestanddelen (A, P en C) het meest geschikt zou zijn o welke van de drie golflengtes (244nm, 254nm en 273 nm) voor het mengsel van A, P en C het meest geschikt zou zijn N.B. leg daarbij uit wat de voor en nadelen zijn van elk van deze golflengtes.
Aspirine 14.7 mg/l
Cafeïne 9.5 mg/l
Paracetamol 31.5 mg/l
Figuur 3: UV-absorptie spectra van Aspirine, Cafeïne en Paracetamol
3) HPLC (vervolg) In de eerste groep studenten heeft één student al de metingen gedaan en daarvan keurig verslag gedaan in het labjournaal. Hij laat de uitwerking en het schrijven van het verslag echter over aan een andere student. De relevante gegevens uit het labjournaal: Stockoplossingen (afwegen en oplossen in 50 ml MeOH, aanvullen tot 100 ml met demi-water): Aspirine: 294 mg/100ml Paracetamol: 315 mg/100ml Cafeïne: 95 mg/100ml 5 Ijklijn oplossingen werden bereid door x ml Aspirine, Y ml Paracatamol en Z ml Cafeïne stock in 100 ml maatkolf te pipetteren en met demi water aan te vullen tot 100 ml Monsters (duplo) Een tablet APC werd fijngemalen in een mortier en opgelost in 40 ml MeOH. Deze oplossing werd gefiltreerd over een 0.45 µm Millipore filter in een 100 ml maatkolf en nagewassen met 10 ml MeOH en 10 ml demi water. De maatkolf werd verder aangevuld met demi water tot 100ml. Vervolgens werd een verdunning gemaakt door 5 ml van deze oplossing te pipetteren in een maatkolf van 100 ml en deze aan te vullen tot 100ml. Volgens de verpakking bevat een tablet 250 mg Aspirine; 250 mg Paracetamol en 46 mg Cafeïne. Chromatografische condities: Kolom: C-18 (reversed Phase) Eluens: TBA-buffer : Acetonitril, 85 : 15% v/v Detector: 244 nm -1 Flow: 1.0 ml min Injectievolume: 20µl (sample loop) De gemeten Piek oppervlakken staan vermeld in onderstaande tabel: Ijklijn Oplossing (100ml)
1 2 3 4 5 Tablet 1 Tablet 2
Opgave 3b:
X ml Stock A 1 3 5 8 10
Aspirine Conc Piek mg/l oppervlak 29,4 88,2 147,0 235,2 294,0
2.222.672 7.678.795 12.043.699 18.822.538 25.076.818 10.246.613 10.096.099 10.413.851 10.547.641
Y ml stock P 1 3 5 8 10
Paracetamol Conc Piek mg/l oppervlak 31,5 94,5 157,5 252,0 315,0
22.076.660 61.230.196 106.383.552 167.614.960 211.767.232 83.020.872 82.618.920 80.877.128 81.279.080
Z ml stock C 1 2 3 4 5
Cafeïne Conc Piek mg/l oppervlak 9,5 19,0 28,5 38,0 47,5
4.115.657 8.539.310 12.443.769 17.067.100 20.966.538 10.854.874 11.121.202 10.588.546 10.766.098
Controleer de resultaten van de studenten en bereken de samenstelling van het APC tablet.
3) HPLC (vervolg) De tweede groep studenten, die precies dezelfde tabletten onderzochten als de eerste groep vindt resultaten die aanzienlijk afwijken van de hoeveelheden die er volgens de verpakking in zouden moeten zitten: Aspirine: 94.6 mg Paracetamol: 57.7 mg Cafeïne: 166.6 mg Het labjournaal van deze groep studenten is niet bijgehouden. Bij navraag werd gesteld dat alles werd uitgevoerd volgens voorschrift en het dus niet nodig was om alles nog een keer op te schrijven. Gek genoeg zijn alleen de chromatogrammen beschikbaar van de monsters en die resultaten zien er best wel goed uit en zijn ook erg goed reproduceerbaar. Er wordt door de studenten gezocht naar mogelijke oorzaken en u moet daar met kritische blik naar kijken. Opgave 3c:
Bediscussieer en pareer de volgende suggesties van de studenten: (korte antwoorden) o Het gaat hier waarschijnlijk om een verdunningsfout o De detector is wellicht stuk o Misschien is er iets mis met het eluens o Het gaat hier om een slechte batch geneesmiddelen o Een van de studenten heeft wat gemorst van het gepoederde tablet. o De HPLC is waarschijnlijk stuk, en het wordt hoog tijd voor een HPLC die gekoppeld is met een computer voor meer betrouwbare resultaten.
Na verder doorvragen wordt duidelijk dat de reden waarom er geen data voor de ijklijn was, te wijten is aan het feit dat gebruik werd gemaakt van de ijklijn data van de eerste groep studenten als gevolg van tijdsdruk. Het was al 16.30 en deze vertraging was te wijten aan een andere groep studenten die nog bezig was met een cafeïne bepaling in koffie op dezelfde opstelling. Gelukkig werd gebruik gemaakt van hetzelfde eluens en kon er zo gemeten worden. Opgave 3d:
Bediscussieer: o Dat de boven gevonden waardes nooit verklaard kunnen worden met het lenen van andermans ijklijn. Er moet echt een andere verklaring zijn. o Probeer de echte oorzaak te vinden voor het vreemde resultaat en, als die gevonden is, probeer dan alsnog de juiste samenstelling te bepalen voor deze groep studenten. HINT: Kon er in bovenstaande situatie inderdaad zo gemeten worden na de cafeïne bepaling in koffie?
N.B. Het belang van het goed bijhouden van een labjournaal moge duidelijk zijn
Een derde groep studenten komt in paniek naar u toe, want ze zijn er achter gekomen dat ze het verkeerde eluens hebben gemaakt, niet Eluens: TBA-buffer : Acetonitril, 85 : 15% v/v maar Eluens: TBA-buffer : Acetonitril, 15 : 85% v/v Opgave 3e:
Wat denkt u dat het effect is van dit verkeerde eluens op het chromatogram en wat gaat u de studenten adviseren te doen.
