Chemie in Onderzoek VWO
Analyse technieken
Module 8 In deze module maak je kennis met een aantal chemische analyse technieken. Voornaamste begrippen zijn: tra e dunne laag chromatografie massa spectroscopie infra rood spectroscopie absorp e spectroscopie
© 2014 H.J.C. Ubbels
│1
Chemie in Onderzoek VWO
Inhoudsopgave Par.
Titel
Blz.
§ 8.1
Chromatografie
3
§ 8.2
Massaspectroscopie
7
§ 8.3
Absorp e spectrometrie
9
§ 8.4
Infrarood
12
§ 8.5
Titreren
14
§ 8.6
Proefwerkopgaven
15
│2
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.1 - Chromatografie Chromatografie is een veel toegepaste methode om stoffen in een mengsel te scheiden. Papierchromatografie en kolomchromatografie zijn de oudste methoden. Tegenwoordig wordt meestal gebruik gemaakt van dunne laag chromatografie. Een kleine hoeveelheid van het te onderzoeken mengsel wordt op een plas c plaatje met een laagje silicagel gebracht in de vorm van een streep of vlek (A). A
B
mobiele fase en de sta onaire fase. Ook karakteris ek voor een stof is de ‘rate of flow’ weergegeven met het symbool Rf. Dit is de verhouding tussen de afstand die de stof A hee= afgelegd en de afstand die de mobiele fase hee= afgelegd. Een aantal Rf waarden vind je in tabel 72 van BINAS. Denk er wel om dat Rf waarden al jd aAangen van de gebruikte mobiele fase en de gebruikte sta onaire fase! Onderzoek 8.1.1 Dunne laag chromatografie van bladgroen Onderzoeksvraag Welke natuurlijke pigmenten komen voor in bladgroen? Stap 1: de extrac(e Let op: aceton en petroleumether zijn zeer brandgevaarlijk! Doe het bladgroen met wat puimsteenkorrels en 5 mL aceton in een mor er.
Het silicagel plaatje (de ‘sta onaire’ fase) wordt in een zogenaamde ‘loopvloeistof’ gehangen (de ‘mobiele’ fase). De loopvloeistof wordt door capillaire werking omhoog getrokken in het papier (B). Als de stoffen in het mengsel in de loopvloeistof oplossen, zullen ze mee omhoog getrokken worden. Doordat niet alle stoffen even goed oplossen ontstaat een vlekkenpatroon. De stoffen in het mengsel zijn geheel of gedeeltelijk gescheiden. De vlekken kunnen uitgeknipt worden en weer opgelost en ingedampt. Zo krijgt men de zuivere bestanddelen van het mengsel. Als men vetminnende/hydrofobe stoffen van elkaar wil scheiden maakt men gebruik van alcoholen, aceton, chloroform, petroleumether en mengsels van deze stoffen. Als men waterminnende/hydrofiele stoffen wil scheiden wordt water of een mengsel van water met een base of zuur gebruikt. De manier waarop een stof zich verdeelt over de mobiele en sta onaire fase, is karakteris ek voor een bepaalde stof. Er stelt zich een verdelingsevenwicht in: Amob Astat De evenwichtsvoorwaarde, waarbij Kv de verdelingsconstante voorstelt, wordt dan: [Astat] / [ Amob] = Kv De waarde van de verdelingsconstante gee= de verhouding weer van de oplosbaarheid in de
Wrijf stukjes blad goed fijn en voeg wat aceton toe. Wrijf nogmaals tot een groene vloeistof ontstaat. Schenk deze vloeistof in een reageerbuis en voeg enkele mL petroleumether toe. Schud de buis (voorzien van rubber stop) en laat tot twee vloeistof lagen zijn ontstaan: een apolaire petroleumether laag waarin de pigmenten zijn opgelost en een polaire aceton laag met een waterig residu. Indien geen twee lagen zichtbaar zijn, voeg dan nog wat keukenzout toe en schud opnieuw. Breng met een druppelpipet de apolaire laag over in een schoon en droog bekerglas van 100 mL. Laat dit extract indikken in een warmwaterbad van 80oC: (bekerglas van 250 mL voor 1/3 gevuld met water van ca. 80oC). Denk weer aan de brandveiligheid! Ga door met indampen totdat hooguit 1 mL extract over is. Bewaar het extract in een gekoelde en afgesloten reageerbuis tot het chromatograferen. Bewaar ook wat extract voor onderzoek 8.4.2. │3
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.2 - Massaspectroscopie Massaspectroscopie wordt in laboratoria veel gebruikt. De techniek is zeer geschikt voor het iden ficeren en structuuropheldering van stoffen. Massaspectroscopie hee= een zeer breed toepassingsgebied. Zo is het mogelijk om op een snelle manier bijvoorbeeld drugs of drugresten terug te vinden in monsters en ook om metabolieten van sportdoping en medicijnen terug te vinden in bloedplasma. De methode werkt als volgt. Het monster wordt doorgaans via gaschromatografie of vloeistofchromatografie in een massaspectrometer gebracht. De moleculen worden in de massaspectrometer kapotgeschoten in fragmenten. Dit gebeurt door de moleculen te beschieten met elektronen. Hierbij worden de moleculen geïoniseerd. De beschie ngselektronen komen zo dicht in de buurt van het molecuul, dat de minst stevig gebonden elektronen uit het molecuul worden verwijderd. Op deze manier ontstaan er posi ef geladen molecuulionen. Het molecuul wordt hierdoor instabiel en ‘fragmenteert’ (valt uiteen in brokstukken). Een eenvoudig voorbeeld van ionisa e gevolgd door fragmenta e van een koolstofdioxidemolecuul wordt hieronder weergegeven. Ionisa(e: Fragmenta(e:
CO2 + e- → CO2+ + 2 eCO2+ → CO + O+
De detector registreert de massa en lading van de fragmenten, waarna via so=ware de massa en vaak ook de structuur van het molecuul wordt berekend. De piekhoogte is een maat voor de hoeveelheid of concentra e van de gemeten stof. De prijs van een massaspectrometer varieert van € 75.000 tot € 500.000. Vandaar dat we het op school moeten doen met massaspectra uit databases. Een mooie database waar je spectra van allerlei aard kunt vinden is het NIST Chemistry WebBook: h0p://webbook.nist.gov/chemistry/ Op deze website kun je op naam (in het Engels!) of op formule zoeken naar massaspectra en infrarood spectra (§8.4). Je kunt de spectra uitlezen door er op te klikken met de linker muisknop. Meer uitleg over MS is te vinden op de website van de Radboud Universiteit van Nijmegen: h0p://cheminf.cmbi.ru.nl/wetche/vwo/cdrom05/jmol/
Deze uitleg komt in plaats van de klassikale uitleg. Kies ‘SpectroscopiePlus’ en werk het hoofdstuk over massaspectroscopie door. Maak aantekeningen van dingen die je niet snapt.
De posi ef geladen fragmenten worden vervolgens met behulp van een sterk elektrisch veld versneld om daarna terecht te komen in een elektromagne sch veld, dat loodrecht op de bewegende ionen staat. Hierdoor worden de deeltjes afgebogen. Deze aJuiging is recht evenredig met de verhouding m/z. Hierbij is m de massa van het deeltje en z de lading (meestal 1+).
Vragen Welke fragmenten kunnen ontstaan na ionisa e van: 1. propaan? 2. broomethaan? In het massaspectrum van een stof werden massafragmenten gevonden van 15, 29 en 45 u. 3. Ga met behulp van BINAS na welke stof dit eventueel geweest zou kunnen zijn. │7
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.3 - Absorptie spectrometrie Absorp(e spectrometrie Spectroscopische technieken zijn gebaseerd op het gegeven dat elektromagne sche straling kan in interac e kan treden met materie. Dikwijls treedt hierbij absorp e van licht op, gepaard gaande met een overeenkoms ge toename van de energie van het absorberende systeem volgens ΔE = hν, waarbij h = de contante van Planck en ν = de frequen e van de straling. Hoe de opname van energie ΔE door de materie verloopt is vooral aAankelijk van de golflengte λ van de elektromagne sche straling. Zo kunnen röntgenstralen (λ = 10-11 à 10-8 m) elektronen uit laaggelegen energieniveaus naar hogere niveaus of zelfs buiten de atomen brengen en is infrarood (IR) straling (λ = 10-6 à 10-4 m) in staat om vibra es in moleculen en materialen aan te slaan. Stoffen die een kleur hebben absorberen straling uit het zichtbare licht (λ = 380-780 nanometer). De golflengte die wordt geadsorbeerd is karakteris ek voor de stof. De werking van een spectrofotometer is hieronder vereenvoudigd weergegeven.
Er komt slechts licht van één golflengte uit de spectrofotometer. Deze golflengte is in te stellen door aan de knop van het prisma te draaien. Meestal worden bij de bepaling twee cuve%en gebruikt. Eén cuvet bevat alleen het gebruikte oplosmiddel. Dit noemen we de blanco. De andere bevat de oplossing van de stof, die we willen onderzoeken. Dit noemen we het monster. Met behulp van de lichtmeter kan de lich ntensiteit worden gemeten. De intensiteit van het licht dat door de blanco gaat wordt aangegeven met Io en de intensiteit van het licht dat door het monster gaat wordt aangegeven met I. Bij dezelfde lengte van de lichtweg blijkt de verhouding I/Io constant te zijn. Dit noemen we de transmissie: T = I / Io . De ex nc e (E) - ook uitdoving genoemd - wordt gedefinieerd als:
Absorp(e spectrometrie kwan(ta(ef De ex nc e is niet alleen aAankelijk van de kleur van een stof, maar ook van de concentra e. Het is logisch dat de ex nc e groter zal worden naarmate de concentra e van een stof toeneemt. Het verband tussen ex nc e en concentra e is vastgelegd in de wet van Lambert-Beer: E = ε.[A].l waarin E = log (Io/I) Hierin is: • ε de ex nc e coëfficiënt, een constante die van de soort stof aAangt; • [A] de molariteit van de oplossing • l de lengte van de lichtweg (de breedte van de cuvet in cm, meestal 1,00 cm) Om van een onbekende oplossing de concentra e te bepalen moet je eerst van een serie oplossingen met bekende molariteit de ex nc e bepalen. De grafiek van de ex nc e tegen de concentra e moet volgens de wet van Lambert-Beer een rechte lijn door de oorsprong opleveren. Dit noemen we de ijklijn. Met behulp van deze ijklijn kan van de onbekende oplossing de concentra e worden bepaald. Toepassingen Chlorofyl is de groene bladkleurstof van planten die zich in chloroplasten bevindt en met behulp waarvan zij licht opvangen en de energie daarvan omze^en in chemische energie die wordt gebruikt voor fotosynthese. De groene kleur van chlorofyl is toe te schrijven aan de sterke absorp e die het vertoont in het rode en blauwe deel van het spectrum: alleen de groene kleur wordt teruggekaatst.
E = ‒ log ( I / Io ) of E = ‒ log T waarin T = I / Io Wat je meet is aAankelijk van de gebruikte spectrofotometer. Sommige apparaten meten zowel de transmissie als de ex nc e. De blanco moet je al jd instellen op Io = 100% of E = 0.
Absorp espectrum van chlorofyl a (groen) en b (rood)
│9
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.4 - Infrarood Beknopte theorie De term IR-straling wordt gebruikt voor het deel van het elektromagne sch spectrum gelegen tussen dat van het zichtbare licht en het microgolfgebied. In het algemeen kan worden gesteld dat moleculen IR-straling tussen 10.000 en 100 cm-1 absorberen en omze^en moleculaire vibra es. De posi es van de absorp ebanden in IR-spectra worden weergegeven met golfgetallen met als eenheid de reciproque cen meter (cm-1). Het golfgetal (n) bereken je heel eenvoudig met de formule n = 1/ λ. IR-spectroscopie is van groot belang voor de structuuranalyse, omdat bepaalde groepen atomen (bijv. de func onele groepen in de koolstofchemie) IR-absorp es hebben bij een karakteris eke frequen e, die grotendeels onaAankelijk is van de rest van het molecuul. De aanwezigheid van deze karakteris eke absorp e in een IR-spectrum maakt het mogelijk om na inspec e van een spectrum met behulp van frequen etabellen structurele informa e te verkrijgen. De intensiteit van de banden kan worden uitgedrukt in termen van Transmissie (T) of Absorp e (A). Er zijn twee types van moleculaire vibra es: strek- en buigvibra es. Een strekvibra e is een beweging langs de bindingsas waardoor de afstand tussen twee atomen wordt vergroot dan wel verkleind. Een buigvibra e betekent een verandering in een bindingshoek of een buiging van een groep atomen ten opzichte van de rest van het molecuul. Als voorbeeld worden hieronder de drie fundamentele vibra es van water getoond, een niet-lineair-3-atomig molecuul.
symmetrische asymmetrische strek (3652 cm-1) strek (3756 cm-1)
buigvibra e (1596 cm-1)
Onderstaande tabel gee= een overzicht van de strekfrequen es van veel voorkomende bindingen. Verdere uitleg over IR-spectroscopie kun je vinden op de website van de Radboud Universiteit: h0p://cheminf.cmbi.ru.nl/wetche/vwo/cdrom05/jmol/
Bindingstype C-C, C-O, C-N C=C, C=O, C=N, N=O C≡C, C≡N C-H, O-H, N-H
Vibra(e strek strek strek strek
Vragen In Nederland zijn twee soorten mee nstrumenten in gebruik om het alcoholgehalte in de adem te meten. De ene soort, de Datamaster II, maakt uitsluitend gebruik van infrarood spectroscopie. Het infraroodspectrum van alcohol in de gasfase is afgebeeld in figuur 1.
figuur 1 In BINAS staan gegevens over infrarood spectroscopie. Voor alcoholen in de vloeibare fase staat daar vermeld dat de O–H strekvibra e een absorp egebied hee= dat loopt van 3200 cm–1 tot 3525 cm–1. In het afgebeelde spectrum in figuur 1 loopt het absorp egebied van de O–H strekvibra e van ongeveer 3600 cm–1 tot 3750 cm–1. 1. Geef mede aan de hand van BINAS tabel 38A1 uit waarom het absorp egebied van de O–H strekvibra e in het IR spectrum van alcohol in de gasfase afwijkt van het absorp egebied van de O–H strekvibra e in het infraroodspectrum van alcohol in de vloeistoffase. Om van verkeersdeelnemers het ademalcoholgehalte te bepalen, gebruikt de Datamaster II het absorp egebied tussen 2900 cm–1 en 3000 cm–1. Bij twee golflengten in dit gebied wordt de transmissie gemeten. Vervolgens wordt met deze transmissiewaarden twee keer het ademalcoholgehalte berekend. Absorp(egebied (cm-1) 1300-800 1900-1500 2300-2100 3800-2700 │ 12
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.5 - Titreren Onderzoek 8.5.4 Citroenzuurgehalte van frisdrank
Onderzoek 8.5.5 Werkzaam chloorgehalte van chloorbleekloog
Inleiding Onderzoek onder middelbare scholieren wijst uit dat 20% van de 12-jarigen kampt met tand erosie, een sluipende welvaartsziekte als gevolg van te vaak frisdrank drinken. Tanderosie is iets totaal anders dan cariës, de ouderwetse gaatjes. Gaatjes ontstaan door bacteriën in de combina e van suiker en speeksel. De bacteriën (tandplak) openen de aanval op tanden en kiezen. Poetsen is een goede remedie om de plak te verwijderen. Tanderosie ontstaat doordat zuren langzaam het tandglazuur oplossen, dat als een harde beschermende laag om het zachtere tandbeen heen zit. De oorzaak van al die etsende zuren in de mond ligt in belangrijke mate in de frisdrankconsump e. Het kwalijke bestanddeel in de koolzuurhoudende dranken is citroenzuur. Dat is aan bijna alle frisdranken toegevoegd, want dat zorgt voor de 'frisse' smaak. Daarom is cola light ook niet beter tegen tanderosie, want de hoeveelheid zuur is dezelfde. Wel is zo'n 'light'-frisdrank beter tegen cariës.
Inleiding Bleekwater bevat natriumhypochloriet en natriumchloride. Het ac eve bestanddeel is hypochloriet. Het "werkzaam chloor" is het chloor dat vrij komt bij de reac e met verdund sterk zuur.
Onderzoeksvraag Wat is het citroenzuurgehalte van frisdrank? Deelvragen 1. Wat is het citroenzuurgehalte van frisdrank in gram per liter? 2. Waarom is frisdrank chemisch gezien schadelijk voor het kindergebit? Werkwijze Titreer met 0,1 M natronloog met fenol=aleïen als indicator. Verwerking Maak bij berekening gebruik van het gegeven, dat citroenzuur een 3-waardig zuur is met molecuulformule C6H8O7. Vermeld bij je berekening alle meetgegevens die gebruikt worden en de reac evergelijking. Bij de beantwoording van deelvraag 2 ga je kort in op de chemische achtergrond van de aantas ng van het gebit door een zuur.
OCl¯(aq) + Cl¯(aq) + 2 H+(aq) → Cl2(aq) + H2O(l)
Het gevormde chloor laat je reageren met jodide. Het ontstane jood wordt daarna ge treerd met thiosulfaat. Werkwijze Bepaal door wegend treren het werkzaam chloorgehalte in Glorix. Spuit hiertoe een plas c spuit met verdunde Glorix voor ongeveer ¾ leeg in een bekerglas van 100 mL en voeg achtereenvolgens 15,0 mL 0,10 M kaliumjodide en 10,0 mL 1 M zoutzuur toe. Titreer met 0,1 M thio tot lichtgeel. Voeg vervolgens 2 à 3 mL zetmeeloplossing en treer tot kleurloos. Verwerking Het 'werkzaam chloor' in bleekwater wordt bij deze tra e eerst 'omgezet' in jood. Deze werkwijze wordt een ‘indirecte’ tra e genoemd. 1. Leg uit wat bedoeld wordt met de opmerking dat chloor wordt ‘omgezet’ in jood. 2. Stel m.b.v. halfreac es de vergelijking op voor de reac e van chloor met jodide. 3. Het gehalte werkzaam chloor staat op de fles met bleekwater (meestal 40 g L-1). Bereken hoeveel gram kaliumjodide je ten minste moet toevoegen om de hoeveelheid werkzaam chloor in 2,0 gram bleekwater volledig te kunnen omze^en. 4. Stel m.b.v. halfreac es de reac evergelijking op voor de reac e van jood met 'thio'. 5. Vlak voor het eindpunt van de tra e wordt een scheutje zetmeeloplossing toegevoegd. Welke kleuromslag wordt daardoor bij het eindpunt van de tra e waargenomen? 6. Bereken met behulp van de buretstanden het gemiddelde aantal mmol 'thio', dat bij de tra e is verbruikt en bereken het aantal mmol jood, dat met 'thio' hee= gereageerd. 7. Bereken tot slot het massapercentage werkzaam chloor in bleekloog. │ 14
Chemie in Onderzoek VWO
§ 8.6 - Proefwerkopgaven MBTE
7. Leg uit welk brokstuk dat geweest kan zijn.
MTBE is een stof die aan benzine wordt toegevoegd voor een betere verbranding (de klopvastheid wordt vergroot).
MTBE hee= de molecuulformule C5H12O. Er zijn nog meer stoffen met molecuulformule C5H12O. Eén daarvan is 1-pentanol. 8. Leg uit of je met behulp van massaspectra kunt uitmaken of het om 1-pentanol of MTBE gaat. Controleer je antwoord door het massaspectrum van 1-pentanol op te vragen. 9. Leg uit of je met behulp van het IR-spectrum kunt uitmaken of het om 1-pentanol of MTBE gaat. Controleer je antwoord door het IRspectrum van 1-pentanol op te vragen. Vislucht
Door middel van beantwoorden van onderstaande vragen kun je nog eens oefenen met het interpreteren van een massa- en IR-spectrum. Maak gebruik van onderstaande site: h0p://webbook.nist.gov/chemistry/ Neem als zoekfunc e de naam van de stof, in dit geval dus MTBE. Gebruik daarnaast BINAS tabellen 39B en 39D. 1. Teken de structuurformule van MBTE. 2. Wat is de chemische naam van MTBE? 3. Vraag het IR-spectrum (gasfase) op van MTBE (en gebruik dit voor de volgende opgaven). Klik op “View image of digi zed spectrum” om een digitale afdruk te maken. 4. Vraag het massaspectrum op van MTBE (en gebruik dit voor de volgende opgaven). Klik op “View image of digi zed spectrum” om een digitale afdruk te maken. Bestudeer het massaspectrum van MTBE. Als je met de muis op een piek gaat staan, zie je rechts boven (bij X) welke massa bij die piek hoort. 5. Is er sprake van een moleculair ion? 6. Er is een piek te zien bij massa 73. Leg uit hoe een brokstuk met deze massa kan ontstaan. Verder zijn er pieken te zien bij massa 57, 43, 41, 29 en 15. De piek bij massa 57 is ontstaan doordat het MTBE-molecuul een brokstuk met massa 31 hee= verloren.
Trimethylamine, (CH3)3N, is bij kamertemperatuur een gasvormige stof met de geur van ro^e vis. Deze stof wordt door bacteriën gevormd. In de lever wordt trimethylamine omgezet tot trimethylamineoxide, (CH3)3NO. Deze omzegng gebeurt onder invloed van het enzym ‘FMO’. Trimethylamineoxide is reukloos en wordt via de urine uitgescheiden. Er zijn mensen die het enzym FMO niet, of in onvoldoende hoeveelheid, kunnen aanmaken. De omzegng van trimethylamine tot trimethylamineoxide gebeurt daardoor niet of in zeer geringe mate. Trimethylamine hoopt zich bij deze mensen op in het lichaam. Uitscheiding van trimethylamine gebeurt via de urine, maar voor een niet onbelangrijk deel ook via de adem en het zweet. Deze mensen verspreiden daarbij een onaangename vislucht en raken daardoor vaak in een sociaal isolement. Deze aandoening staat bekend als het visluchtsyndroom. Of iemand wel of niet aan het visluchtsyndroom lijdt, is niet al jd duidelijk. De ernst van de aandoening kan door onderzoek worden vastgesteld. De man of vrouw die wordt onderzocht, krijgt een hoeveelheid trimethylamine toegediend waarna zijn/haar urine gedurende een periode van 8 uur wordt verzameld. Bij dit onderzoek wordt de waarde van het quo ënt [TMAO] / ( [TMAO] + [TMA] ) berekend. Hierin is [TMAO] de concentra e van trimethylamineoxide in de verzamelde urine en [TMA] de concentra e van trimethylamine in de verzamelde urine. Bij mensen die niet aan het visluchtsyndroom lijden, is de waarde van dit quo ënt 0,9 of hoger. Bij de erns ge vorm van het visluchtsyndroom is de waarde van de breuk kleiner dan 0,4. Bij de milde vorm schommelt de waarde van het quo ënt tussen de genoemde grenzen. │ 15
