Als je een mengsel hebt, welke stoffen zitten er dan in; wat zijn de komponenten?
Om dat te onderzoeken is meestal een scheidingstechniek nodig. In de praktijk zal een mengsel eerst worden gescheiden in de komponenten om vervolgens elke komponent afzonderlijk te onderzoeken. Er bestaan echter ook technieken die in staat zijn om afzonderlijke stoffen vergaand te onderzoeken terwijl ze zich nog in het mengsel bevinden.
De methode om een mengsel van stoffen te scheiden in komponenten hangt af van het karakter van dat mengsel en van de komponenten.
Zo heeft het bijvoorbeel geen zin om een homogeen mengsel te filtreren.
Om de beste methode te kiezen moet je de eigenschappen van de stoffen goed kennen.
Bij extractie van een vast mengsel voegt men een oplosmiddel toe waarin één van de komponenten oplost en de andere niet. Vervolgens kun je de oplossing scheiden van de overblijvende niet opgeloste stof(fen) en filtreren. Tenslotte kun je - indien gewenst - het oplosmiddel weer verdampen; dan houdt je die ene oplosbare stof in vaste vorm over.
Zo kan heet water bepaalde stoffen extraheren uit theeblaadjes. Je scheidt dan komponenten van elkaar en de oplosbare drink je op. De overblijvende in de theeblaadjes gooi je weg.
Een mengsel van jodium en kaliumpermanganaat kun je scheiden door alkohol toe te voegen. Het jodium lost op, maar het zout niet.
Opdracht 36
Maak een schets van het scheiden door extractie van bepaalde kleurstoffen uit bloemen.
Veronderstel daarbij dat deze kleurstoffen in alkohol oplossen; de niet-oplosbare blijven achter als 'residu'.
Enkele bijzonder extracties zijn:
- verhitting van hetzelfde mengsel (jodium + permanganaat (= (s) + (s)) zal het jodium verdampen. Maar direct bij enige afkoeling sublimeert het aan de wanden van een glazen trechter en heb je de joodkristallen meteen terug, gescheiden van het zoutkristal.
- uit een mengsel van ijzer en zwavelpoeder kun je het ijzer "extraheren" met een magneet.
Chromatografie wordt heel vaak toegepast: een mengsel met verschillende deeltjes passeert een vaste laag (papier, gel van aluminiumoxide, of andere poreuze stoffen)
De komponenten van het opgeloste mengsel worden meer of minder sterk geabsorbeerd door die laag (afhankelijk van, bijvoorbeeld, polaire eigenschappen).
Plaats op een stukje filtreerpapier een klein stipje zwarte inkt, dat zeker een mengsel is van diverse kleurstoffen.
Kies een 'loopvloeistof' waar je het papier met de onderkant in hangt. Door de capillaire werking trekt die vloeistof naar boven, passeert het inktvlekje en neemt de komponenten met verschillende snelheden mee naar boven. Zo zal de slechts oplosbare komponent vrijwel op zijn plaats blijven, niet naar boven trekken.
Opdracht 37a
Denk je dat het mogelijk is om een (g) + (g) mengsel door papierchromatografie te scheiden in de komponenten? Leg uit.
Antwoord
Electroforese en Chromatografie
Het speciale filterpapier wordt natgemaakt met een waterige oplossing, aangezuurd, basisch of neutraal.
In het midden breng je een vlekje aan van het proteïnemengsel.
De eiwitten bewegen zich o.i.v. een elektrisch veld, en overeenkomstig met hun lading, in een bepaalde richting.
- de proteïnen in basisch milieu (OH- aanwezig) hebben een negatieve lading
- de proteïnen in zuur milieu (H+ aanwezig) hebben een positieve lading
- de proteïnen in hun iso-elektrisch punt zijn neutraal
Het bovengetoonde resultaat geeft aan dat er waarschijnlijk een aangezuurde vloeistof is gebruikt om het filtreerpapier te bevochtigen.
Opdracht 37b
Leg de werking van het apparaat in details uit.
Verschillende chromatografische methoden:
- Papierchromatografie
- Kolomchromatografie
- Gaschromatografie
Een speciaal type van chromatografie is de kolomchromatografie. De kolom (een glazen buis) is vol met een speciale vaste stof (zand, aluminiumoxide, bepaalde gel, e.a.). Bovenop wordt een mengsel aangebracht, dat laat je in de kolom trekken en meteen open je een kraantje dat druppelsgewijs een "loopvloeistof" laat doorsijpelen. Tijdens dat doorsijpelen wordt het mengsel meegenomen naar beneden, maar wel elke komponent van het mengsel met zijn eigen snelheid. Die hangt namelijk af van factoren als: hoe groot zijn de deeltjes van die komponent? hoe oplosbaar is de komponent in de loopvloeistof? hoe goed wordt de komponent geabsorbeerd aan de vaste stof? ;enz.
Om de zoveel seconden wordt er een nieuwe reageerbuis onder de kolom gezet om de vloeistof op te vangen. Aan het eind van dit proces bevat elke reageerbuis een klein beetje loopvloeistof + in sommige buizen een beetje komponent. Er zijn prima detectiemethoden om te kijken waar dat zit.
Opdracht 37c
Leg de werking van het apparaat in details uit.
Gaschromatografie: nóg een methode die absorptie toepast. Stoffen worden geabsorbeerd door een 'drager'. Een lange, dunne gebogen buis bevat een poreuze vaste stof. Continu passeert een (inert) gas door die buis, afkomstig van een cylinder waar de gasdruk heel precies wordt bijgehouden. Helium wordt er wel voor gebruikt, maar ook andere. Aan het begin van de buis bevindt zich een injectiekamertje waar je een gas(mengsel) kan inspuiten. Dat mengsel (kleine hoeveelheid) wordt meteen meegenomen door het draaggas door de buis heen. De ene komponent zal sneller door de buis kunnen dan de ander, afhankelijk van de absorptie door de drager. Dus zal het ene gas eerder de buis verlaten dan het andere. Aan het uiteinde kan bijvoorbeeld een microvlam staan die met een kleurverandering reageert op het naar buiten komen van een komponent. Een detector analiseert dan de kleur van dat gas en zet dat om in een signaal dat geprint kan worden. Men kan zo niet alleen bepalen welke komponenten in het mengsel zaten, maar ook in welk percentage.
Opdracht 37d
Leg de werking van het apparaat in details uit.
Opdracht 38
Eén van de scheidingsmechanismen van deeltjes in kolommen is gebaseerd op het verschil in grootte van de deeltjes.
Welke deeltjes zullen de kolom het eerst verlaten: de grootste of de kleinste?
Dit is een scheidingsmethode gebaseerd op verschil in kookpunten van vloeistoffen.
Als je een mengsel van vloeistoffen verwarmt zal de vloeistof met het laagste kookpunt het eerst gaan koken en ontsnappen (verdampen) uit het mengsel. De damp zal in de condensatorbuis terecht komen, waar gekoeld wordt en waar dus deze komponent condenseert en wordt opgevangen.
De overige komponenten, met hogere kookpunten, blijven voorlopig achter en zullen pas ontsnappen bij nog hogere temperaturen. Goede temperatuurscontrole is dus zeer nodig tijdens het proces.
voorbeeld: je kunt wijn destilleren waarbij alkohol met het laagste kookpunt (78ºC) het eerst zal ontsnappen.
Opdracht 39
Bij welke temperatuur kan met wijn destilleren om alkohol te verkrijgen?
Alleen mogelijk met heterogene mengsels met vaste deeltjes die te groot zijn voor een filter. Ze kunnen er niet doorheen, maar de vloeistofdeeltjes wel.
Filters heb je in allerlei soorten en maten, van zeer fijn tot grof.
Je hebt duidelijk een vaste stof in een vloeistof, heterogeen en het neerslag heeft redelijk zware kristallen. Je kunt dan beginnen met 'decanteren' = de vloeistof afgieten terwijl de vaste stof achterblijft.
Normaal gaat het hier om homogene mengsels. Je verwarmt zo'n mengsel voorzichtig, de vloeistof verdampt en de vaste stof blijft over. Natuurlijk alleen als de vloeistof en de vaste stof er tegen kunnen verhit te worden en niet voortijdig ontleden.
Het gaat om een homogeen mengsel van (l) + (s)
De afbeelding toont een methode om een vloeistof voorzichtig te verdampen, d.w.z. met kokend water, in een waterbad. Zo'n waterbad kan natuurlijk alleen dienst doen als temperatuur van 100ºC genoeg is om de vloeistof te verdampen. De opgeloste (vaste) stof blijft achter in het verdampingsschaaltje.
Opdracht 40
Leg uit waarom de produktie van zeezout verdamping vereist.
Centrifugeren kan alleen als het mengsel heterogeen is. Vaak is het een gemakkelijke en snellere methode dan filtreren. De deeltjes met de grootste massa, dus de vaste stof, slaat neer op de bodem van de centrifugebuis onder invloed van de middelpuntvliedende kracht.
Je past deze methode bijvoorbeeld toe als je een suspensie hebt: een troebel mengsel van (s) + (l) dat met een filter niet gescheiden wordt. (s) kan in dit geval bijvoorbeeld opgebouwd zijn uit zeer kleine kristalletjes of ook uit macromolekulen.
Er zijn wel methoden voor centrifugeren van (g) + (g). Gascentrifuges worden wel toegepast om bijv. zwaar waterstof te scheiden van gewoon waterstof (verrijking).