analytische scheikunde


 
Analytische chemie –
1. moleculen
INLEIDING 
 
Ik denk dat we eerst maar eens de moleculen moeten introduceren.
Een scheikundige leert daartoe atoom-modellen, met nucleus en electronenwolken. Maar ik denk dat we het dan veel te moeilijk maken.
 
Molecuul  (<)
 
Moleculen zijn opgebouwd uit atomen.
Er bestaan op aarde iets meer dan honderd soorten atomen. (1)
 
 
 
Van al die atomen ga ik er maar een paar gebruiken.
Ons onderzoek betrekt zich op bio-moleculen, en dat zijn in feite organisch-chemische verbindingen. Die bevatten waterstof (symbool : H), zuurstof (symbool : O), koolstof (symbool : C), stikstof (symbool : N), en zwavel (symbool : S). (2)
 
 
Er zijn ook nog andere atomen die voor kunnen komen, maar dat zou de boel weer veel te ingewikkeld maken.

Van deze atomen (of eigenlijk van alle atomen) is   Waterstof  de simpelste.
Alle atomen bestaan uit een kern, met daarin positief geladen deeltjes en neutrale deeltjes.
Om die kern heen bevindt zich een ‘wolk’ aan elektronen, met een negatieve lading. Het aantal elektronen is gelijk aan het aantal protonen in de kern, om de balans te houden. 
 
Waterstof  heeft maar één proton en dus ook maar één elektron.
Koolstof  heeft 6 protonen,    Koolstofgroep | Verbinding van koolstof
Stikstof |7                          ,   Stikstofgroep | Verbinding van stikstof
Zuurstof   8, en                      Zuurstofgroep | Verbinding van zuurstof
Zwavel   16.                          Verbinding van zwavel | Mineraal en sporenelement
 
Voor de balans hebben die atomen dus allemaal net zoveel elektronen als protonen. Voor het maken van moleculen uit die atomen zijn de elektronen van belang. Om een binding (3)te maken tussen twee atomen heb je een elektron nodig.

Voor de binding moet ieder atoom 챕챕n elektron delen.
Een chemische binding wordt dus gevormd door twee elektronen, die gekoppeld worden.
Een elektron van het ene atoom, en eentje van het andere.
Waterstofgas bestaat bijvoorbeeld niet uit losse waterstof-atomen, maar uit H2-moleculen.
Zoals je kan raden bestaan deze moleculen uit twee waterstofatomen.
Ieder waterstof deelt zijn 챕ne elektron met de ander en zijn zo aan elkaar gebonden.Koolstof heeft 6 elektronen, daardoor zou je kunnen denken dat koolstof 6 bindingen kan maken.
Maar dat klopt niet.
De twee eerste elektronen koppelen met elkaar en hebben helemaal geen zin in gedeeld te worden.
Koolstof heeft 4 enkele elektronen die beschikbaar zijn om te delen.
Koolstof kan dus 4 bindingen aangaan.
 
Bij stikstof, met 7 elektronen is een van die 4 uit koolstof gelukkig door een koppeling met het zevende elektron. Dat maakt dat er nog maar 3 eenlingen beschikbaar zijn om te delen met andere atomen.
 
Bij zuurstof is er n처g een elektron toegevoegd, waarmee er dus maar 2 eenlingen zijn. Zwavel heeft heel veel elektronen, maar de meesten daarvan zitten in koppeltjes.
 
Net als zuurstof heeft zwavel maar twee “singles” die graag een partner uit een ander atoom hebben.Dus samenvattend kan waterstof 챕챕n binding hebben,
zuurstof en zwavel 2,
stikstof 3
en koolstof 4.
Daarmee kan je dus moleculen bouwen.
 
Het is een soort K’nex, waar verschillende blokjes bestaan met 1, 2, 3, of 4 koppelplaatsen die je met staafjes aan elkaar kan maken.
 
Alleen in deze moleculen zullen al die koppelplaatsen altijd bezet zijn, waar je in K’nex bouwsels gewoon koppelplaatsen leeg kan laten.
 

(v.l.n.r.) methanol (1), een primair (2), een secundair (3) en een tertiair alkanol (4).

Als voorbeeld in de analytische technieken wil ik een erg populair molecuul als voorbeeld gebruiken. Alcohol (scheikunde)   (4)

 
Alcohol bevat 2 koolstof-atomen, 1 zuurstof en 6 waterstof-atomen.
In het plaatje zie je een schematische tekening van hoe deze atomen aan elkaar zitten.
Je ziet dat beide koolstof-atomen 4 streepjes (bindingen) hebben.
De twee koolstoffen zitten aan elkaar vast.
Het ene koolstof-atoom heeft drie H-atomen, het andere 2 H-atomen en één zuurstof (O).
De zuurstof heeft 2 bindingen nodig en die zie je ook, naast de koppeling aan het C-atoom is er nog eentje met een H-atoom.
 
 
 
 
(1)
 
 
(2)CHNOPS
 
( in het stukje is niet vermeld) P= Fosfor
 
(3) zie het begrip   
en
 
(4)
 
 
 
 
2. SpectroscopieQABOUTERhttp://www.volkskrantblog.nl/bericht/167548

 
Moleculen kan je niet zien, zelfs niet met een microscoop. Als je toch wil weten hoe een onbekend molecuul eruit ziet, zul je trucjes moeten toepassen.
De meest belangrijke trucjes die bedacht zijn vallen onder de noemer Spectroscopie
 
 In de spectroscopie draait het om interactie tussen straling en materie. Straling is er in verschillende vormen, maar de meest gebruikte is toch licht.

De interactie tussen dat licht en materie zorgt dat het licht wat je in het sample stuurt niet hetzelfde is als wat eruit komt.
 
Een simpel voorbeeld is een glas thee en een glas water.
Als je de twee glazen naast elkaar op tafel zet, zie je een duidelijk verschil.
Het licht dat aan de achterkant van het glas de vloeistof in straalt is hetzelfde, het hele brede spectrum aan golflengtes.
In het water wordt amper licht geabsorbeerd, het meeste komt gewoon door en een klein deel reflecteert terug.
Je ziet dus wat een heldere, kleurloze vloeistof wordt genoemd. De thee neemt een aantal golflengtes op, waardoor de vloeistof nog wel helder is, maar niet meer kleurloos.
Afhankelijk van het soort thee is het geel, groenig, rood, of bruin.
De moleculen in die verschillende theesoorten zijn dus anders van samenstelling.
Het zijn de moleculen die uit het theezakje in het water zijn opgenomen die zorgen voor de kleur van de thee.Naast absorbtie heb je ook reflectie. Sommige stoffen reflecteren, zoals een spiegen, bepaalde kleuren licht.
Een goede spiegel reflecteert alles.
Maar de meeste materialen doen dit niet.
Kijk naar de blaadjes aan een boom in de lente. Mooi groen. Dat groen is de kleur licht die door de blaadjes wordt gereflecteerd. De overige kleuren licht worden weer geabsorbeerd en in de blaadjes gebruikt als energiebron.
Een zwarte broek neemt vrijwel alle kleuren licht op. Daarom is een zwart pak in de zon altijd zo heet, terwijl een wit pak dat probleem veel minder heeft.Golven
 
Licht bestaat uit   Fotonen
Wat fotonen precies zijn is men nog niet helemaal uit.
Maar ze worden meestal beschreven als “golven met een deeltjeskarakter“. Dat is lekker vaag, maar dat komt omdat nog niet zeker is of een foton nou een massa heeft (en dus een deeltje is zoals een electron, maar dan nog minder zwaar) of dat het nu puur een energiepakketje is wat zich als een golf voortbeweegt. Maar die golf is belangrijk. Niet alle fotonen bewegen met dezelfde golfbeweging. Bij golfbewegingen kan je het beste denken aan een touw dat aan een haak in de muur vast zit. Als je het andere eind vasthoudt en een slinger geeft onstaat er een lus die zich langs het touw naar het vaste punt beweegt; een golf dus. Als je langzaam naar boven en beneden zwaait krijg je brede golven. Ga je snel op en neer zijn de golven korter.Dus een lage frequentie zijn lange golven, een hoge frequentie zijn korte golven. Fotonen bewegen ook golvend door de ruimte, en kunnen lange of korte golven hebben. Lange golven maken met het touw kost minder energie dan korte golfjes maken. Dus de golf die je maakt bevat een bepaalde energie. Met licht is dit niet anders. Een lichtbron die alleen maar lang-golvend licht maakt heeft daarvoor minder energie nodig dan een lichtbron die kort-golvend licht maakt. Daarnaast bestaat er een wet van behoud van energie. De energie gestoken in het maken van het licht gaat niet verloren. Dus de energie gebruikt voor het maken van de golvende fotonen zit verpakt in die fotonen. De hoeveelheid energie die een foton meedraagt wordt bepaald door de golflengte.Wat ook wordt bepaald door de golflengte is de kleur van het licht. Het zichtbare deel van het “electromagnetisch spectrum” (zoals de fotonen genoemd worden) ligt tussen 400 nm golflengte (paars, hoge energie) en 700 nm (Rood, lagere energie). Nou heb je ook nog radio-golven (1 m-1km golflengte), Infrarood, ook wel warmtestralen (1mm-1cm golflengte), Ultraviolet (100-300 nm), r철ntgen straling met (1-100 nm golflengtes), en radioactieve straling (0,01 nm-1 nm).

Licht-overgangen

Zoals beschreven bevat licht een bepaalde energie, afhankelijk van de golflengte.

 
Nu hebben we het in les 1 over moleculen gehad.
Moleculen met verschillende atomen en bindingen.
En daarin hebben we het ook over    Elektronen  gehad.
Nu hebben electronen een bepaald energie-niveau.
Normaal gesproken zitten ze in het laagste energie-niveau, dat is het voordeligste. Maar er zijn ook hogere energieniveaus.
En als nu het verschil tussen het lage energieniveau en een van de hogere niveaus precies even groot is als een bepaalde kleur licht die op het electron valt, dan kan zo’n foton met een electron botsen en wordt de energie uit het foton opgenomen in het electron.
Dat electron gebruikt de energie om naar het hogere niveau te gaan.Nu kan dat electron twee dingen doen. Het kan terugvallen naar het oude energieniveau, in 챕챕n keer, en daarbij weer hetzelfde foton uitstralen. Namelijk met dezelfde energie en dus dezelfde golflengte. Er zijn ook sommige stoffen, fluorescente stoffen, die doen soms wat anders. Dan gaat het electron door het opnemen van bijvoorbeeld ultraviolet licht van 240 nm twee niveaus omhoog in energie. Maar in plaats van direct terug te vallen, gaat het elektron via een tussenstapje. Dat tussenstapje is een kleiner verschil in energie en dus komt er een hogere golflengte licht uit. Het licht wat uit het molecuul komt is dus anders dan het licht wat erin gestraald is. Zo werkt bijvoorbeeld ook een TL-buis.In een TL buis wordt straling gemaakt die niet zichtbaar is, maar hoge energie heeft. Deze straling wordt door een poeder op het glas van de buis opgenomen in de electronen. Die electronen vallen dan via een tussenstapje terug naar het oude niveau en geven dan toevallig licht af in het zichtbare spectrum.

Spectroscopie
Moleculen kunnen dus licht omvormen. Door deze omvormingen te bestuderen kunnen verschillende soorten apparaten bedacht worden waarbij je een bepaalde golflengte aan straling je moleculen instuurt, waarbij je observeert wat er met die straling gebeurt. Doordat we tegenwoordig veel weten over die interacties kunnen we met de verschillende licht-omvormingen die we kunnen bestuderen heel veel ontdekken over structuren van moleculen.(2)
 
 
 
(1)
 
(2)zie ook = 
 
 
3. Infrarood spectroscopie

28-11-2007  qabouter

Deze keer gaat het over een vorm van spectroscopie. 

We  hebben hierboven  al in algemene termen over spectroscopie gesproken.
Het draait allemaal om interactie tussen “electromagnetische straling” (doorgaans licht) en materie.
 Die interactie is natuurlijk alleen interessant als er iets mee verandert dat meetbaar is.Bij Infrarood spectroscopie gaat het zoals ook om overgangen van electronen, die door licht-energie worden aangeslagen.
In dit geval gaat het om elektronen die betrokken zijn bij een chemische binding tussen twee atomen.
Nu wordt IR-spectroscopie ook wel vibratiespectroscopie genoemd.
 
Moleculaire vibratie In het model zoals gepresenteerd in les 1 lijken moleculen starre netwerken van atomen te zijn.

Dat is absoluut niet waar.
De atomen binnen een molecuul zijn continu in beweging.
Je kan dit vergelijken met allemaal balletjes met verschillende massa die met springveren aan elkaar vast zitten. Dat wiebelt en wobbelt alle kanten op. Alleen zijn er grenzen aan dat wiebelen. De twee atomen die een binding hebben met elkaar ondervinden aantrekkingskracht tot elkaar.
Dus als ze verder van elkaar weg zijn, is dat tegen die aantrekkingskracht in, en dat kost energie. Een algemene regel in de chemie en fysica is dat elk systeem (dus ook een molecuul) neigt naar een zo laag mogelijk energieniveau.
Komen de bolletjes te dicht bij elkaar komen ze in elkaars “persoonlijke ruimte” en moet je die invloeds-sferen in elkaar drukken. Dat kost ook energie en is dus begrenst. Ergens in het midden is het optimum, maar er is wel bewegingsruimte.
Dus trillen twee atomen in de ruimte die gegeven is.Er zijn verschillende soorten vibraties mogelijk.
Je kan over de lengte van de binging vibreren, zoals hierboven genoemd, waarbij de binding langer of korter wordt.
 
Dat zijn rek vibraties (stretch in engels). Maar bindingen tussen atomen hebben ook een hoek, in water heb je een O die twee H-atomen bindt.
Deze twee bindingen maken een hoek met elkaar van ongeveer 120 graden.
Maar in de praktijk kan deze hoek ook variëren.
 
Er is dus een buig-vibratie (bend in het engels) die zorgt dat de hoek die verschillende bindingen op hetzelfde atoom met elkaar maken variëert.
 
Zie ook het onderstaande plaatje voor een wat overdreven presentatie van de buig-vibratie
 

De verschillende trillingen van water. Links de strektrilling, waarbij het molecuul zich uitrekt en weer samentrekt, rechts de buigtrilling.
bron: Stichting FOM.

http://www.kennislink.nl/publicaties/molecuulconcert-op-het-water
.

Met welke frequentie twee atomen trillen is geheel afhankelijk van de twee atomen, en welke binding ze maken.

Een O vast aan een H trilt met een andere frequentie dan een O vast aan een C. Laten we voor het gemak eerst eens kijken naar ethanol, ofwel alcohol zoals we dat in een glas wijn aantreffen. Je hebt een C-O binding, die vibreert met een bepaalde frequentie, en de O-H eveneens. Je hebt C-H vibraties, strek en buig.
 
Zie onderstaand een IR-spectrum.
 
spectrum ir

IR Spectrum
Because the IR spectrum of each molecule is unique, it can serve as a signature . do we know what vibration each absorption band in the IR spectrum corresponds to? .

Je ziet vooral sterke signalen voor de C-O rek vibratie, de O-H rek vibratie en de C-H rek vibratie. Die komen veel voor. De O-H vibratie is erg breed, dat komt doordat de H op een O erg losjes zit. De O trekt namelijk enorm aan het enkele gedeelde electron, waardoor die H niet zo heel vast zit. Dan kan een O-atoom van een naburig ethanol vanaf een afstandje ook aan dit H-atoom trekken en het (deels) overnemen. Dit heet dan een waterstof(H)-brug. Dit kan op verschillende afstanden en maakt de energie-mogelijkheden van de vibraties nogal breed. Daardoor kan de vibratie van de O-H binding een breed spectrum aan golflengtes absorberen. We zien dat de C-O vibratie een scherpe absorbtie piek geeft. Dan zijn er nog 2 typen buig-vibraties, die eigenlijk niet heel duidelijk zijn voor ehtanol.Kijken we naar hexaan, een ander organisch molecuul zien we een heel ander plaatje.

Koolstofketens worden voorgesteld door middel van structuurformules. De waterstofatomen worden hierbij niet getekend en meestal worden de koolstofatomen genummerd. Hieronder staat een eenvoudig voorbeeld van hexaan (C6H14):

Structuurformule van hexaan met nummering van de koolstofatomen.

Het molecuulmodel ziet er als volgt uit (hierbij worden de waterstofatomen wel zichtbaar gemaakt):

Molecuulmodel van hexaan.

Een derde mogelijke voorstelling is de platte structuurformule, waarbij geen rekening wordt gehouden met de bindingshoek. Hierbij worden alle atomen als het ware in een rooster getekend:

Platte structuurformule van hexaan.

Hier zien we dus wel sterke CH2 en CH3-buig vibraties terug. Er is uiteraard geen CO of OH vibratie aanwezig, want zoals in de structuur te zien is er geen O-atoom aanwezig.

Zo zie je dus dat je bepaalde informatie over een verbinding kan verzamelen door te kijken naar het patroon aan IR-golflengtes die er worden geabsorbeerd door een molecuul. Het vertelt je iets over het soort bindingen dat er aanwezig is. Als we naar een langere keten dan hexaan zouden kijken, verschilt het geheel niet zo heel veel, het verschil zit hem vooral in de intensiteit van absorbtie veroorzaakt door CH2 ten opzichte van CH3-buig vibraties. Bij complexere verbindingen wordt het nog chaotischer en is de puzzle een stuk ingewikkelder.

Deze kennis uit IR-spectroscopie wordt tegenwoordig nog altijd gebruikt. Bijvoorbeeld door voedsel- en warenautoriteiten die producten controleren op samenstelling.
Of douane die bepaalde verbindingen wil kunnen aantonen in geval van smokkel.
 
In de wetenschap is IR-spectroscopie een beetje uit de gratie, door een aantal moderne technieken die ik later zal bespreken.
 
De moderne technieken zijn in staat veel meer specifieke informatie over moleculen te geven dan IR-spectroscopie kan.
 
Maar IR-spectroscopie bestond al heel lang, terwijl de moderne technieken pas in de jaren 70 en 80 echt hun opmars maakten.
 
 
Advertenties

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

One Response to analytische scheikunde

  1. Pingback: fundamentele natuurconstanten en moleculaire materie « Tsjok's blog

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers liken dit: