H13.3 les 6 + 7 Massaspectrometrie_25

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.3 Massaspectrometrie - les 6

Een gaschromatograaf (GC) wordt vaak gecombineerd met een massaspectrometer (MS). De GC scheidt het mengsel en de stoffen worden één-voor-één geanalyseerd door de MS.

In de MS worden atoombindingen in de moleculen van de onderzochte stoffen  door een elektronenbombardement kapot gemaakt. Er ontstaan positief geladen fragmentionen.

Leerdoelen:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen
  
• Je kunt de hoeveelheid van een stof in een mengsel berekenen en/of toelichten aan de hand van de piekhoogte in het massaspectrum 

Werking van de massaspectrometer:

stap 1

wat gebeurt er na dit bombardement met elektronen?

hoe scheid je al deze fragmenten?

stap 2

Hoe meet je welke fragmenten aanwezig zijn?

stap 3

13.4 massaspectrometrie

1. elektronenkanon geeft + lading 

2. Magneet buigt kleine, geladen deeltjes het sterkst af

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

massaspectrum

• Langs de horizontale as staat de m/z waarde; m/z-waarde = massa in u (bij z = +1)
• De piek bij de hoogste m/z waarde hoort bij het molecuulion. 

(Dit is eigenlijk het complete molecuul waarin alle atoombindingen nog intact zijn, maar waar slechts één elektron is weggeschoten. De piek bij m/z = 72 komt dus van het ion C5H12+.)

noteer & leer

massaspectrum

• Langs de horizontale as staat de m/z waarde; m/z-waarde = massa in u (bij z = +1)
• De piek bij de hoogste m/z waarde hoort bij het molecuulion. 

(Dit is eigenlijk het complete molecuul waarin alle atoombindingen nog intact zijn, maar waar slechts één elektron is weggeschoten. De piek bij m/z = 72 komt dus van het ion C5H12+.)

noteer & leer

massaspectrum

• op de verticale as staat de relatieve intensiteit: de hoogste piek wordt altijd op 100 gezet
• de massa van de pieken zegt iets over de positieve fragmentionen die zijn ontstaan. 
• de afstand tussen de pieken zegt iets over de neutrale fragmenten die zijn afgesplitst. Het verschil tussen m/z = 72 en m/z = 57 is 15 u. Dit komt overeen met het fragment - CH3

noteer & leer

Het molecuul-ion ontstaat na...

1. beschieting met elektronen.
2. beschieting met protonen.
3. door het elektrische veld.
4. door het magnetische veld.

Het molecuul-ion is:

1. Negatief geladen
2. Positief geladen
3. Neutraal geladen
4. Kan zowel positief als negatief geladen zijn.

Het molecuul-ion valt in
fragmenten uiteen omdat...

1. het in een elektrische veld komt.
2. het in een magnetische veld komt.
3. het instabiel is geworden.
4. doordat het in de gasfase zit.

Het elektrisch veld...

1. zorgt ervoor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

Het magnetisch veld...

1. zorgt ervoor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

De detector registreert...

1. de massa van de brokstukken.
2. hoe vaak een bepaald brokstuk voorkomt.
3. hoe snel een brokstuk gaat.
4. de massa en hoe vaak een brokstuk voorkomt.

Massaspectrometrie
gebruiken we om...

1. te bepalen hoe zwaar een stof is.
2. te meten uit hoeveel fragmenten een stof bestaat.
3. de structuur van een stof te bepalen.
4. de molecuulformule van een stof te bepalen.

De hoogste piek in
een massaspectrum...

1. is van het fragment dat het meest voorkomt.
2. is van het fragment dat het zwaarst is.
3. is van het molecuul-ion.
4. is alle drie voorgaande antwoorden.

Analyseren van een massaspectrum

Teken de structuurformules van propaan-1-ol en propaan-2-ol.

Verklaar de piek m/z = 31 bij propaan-1-ol

Verklaar de piek m/z = 45 bij propaan -2- ol

Analyseren van een massaspectrum

denkoefening:

• welke pieken verwacht je in het massaspectrum                      van broommethaan?

• je vindt wel pieken bij 79 u en 81 u, maar geen pieken bij 80u. Kun je dat verklaren?

Isotopen

De daadwerkelijke massa wordt gemeten

Daardoor zijn ook afzonderlijke 

isotopen zichtbaar

Je kan de verhouding van de

isotopen aflezen in het 

spectrum en vergelijken met 

BinasTabel25.

Vooral met halogenen gaat dat

mooi. 

voorbeeld

chloorethaan (C2H5Cl)

35

37

chloor-isotopen:

75% heeft massa 35

25% heeft massa 37

75%                          25%

voorbeeld

chloorethaan (C2H5Cl)

35

37

Dus bij 100 moleculen chloorethaan:

75 x massa 64 u

25 x massa 66 u

Dit zie je terug in de verhouding van de piekhoogten

In het massaspectrum van pentaan, C5H12, komt ook een piek voor bij een m/z waarde van 29. Door welk fragmention kan deze piek veroorzaakt zijn? Ga uit van een lading van fragmentionen van z = 1+.

1. CH3+
2. C2H5+
3. C4H9+
4. COH+

Broomatomen komen in de natuur voor als verschillende isotopen (zie Binas 25A). Wanneer we enkele microliters van de stof broom in een massaspectrometer onderzoeken, kunnen we in het resulterende spectrum pieken verwachten bij m/z waarden van...(uitgaande van z = 1+)

1. alleen bij 79 en 81
2. bij 79, 81, 158 en 162
3. bij 79, 81, 158, 160, 162
4. ik heb geen idee

eigen werk:

Maak opgaven en kijk na:

opgave 22 + 23

totdat je de volgende leerdoelen beheerst:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.3 Massaspectrometrie - les 7

Deze les

• herhalen techniek massa spectrometrie
• analyseren van massaspectra
• opgaven oefenen / vragen stellen over het huiswerk 

M+1 pieken

De piek van het molecuulion is nu niet de piek bij de hoogste m/z waarde, want deze piek (bij m/z = 47) is maar héél klein. 

Dat komt omdat het molecuul hier een C-13 isotoop bevat. 

M+1 pieken

Slechts 1% van de koolstofatomen is een C-13 isotoop (zie Binas 25A), vandaar de kleine piek bij m/z = 47. De molecuulmassa is hier 46 u.

. 

M+1 piek

De hoogte van de M+1 piek ten opzichte van de M-piek is een indicatie voor het aantal C-atomen in het molecuul: 

hoe meer C-atomen in de keten, hoe meer C-13 voorkomt, hoe hoger de piek M+1

<< noteer en leer

M+1 piek

Voorbeeld

99% 12C                                                98% 12C                                                     97% 12C

   1% 13C                                                  2%  13C                                                       3%  13C

M : M+1 = 99: 1                                 M : M+1 = 98: 2                                          M : M+1 = 97: 3

13

13

13

13

13

13

of

of

of

Met elke extra C in de keten wordt de kans 1% groter dat er een 13C atoom in de keten zit, dus wordt de M+1 piek 1% hoger

Massaspectra analyseren

• Kijk of je het molecuulion kunt vinden
  
• Bekijk de meest intense pieken
• Bekijk of je de piek kunt koppelen aan een positief geladen fragmention
• Bekijk of je de verschillen in M/Z kunt koppelen aan een neutraal fragment 
• Houd rekening met isotopen en een M+1 piek

BINAS 39D - onderste tabel

BINAS 39D - bovenste tabel

Is dit massaspectrum van heptanal, pentaan-1-ol of butaanzuur? (opgave 28e)

73

60

41

45

55

27

Als hulp bij het aflezen zijn de m/z waarden van enkele pieken gegeven. Het kan nodig zijn om ook andere pieken in je uitleg te betrekken

uitwerking

M-piek: ongeveer 88 u

heptanal, C7H14O, massa 114 u

pentaan-1-ol, C5H12O, massa 88 u

butaanzuur, C4H8O2, massa 88 u

dus: heptanal valt af

uitwerking

     pentaan-1-ol        of     butaanzuur  ?

welke neutrale fragmenten zouden kunnen afsplitsen? klopt dit met afstand tot andere pieken in het spectrum?

• pentaan-1-ol > 18 u > piek bij 88-18 = 70 u? nee 
• butaanzuur > 45 u > piek bij 88-45 = 43 u? ja

uitwerking

     pentaan-1-ol        of     butaanzuur  ?

het zou dus butaanzuur kunnen zijn. 

Kun je dat bevestigen met m/z-pieken van positief geladen fragmenten? Gebruik Binas 39D:

• butaanzuur > fragmentpiek bij m/z =60 ? JA

conclusie: 

het massaspectrum is van butaanzuur

Eigen werk:

Maak opgave 24 + 25 + 27 van H13.3

Kijk de opgaven na

Je kunt nu massa spectra analyseren en hier conclusies uit trekken