Analyse gaschromatografie en massaspectrometrie

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Chromatografie en massaspectrometrie

Bij absorptie wordt lege ruimte binnen een stof opgevuld met een andere stof. Zichtbaar voor het oog. Bijvoorbeeld: een tissue die vocht opneemt.

Bij adsorptie hecht een stof zich op moleculair niveau aan een andere stof. Niet zichtbaar voor het oog. Voorbeelden:

• het kleine zakje silicagel dat vocht opneemt binnen de verpakking van allerlei goederen.
  
• een Norit-pilletje (actieve kool) dat de verontreinigingen in het lichaam adsorbeert.
  
• In geval van licht

Gaschromatografie

Bij opgaven over gaschromatografie is je basiskennis over intermoleculaire interacties heel belangrijk.
Wat is geen intermoleculaire interactie?

1. vanderwaalsbinding
2. waterstofbrug
3. Atoombinding

apolair of polair?

Een binding is polair als het verschil in electronegativiteit groter is dan 0,4 (en kleiner dan 1,7). 

Een molecuul is polair als er een of meerdere polaire bindingen zijn en deze niet elkaar opheffen. 

Polair molecuul

Apolair molecuul

Waterstof

Methaan

Methanol

Waterstofchloride

Koolstofdioxide

Water

Voorkennis: Waterstofbruggen

• Een waterstofbrug is simpelweg een sterke dipool-dipool binding.
  
• Gebeurt bij de meest elekronegatieve atomen en waterstof, oftewel bij hele polaire bindingen!
• Gebeurt tussen H en O of N

Dipool-dipool binding

Waterstofbruggen

Alleen vanderwaalskrachten

Water

Methaan

Ammoniak

Benzeen

waterstofchloride

Kwalitatief vs Kwantitatief

• We kunnen twee dingen uitvinden met gaschromatografie!
  
• Een kwalitatief resultaat dat laat zien welke stof aanwezig is.
  
• Een kwantitatief resultaat dat aanduidt hoeveel van een bepaalde stof aanwezig is

De retentietijd is de tijd...

1. die het draaggas er over doet om van de injector bij de detector te komen
2. die de stationaire fase er over doet om van de injector bij de detector te komen
3. die de moleculen van stof X in het monster er over doen om van de injector bij de detector te komen
4. die verstrijkt van het begin tot het eind van een kwalitatieve analyse middels gaschromatografie

wanneer je gaschromatografie als kwantitatieve analysemethode toepast, gebruik je in het chromatogram....

1. piekhoogte
2. piekoppervlak
3. breedte van de pieken
4. retentietijd van de pieken

Piekoppervlak

• hoe meer moleculen de detector passeren, hoe groter het oppervlak onder de piek
• het piekoppervlak is dus een maat voor de hoeveelheid stof
  
• de verhouding tussen de piekoppervlaktes geeft aan in welke molverhouding stoffen aanwezig zijn in een mengsel
  

Molverhouding

• piekoppervlaktes worden berekend door de computer, bijvoorbeeld:
  stof A = 3,54
  stof B = 14,27
• de molverhouding van
   stof A : stof B
   = 3,54 : 14,27 = 1 : 4,03
  

opp = 3,54

opp = 14,27

Massaspectrometrie

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 

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.

13.4 massaspectrometrie

1. elektronenkanon geeft + lading 

2. Magneet buigt kleine, geladen deeltjes af

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

Massaspectrum

massaspectrum

• Langs de horizontale as staat de m/z waarde; uitgaande van een ionlading z = 1+ komt dit overeen met de molecuulmassa in u. 
• De piek bij de hoogste m/z waarde hoort bij het moleculair ion. 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+.

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 fragmentionen die zijn ontstaan. De piek bij m/z = 43 is van het ion C3H7+.
• de afstand tussen de pieken zegt iets over de fragmenten die zijn afgesplitst. Het verschil tussen m/z = 72 en m/z = 57 is 15 u. Dit komt overeen met het fragment - CH3

Het molecuul-ion is:

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

Het magnetisch veld...

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

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

1. het in een elektrisch veld komt.
2. het in een magnetisch veld komt.
3. het instabiel is.
4. het in de gasfase zit.

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.

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.

Analyseren van een massaspectrum

propaan-1-ol en propaan-2-ol hebben dezelfde molecuulformule en molecuulmassa (molecuulion m/z = 60), maar een heel verschillend massaspectrum: doordat de structuur anders is, zullen atoombindingen op andere plekken breken

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 

Binas Tabel 25.

Zie voorbeeld broom en jood.

bijvoorbeeld: chloorethaan

Verhouding van de pieken bij
M= 64 en M=66
gelijk is aan 3 : 1

Isotopen

2 voorbeelden met isotopen

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

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. 

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.

Van welke koolstofverbinding is dit massaspectrum? 

• molecuulion: m/z = 46 u
• hoeveel C-atomen kunnen er dus maximaal aanwezig zijn? 
• wat zou het kunnen zijn? 

Massaspectra analyseren

• Kijk of je het molecuulion kunt vinden
  
• Bekijk de pieken met de grootste intensiteit
• Bekijk of je de piek kunt koppelen aan een fragmention
• Bekijk of je de verschillen in M/Z kunt koppelen aan een neutraal fragment 
• Puzzel je suf!

BINAS tabel 39D:
--> tabel met neutrale fragmenten  
--> tabel met fragmentionen 

Van welke koolstofverbinding is dit massaspectrum? 

• molecuulion: m/z = 46 u
• hoeveel C-atomen kunnen er dus maximaal aanwezig zijn? (C = 12 u)
• Het zou methaanzuur (HCOOH) kunnen zijn. Maar ethanol (C2H5OH) is ook 46 u. Dus van welke stof is dit spectrum nu? De andere (grote) pieken helpen je bij het ophelderen van de structuur van het molecuul.
  

Van welke koolstofverbinding is dit massaspectrum? 

• molecuulion: m/z = 46 u
• hoeveel C-atomen kunnen er dus maximaal aanwezig zijn? (C = 12 u)
• Het zou methaanzuur (HCOOH) kunnen zijn. Maar ethanol (C2H5OH) is ook 46 u. Dus van welke stof is dit spectrum nu? De andere (grote) pieken helpen je bij het ophelderen van de structuur van het molecuul.
  

propaan of methaanzuur? Hoe pak je dit aan?

•  Stap 1: teken de structuurformules van de mogelijke stoffen.
  
• Stap 2: verbreek denkbeeldig (steeds meer) atoombindingen in de mogelijke stoffen en teken de structuurformules van de mogelijke fragmentionen die kunnen ontstaan. 
• Stap 3: bereken de massa's (in u) van alle mogelijke fragmentionen. 
• Stap 4: vergelijk je resultaten met de pieken in het massaspectrum.

Leg uit of dit massaspectrum van propaan of van methaanzuur is.

Dit is het massaspectrum van ..., omdat ....

1. methaanzuur, omdat een piek bij m/z = 29 duidt op een fragmention van methaanzuur
2. ethanol, omdat een piek bij m/z = 29 duidt op een fragmention van ethanol
3. methaanzuur, omdat een piek bij m/z = 31 duidt op een fragmention van methaanzuur
4. ethanol, omdat een piek bij m/z = 31 duidt op een fragmention van ethanol