Lesmodule chemische analyse

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Lesmodule chemische analyse

Bij deze lesmodule staat de volgende vraag centraal:

"Hoe kom je in de scheikunde tot nieuwe kennis? "

Hoe kom je in de scheikunde tot nieuwe kennis? 

Dit gaan we aan de hand van twee manieren benaderen namelijk: 

• Wat is de rol van chemische analyse en welke plek heeft dit in de maatschappij?
• Wat maakt nieuwe kennis in de scheikunde betrouwbaar? 

Chemische analyse kom je tegen in:

Levensmiddelen analyse

Medicijnenontwikkeling en productie

Sport 

Festivals

Milieuvervuiling

De lesmodule ziet er als volgt uit:

Les 1, 2 en 3 chemische analysemethoden: 

gaschromatografie, massaspectrometrie, fotospectrometrie

Les 4 koppeling tussen chemische analyse en de samenleving

Les 5 excursie naar het durgskompas 

les 6 wat zijn de kaders en grenzen van wetenschappelijk onderzoek, en hoe kijk jij daar naar?

les 7 afsluiting van de module

GC-MS

Leerdoelen GC:

• je kunt de scheidingsprincipes van chromatografie uitleggen.

• je kunt verklaren waarom en hoe verschillende stoffen gescheiden worden op basis van kookpunt en/of interactie met de stationaire fase.

• je kunt de verschillende onderdelen benoemen van een gaschromatograaf (injectiepoort, kolom, dragersgas en detector).

• je kunt aan de hand van een gaschromatogram onderscheid maken tussen verschillen de stoffen aan de hand van de retentietijd.

• je kunt aan de hand van de piekoppervlakte en de interne standaard de concentratie van een stof berekenen.

Leerdoelen MS:

• 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.

GasChromatografie en MassaSpectrometrie

• Kwalitatieve analysemethode
• Geschikt voor vloeibare en vaste stof mengsels.
• Scheiding van mengsels op basis van oplosbaarheid  en aanhechtingsvermogen

• Eerst chromatografie daarna massaspectrometrie

bij gaschromatografie wordt een stof/mengsel in de gasfase gebracht en daarna op de kolom gescheiden

Gaschromatografie

Retentietijd A = tra - t0

gaschromatografie (apolaire kolom)

Gaschromatografie als kwalitatieve bepaling:

Om stoffen te identificeren kijk je naar de retentietijd (tR)

piekoppervlak

Hoe meer moleculen de detector passeren, hoe groter het oppervlak onder de piek.

Het piekoppervlak is een maat voor de hoeveelheid stof.

De verhouding tussen de piekoppervlaktes geeft aan in welke molverhouding de stoffen aanwezig zijn in het mengsel.

interne standaard

Bij elke meting (dus bij de referentiestof en bij het monster) wordt dezelfde hulpstof toegevoegd met dezelfde concentratie. Deze hulpstof zou in beide bepalingen dus dezelfde piekhoogte moeten geven. Zo kun je corrigeren voor een verschil in geïnjecteerd volume. Deze hulp-stof noem je de interne standaard

concentratie vitamine E in het monster berekenen

• De interne standaard heeft dezelfde concentratie in beide monsters en zou dus bij gelijk geïnjecteerd volume hetzelfde signaal moeten geven. 
• In diagram a geldt: 1,0 mM= 12,717
• In diagram b geldt: 1,0 mM=12,600

concentratie vitamine E in het monster berekenen

• De interne standaard heeft dezelfde concentratie in beide monsters en zou dus bij gelijk geïnjecteerd volume hetzelfde signaal moeten geven. 
• In diagram a geldt: 1,0 mM = 12,717
• In diagram b geldt: 1,0 mM = 12,600
• Het oppervlak van de pieken in diagram b moet dus 12,717 / 12,600 = 1,0093 x zo groot gemaakt worden, om ze eerlijk te kunnen vergelijken met de piekoppervlakken van diagram a.

Heb je het gevoel dat je leerdoelen van gaschromatografie hebt behaald?

1. Ja, ik heb deze doelen behaald.
2. Nee, nog niet helemaal
3. Ik weet nog niks van gaschromatografie?

Heb je de leerdoelen behaald?

A. Ja, wat fijn dat het duidelijk is.

B. Bekijk even de kenniskaart over GC-MS op de classroom.

C. Bekijk het filmpje over gaschromatografie uit de leerlingmodule en lees de GC-MS kenniskaart op de classroom goed door. 

 Massaspectrometrie

Een "black box" er gaat een monster in en er komen resultaten uit. 

Pas op! sterk magnetisch veld dus er mogen geen magnetische objecten in de buurt komen.

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 het sterkst af

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

massaspectrum

• Horizontale as: de m/z waarde; uitgaande van een ionlading z = 1+ komt dit overeen met de molecuulmassa in u. 
• De laatste m/z piek (hoogste 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 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 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.

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

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

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+

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 

BinasTabel 25.

Vooral met broom en chloor
gaat dat goed.

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.

hoe meer C-atomen in de keten, hoe meer C-13 voorkomt, hoe hoger de piek M+1. De hoogte van de M+1 piek ten opzichte van de M-piek is een indicatie voor het aantal C-atomen in het molecuul

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 
• Puzzelen!

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

voorbeeld

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 propaan (C3H8) 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 ethanol? 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 ethanol is.

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

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

C₅H₁₂⁺

CH₃⁺

C₃H₇⁺

C₂H₅⁺

C₄H₉⁺

C₂H₃⁺

Heb je alle leerdoelen behaald?

1. Ja, zeker
2. Nog niet allemaal
3. Nee

Ook hier geld:

A. Ja, wat fijn dat het duidelijk is.

B. Bekijk even de kenniskaart over GC-MS op de classroom.

C. Bekijk het filmpje over massaspectrometrie uit de leerlingmodule en lees de GC-MS  kenniskaart op de classroom goed door. 

Volgende les

"GC-MS practicum"

Dopinganalyse ter voorbereiding bekijk de filmpjes en het artikel op de classroom