Hoofdstuk 13

H13 Instrumentele analyseSchoolexamen 6.1.2 in week van 1 november

Lessenserie september/oktober 2010

H13 Instrumentele analyse

• §13.1 Inleiding• §13.2 Elektromagnetische straling• §13.3 Spectrofotometrie• §13.4 Spectrofotometrie als kwantitatieve

analysemethode• §13.5 Gaschromatografie en

massaspectrometrie• §13.6 Afsluiting

§13.1 Inleiding

• Opgave 1• Scheidingsmethodes• Punt en traject

§13.2 Elektromagnetische straling

Natuurkundige wetten

• c = λ ×f• E = h×fc – snelheid van het licht in m s-1 f – frequentie in Hz (s-1)λ – golflengte in mE – fotonenergie in Jh – constante van Planck• Fotonen= energiepakketje met λ en f• Dus 400-700nm 4,3·10≙ 14 - 7,5·1014 s-1

• Als E=h*f, dan heeft iedere f (of λ) zijn eigen energie.

c

hE

Fotonen• Monochromatisch licht= licht met 1 kleur, dus met 1

bepaalde golflengte • Wit licht is dus verzameling, spectrum• Stoffen nemen niet alle λ op• NaCl verbranden, oranje, λ= 589nm 13.6.b

– Emissiespectrum = spectrum van uitgezonden fotonen• Wit licht door NaCl, spectrum mist λ= 589nm 13.6.d

– Absorptiespectrum = spectrum van opgenomen fotonen.• λ =589nm, f= 5,1·1014 s-1, E=3,38·10-19 J• Kwantumhypothese• Maken vraag 2 en 3

Overzicht analysemethodes

• Infrarood(IR)-spectrometrie• UV/VIS-spectrometrie• Massaspectrometrie (MS)• Gaschromatografie (GC)• Nuclear magnetic resonance (NMR) EXTRA• Titratie (direct, indirect, terug)

IR Spectrometrie• Atoombindingen rekbaar

– Gekwantiseerde energieniveaus– Dus aangeslagen toestanden– Karakteristiek voor verbinding

• Tabel 39B in Binas– Buig- en strekvibraties (sym en assym)– Golfgetal (1/golflengte)– 1/ λ = reciproke golflengte– Vb: golfgetal= 3500cm-1 ≙1/3500= 2,8·10-4 cm≙

2857nm (IR-straling/warmte)

IR-Spectra

• Tabel 39B in Binas – Absorptiegebieden C=O 1700-1800 cm-1

– IR 10-6 – 10-4 m, dus golfgetallen 100-10000 cm-1

– Absorptie (opname) 100%absorptie = geen transmissie– Transmissie (doorlaatbaarheid) 100%T= geen absorptie

• Oefenen mogelijk via:http://wetche.cmbi.ru.nl/vwo/cdrom05/jmol/spect/ir/index.html• LET OP VERWARREND: Lage golflengte is hoog in energie

– 1/golflengte geeft bij lage golflengte een ‘hoog’ getal, dus hoog golfgetal, maar spectrum start op x-as meestal omgekeerd (zie Binas 39B2)

Colorimetrie• Absoptie in zichtbaar gebied• Gras is groen?

– Chlorofyl absorbeert groen 500nm– Eigenlijk is de stof dus rood

• KMnO4-opl is rood.– Stel; spectrum van 350-700 (UV/VIS) fig– Stel; alleen 500nm (groen)– Zwarte oplossing.

• Hoe donkerder hoe hoger de concentratie

• Maken t/m 11

UV/VIS Spectrometrie

UV/VIS Spectrometrie

• Tabel 39A in Binas• Wet van Lambert-BeerE = ε × c × d zie ook Tabel 37E in Binas

– E extinctie (dimensieloos; -log(I/I0), waarin I de intensiteit is van het doorgestroomde licht)

– ε Molaire extinctiecoefficient (L mol-1 cm-1)– c (in Binas [A])concentratie component (mol L-1)– d Weglengte cuvet in cm– 14 samen maken

Massaspectrometrie• Geen straling! Ioniseren van stof door elektronen• M(olecuul) + e- M+ + 2e- (M+=onstabiel)

– C2H5OH+ C2H5+ + OH·

• m/z met m, massa en, z lading van ion– Standaard afsplitste fragmenten, kijk in Binas 39D– Standaard

m/z waardes, zie Binas 39D

– Samen maken 16

Planning• 08-41 1 11 okt 11 oktober Groep 2

Analysepracticum UU 14.00-16.00u

Maken t/ m 11 M t/ m 22

2 Bepreken t/ m 22 Starten met voorbeeldtoets H12,1,2,3 3 Bespreken 6.1.1/ evt Practicum GC - Coach 42 18 okt Herfstvakantie 09-43 1 25 okt Besp Voorbeeldtoets H12,1,2,3

Samen maken 4 starten voorbeeldtoets H13,1-4

2 Besp Voorbeeldtoets H13, 1-4 Samen maken 5,6

Afronden voorbeeldtoets H13

3 Extra oefenopgave / vragenuur / uitloop 10-44 1 nov Toetsweek 6.1.2 H12, 13

Opgave 4a) O=O 2 O dus verbreken van binding B58∙

Dus onder 240,5nm (240nm dus) heb je voldoende energie. (hoe lager golflente, hoe hoger de energie)

b) Dissociatie-energie (energie om te dissociëren), NO2 = -0,339 10∙ 5 J/mol, NO=0,904 10∙ 5 J/mol, O=(4,98 10∙ 5 J/mol)/2 = 3,06 10∙ 5 J/mol

• Zichtbaar dus dringt het wel door tot onderste luchtlaag

J/deeltje8,27·10 oldeeltjes/m 6,02,·10

J/mol 4,98·10 19-23

5

E

nmEchchE 5,240

J/deeltje5,08·10 oldeeltjes/m 6,02,·10

J/mol 3,06·10 19-23

5

E

nmEchchE 3,391

Opgave 4NO2 NO + O uitsplitsen in

• ½ N2 + O2 NO2

• ½ N2 + ½ O2 NO

• ½ O2 O

• -vormingsenergie NO2 = -0,339 10∙ 5 • vormingsenergie NO = + 0,904 10∙ 5

• ½ keer verbreken O=O = + 2,49 10∙ 5

• 3,06 10∙ 5 J/mol

Opgave 4c) d) Nee, NO, NO2 nemen beide af.(Vanaf 75 min)

e) In overeenstemming in het eerste uur. NO NO2. Daarna klopt het niet.

f) Ja, lijken allemaal gassen te zijn.

Opg 7 foutje in antwoordenboek.Aldehyde= 2850, Carbonzuren=1695,

aromaat=3050, amide=1630, alcohol= 3330

Opgave 9Veel vibraties hebben effect op elkaar. Daardoor beïnvloeden ze elkaar. Hierdoor krijg je bredere pieken

10a, neeb. 1-propanol, 2-propanol, methoxyethaan.c. 3354 O-H strek, alcohol. 2971 C-H strek, alkaan.

Iets voor 1200 C-O strek, carbonzuur/ester/ether/alcohol

d. Fenol 1255, prim alc 1000. Dus secundaire. 2-propanol

Opgave 15a. 4-aminobenzeencarbonzuurb. Twee H-bruggen, lost opc. Factor 4 ≙ 25% (Dus T=25%, op zoek naar T)T=10-εcd = ε=4,5 10∙ 4 mol/L*cm c=5,0 10∙ -2 mol/Ld= diameter laagje zonnebrand

- 4,0mL ≙ 4,0 cm3 maar 100cm bij 100cm- dus d= 4,0/10000= 4,0 10∙ -4 cm

T=0,13 factor = 8

Opgave 21• Blanco= alles behalve de te meten stof. Dus

25ml methyloranje en 25 geconc! Zoutzuur.• Uitwerking 21 b • E=εcd=>E= 0,844, c=4,00/305,1 in 500mL, d=1

ε=32,3 L/mol*cm• Aflezen/berekenen x=3,66 mL.

– Dus 3,66mL*2,622·10-2 mol/L= 9,60·10-5 mol Methyloranje= Sn2+

– In origineel 10* zoveel 9,60·10-4 mol in 10mL– 9,60·10-2 mol/L = (*118,7)=11,4g

Oefentoets H12• Fout in antwoorden H12 vr 3.c. SO2 heeft dipool van 5.4 (Binas). Hierdoor

goed oplosbaar. • Er wordt een racemisch mengsel gebruikt met evenveel van de D- als de L-

isomeer bij elk van de aminozuren. Er is dan evenveel rechts- als linksdraaiend aminozuur opgebracht.

• Voor asparaginezuur: Rf ≈ 0,22 Voor leucine: Rf ≈ 0,85 Voor lysine: Rf ≈ 0,50• 0,08 M ammonia bestaat voor het grootste gedeelte uit water, dat zich goed

hecht aan de dunnelaagplaten (SiO2). Water is hier dus de stationaire fase, terwijl ethanol zich als mobiele fase gedraagt.

• Leucine is een aminozuur met een apolaire groep C4H9. Leucine lost daardoor slecht op in water en veel beter in ethanol. Voor asparaginezuur geldt het omgekeerde. Het gevolg is dat leucine meebeweegt met het vloeistoffront, terwijl asparaginezuur ‘achterblijft’ in de stationaire fase.

• Sinaasappelsap bevat waarschijnlijk de aminozuren asparaginezuur en lysine (vergelijk de plek van de vlekken, maar er bestaan méér aminozuren, die mogelijk dezelfde Rf-waarde hebben).

Oefentoets H13Vraag 2. fout in antwblad M=376 g/mol ipv 320 g/mol. Ε= 1,06 10∙ 4 L/mol cm.∙Vraag 5. a. Een maatkolf van 500 mLb. Fe3+(aq) + e− → Fe2+ (aq) 2×

Cd(s) → Cd2+ (aq) + 2 e−

-------------------------------------------------------+2 Fe3+(aq) + Cd(s) → 2 Fe2+ (aq) + Cd2+ (aq)

c. (NH4)2Fe(SO4)2·6 H2O(s) → 2 NH4 +(aq) + Fe2+ (aq) + 2 SO42-(aq) + 6 H2O(l)

d. Met het begrip gecorrigeerd geef je aan dat de extinctie van de te onderzoeken oplossing is verminderd met de extinctie van de blanco-oplossing. In de praktijk gebeurt dit al automatisch. In de colorimeter zijn dan twee ruimtes voor cuvetten: één voor de test en één voor de referentie (blanco).

Oefentoets H13e. E= εcd

1 Constante temperatuur tijdens de meting2 Niet al te geconcentreerde oplossing ( < 0,02 M)3 Heldere oplossing (geen lichtverstrooiende deeltjes)4 Monochromatisch licht

f. In het experiment wordt gebruikgemaakt van een golflengte van 530 nm (= groen licht). Ervan uitgaande dat dit de golflengte is waarbij de absorptie van licht maximaal is, zal het ijzerdipyridylcomplex een rode kleur hebben (complementair aan de groene kleur).

g. 350,0 mg (NH4)2Fe(SO4)2⋅6 H2O /M (=392,17 g/mol) = 8,92·10-4 mol (NH4)2Fe(SO4)2⋅6 H2O ≙ 8,92⋅10-4 mol Fe2+≙ 8,92⋅10-4 mol × 55,85 g Fe2+/mol = 50,0 mg Fe2+.In 500 mL standaardoplossing bevindt zich 50,0 mg Fe2+.In 1,00 mL standaardoplossing bevindt zich= 0,100 mg Fe2+.In 2,00 mL standaardoplossing bevindt zich 0,200 mg Fe2+, etc

Oefentoets H13h. Zie figuur.i. Uit de grafiek lees je de concentratie Fe2+ af bij de gegeven

extinctie 0,309: 0,33 mg Fe2+ per 50,0 mL oplossing. In 1,00 mL monster was dus aanwezig 0,33 mg Fe2+. In 500 mL monsteroplossing was aanwezig: 500 × 0,33 mg Fe2+= 165 mg Fe2+= 165 mg Fe3+.Het Fe3+-gehalte in het ijzer(III)oxidemonster is: 165/235 mg ×100%=70 massa-%.

j. Als alle Fe2+ werd gecomplexeerd, geldt dat de concentratie van het Fe2+-a,a’-dipyridylcomplex gelijk is aan de oorspronkelijke [Fe2+]. Dus: [Fe2+] = 0,33 mg/ 55,85 g mol / 50⋅10-3L = 1,2⋅10-3 mol/L. ε = 2,6⋅103 L/mol⋅cm.

6. 26u = 2*C +2*H. m/z=13 hier is dus een CH verdwenen. Ethyn!

UV/VIS Spectrometrie

Filmpje 4:51

Film

pje

6:32

Infrarood(IR)-spectrometrie Massaspectrometrie (MS)

Film

pje

7:58

Gaschromatografie (GC)

Film

pje

5:17

NMR Nuclear Magnetic Resonance

• Tabel 39C in Binas– Ophelderen structuur organische verbindingen– Toegepast op mensen: MRI scan– Radiogolven binnen een magnetisch veld; 1H of 13C of ...

Filmpje 8:43

!!! Geen examenstof, maar wel een zeer belangrijke analysemethode

Kan schokkend overkomen; watermeloen ipv hoofd Gebeurd op 31 juli 2001; Filmpje 2:02