Chemie Centraal/Mengsels

Uit Wikibooks

[bewerken] Inleiding

De meeste stoffen die je aantreft zijn geen zuivere stoffen, maar mengsels.

De mengsels kan men in twee verschillende groepen indelen:

• Heterogene mengsels
• Homogene mengsels

Rook als gevolg van een bosbrand.

Bij heterogene mengsels kan je denken aan rook van een sigaret in lucht; de rook bestaat uit vaste stoffen vermengd met de gasvormige lucht. Een ander voorbeeld is mayonaise; dat is een olie vermengd met water, 2 verschillende stoffen die niet met elkaar mengen.

Bij homogene mengsels kan je de verschillende stoffen niet onderscheiden. Het gaat hierbij om legeringen, zoals staal; staal is een mengsel van ijzer met andere stoffen, zoals koolstof. Ook zout (een vaste stof) opgelost in water is een homogeen mengsel. Een andere homogene stof is bijvoorbeeld wodka, wat grotendeels uit een mengsel van water en alcohol bestaat. Ook de lucht die we inademen is een homogeen mengsel van zuurstof, stikstof, koolstofdioxide en nog andere gassen.

Mengsels kunnen met scheikundige technieken gescheiden worden in de zuivere componenten:

• Door filtreren kunnen vaste deeltjes uit water worden afgescheiden
• Door destilleren kan alcohol gescheiden worden van water
• Door uitkoken kunnen we zout uit de wateroplossing halen (denk daarbij bijvoorbeeld aan het winnen van zout uit zeewater).

[bewerken] Aggregatietoestanden

Hiervoor is al gesproken over vaste stoffen, gassen en vloeibare stoffen. De toestand waarin zich een stof bevindt, noemt men aggregatietoestand.

Een vaste stof

Een vloeibare stof

Een gasvormige stof

Een vaste stof is een stof die zijn vorm vasthoudt

De aanduiding voor een vaste stof is (s). De s is afkomstig van het Engelse woord solid. Hét kenmerk van een vaste stof is dat de moleculen ten opzichte van elkaar een vaste plaats hebben. Ze kunen wel een beetje trillen of slingeren om een evenwichtsstand, maar niet echt hun plaats verlaten.

Een vloeibare stof is een stof die zijn vorm niet vasthoudt, maar wel een vast volume heeft

De aanduiding voor een vloeibare stof is (l). De l is afkomstig van het Engelse woord liquid. Hét kenmerk van een vloeistof is dat moleculen ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. De bewegingsvrijheid is nog niet zo groot dat ze onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.

Een gasvormige stof is een stof die zijn vorm niet vasthoudt en van volume veranderen kan

De aanduiding voor een gasvormige stof is (g). De g is afkomstig van het Engelse woord gas. Hét kenmerk van de gasfase is dat moleculen in essentie onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.

[bewerken] Mengsels

██ Fase I

██ Fase II

██ emulgator

A. Twee niet-mengbare vloeistoffen, ontmengd
B. Emulsie van fase II gedispergeerd in fase I
C. De instabiele emulsie ontmengt
D. De emulgator positioneert zichzelf op het grensvlak van beide fasen en is stabiel

Een oplossing is een mengsel van een vaste stof, een vloeistof of een gas in een vloeistof, het oplosmiddel. Een oplossing is altijd helder, dat wil zeggen dat men de opgeloste stof niet als zodanig herkent in het oplosmiddel.

Wanneer twee niet in elkaar oplosbare vloeistoffen met elkaar vermengd zijn, spreekt men van een emulsie. Zo zijn water en olie niet in elkaar oplosbaar, maar kan er wel een emulsie bestaan als mengsel van druppels water met druppels olie. Door een emulgator toe te voegen, worden de druppels gestabiliseerd en kan de emulsie blijven bestaan. Zonder emulgator zouden de beide vloeistoffen zich van elkaar scheiden. Mayonaise is een voorbeeld van een emulsie. Olie en water zijn de vloeistoffen, eigeel is de emulgator.

Een suspensie is een mengsel van een vloeistof en een vaste stof die niet in de vloeistof oplosbaar is. Het mengsel laat zich niet gemakkelijk scheiden. Verf is een goed voorbeeld van een suspensie: in een vloeistof bevinden zich pigmenten. Boter is een suspensie van water en vet.

[bewerken] Soorten mengsels

Er zijn verschillende soorten mengsels:

• Heterogeen : je kan de verschillende samenstellende deeltjes onderscheiden, bijvoorbeeld fruitsap met pulp, beton
• Homogeen: Je kan de verschillende deeltjes niet onderscheiden, ze zijn uniform verdeeld in het mengsel, bijvoorbeeld suikerwater, azijn
• Colloïdaal : een tussenvorm tussen homogeen en heterogeen (afh. van deeltjesgrootte), bijvoorbeeld melk

Een suspensie is een mengsel van twee stoffen waarvan de ene stof in zeer kleine deeltjes is gemengd met de andere stof en het mengsel zich niet makkelijk laat scheiden

Voorbeelden van suspensies zijn:

• Verf, een suspensie van pigmenten in water of oplosmiddelen
• Boter, een suspensie van water in vet
• Roomijs, een suspensie van ijskristallen in room

Een oplossing is een vloeistof gemengd met een andere vloeistof, met een gas of met een vaste stof, zodat een homogeen (doorzichtig) mengsel ontstaat

Voorbeelden van oplossingen zijn:

• Zout in water
• Koolstofdioxide in mineraalwater
• Alcohol met water

Voor een oplossing heb je een middel nodig waarin een stof oplost: het oplosmiddel.

Een emulsie is een mengsel dat bestaat uit twee niet mengbare vloeistoffen die onder normale omstandigheden geen stabiel en homogeen mengsel vormen

Voorbeelden van emulsies zijn:

• Mayonaise, een emulsie van water en azijn in een plantaardige olie
• Gezichtscrème
• Melk

Bij gassen zijn heterogene mengsels niet stabiel. Na verloop van tijd zal altijd een homogeen mengsel ontstaan. Etherdamp die eerst alleen onder in een vat aanwezig is, heeft zich na verloop van tijd in de hele ruimte verdeeld.

[bewerken] Scheidingsmethoden

Scheidingsmethoden worden naar de gebruikte methode onderscheiden in:

• zeven
• filtreren
• indampen
• destilleren
• extractie
• chromatografie

[bewerken] Zeven

Bij zeven worden twee vaste stoffen van elkaar gescheiden op basis van hun deeltjesgrootte. De techniek is bruikbaar om vaste fracties met grotere en kleinere deeltjes van elkaar te scheiden

Vanuit puur chemisch oogpunt is deze scheidingstechniek niet erg belangrijk. Op het moment dat eigenschappen van mengsels, of het effect van deeltjesgrootte op eigenschappen in beeld komen wordt de techniek wel belangrijk.

Als poeder gebruikt wordt filter dan is de deeltjesgrootte belangrijk. Een zandfilter dat bestaat uit grof zand laat veel meer door dan een zandfilter dat uit fijn zand bestaat.

[bewerken] Filtratie

Koekfilter

De bekendste filtratietechniek is het zetten van thee of koffie. De koffieprut of theeblaadjes blijven op het filter achter. De vloeistof (met de stoffen die de vloeistof tot koffie of thee maken) loopt door het filter heen. Daarnaast is er nog een groot aantal voorbeelden in de techniek bekend. Papier maak je bijvoorbeeld door vezels van hout met water te vermengen en daarna het water eruit te laten lopen, zodat een mooie laag papier wordt gevormd. Deze techniek kan ook opgevat worden als een vorm van filtratie.

Een ander voorbeeld is het filter van een normale stofzuiger, die alle fijne stofdeeltjes uit de ingezogen lucht opneemt en in het filter opslaat.

Filtratie is een methode om vaste stoffen op basis van de deeltjesgrootte af te scheiden uit een mengsel van eventueel andere vaste stoffen en een vloeistof of gas. Daartoe stroomt het mengsel door een filter met openingen die de gewenste vaste stof tegenhouden. Filtratie wordt gebruikt om : vaste en vloeibare stoffen van elkaar te scheiden; vaste stoffen uit een gasstroom af te scheiden; een zuivere vloeistof af te scheiden van een oplossing (ultrafiltratie).

[bewerken] Indampen

Bij indampen worden twee stoffen van elkaar gescheiden op basis van hun verschil in kookpunt. De niet-vluchtige stof is het gezochte product.

Het ingedampte zout kan als "zeezout" verkocht worden

We maken gebruik van het verschijnsel dat zouten die opgelost zijn in water, bij verwarmen niet verdampen en het water wel. Door het zoute water te verwarmen (eventueel koken), zal het water verdampen en blijft het zout achter.

Bij de winning van zout wordt hiervan gebruikt gemaakt. Het zout dat als steenzout in lagen in de bodem ligt, wordt opgelost en de pekel, water met zout, wordt omhooggepompt. Vroeger werd het water door koken (zieden, vandaar zoutziederij) weer verdampt. Om brandstof te besparen werd de pekel soms vooraf geconcentreerd door water aan de lucht te laten verdampen. In Duitsland kun je nog zogenaamde "gradierwerke" bekijken, bestaande uit een metershoog vlechtwerk van takken waarlangs de pekel van boven af langs stroomt, zodat de wind zoveel mogelijk water doet verdampen. Niet altijd wordt het water verdampt door koken. Zeezout wordt vaak in afgesloten bekkens, zoutpannen, gewonnen door het zeewater net zolang in het bekken te laten tot alle water verdampt is.

Bij het indampen verlies je wel een van de componenten, het water verdampt in de lucht en is dus weg.

[bewerken] Destillatie

Bij destillatie worden twee stoffen van elkaar gescheiden op basis van hun verschil in kookpunt. De vluchtige stof is het gezochte product.

Een hele eenvoudige destillatie

Of een scheidingsproces destillatie of indampen genoemd wordt zit vooral in de component die we willen zuiveren. Is de niet-vluchtige component (zout) de gezochte stof dan is verwarmen niet zo heel kritisch, dat kan rustig een tijdje duren. Is de vluchtige component de gezochte stof dan moet je stevig verwarmen, zodat tijdens het afkoelen een zo groot mogelijk deel inderdaad in de koeler neerslaat.
We kunnen water uit de kraan destilleren. De zouten die in gewoon kraanwater nog aanwezig zijn, zullen bij het koken, niet verdampen. Het water dat wel verdampt en daarna in een waterkoeler condenseert, is dus ontdaan van de zouten en heet dan gedestilleerd water. Gedestilleerd water is zeer zuiver; het wordt bijvoorbeeld gebruikt in de accu van de auto of als water in het laboratorium.

We kunnen ook aardolie destilleren. Aardolie is een mengsel van verschillende stoffen, die verschillende kookpunten hebben. Als je aardolie destilleert, zijn de stoffen met een laag kookpunt de eerste die eruit komen; daaronder bevindt zich benzine. Onder de hoger kokende componenten bevindt zich kerosine, dat gebruikt wordt in vliegtuigen; het zwaarste gedeelte is stookolie.

Ook bekend vanuit de vroegste tijden van de mensheid is het distilleren van alcohol uit bijvoorbeeld wijn. Bij deze destillatie zal bij lagere temperaturen de alcohol het eerst verdampen. Nu gaat bij deze destillatie ook wat water mee en andere voor de smaak belangrijke componenten, zodat je nooit zuivere alcohol zal krijgen. Aan de ene kant blijft een waterig mengsel over, maar aan de andere kant, daar waar de verdampte stof is gecondenseerd, blijft een alcoholrijk mengsel over, bijvoorbeeld brandewijn, zogeheten vanwege de bij de bereiding gebruikte "brand".

In de afbeelding is een eenvoudige destillatie-opstelling te zien. Hierin staan de cijfers voor:

Een eenvoudige laboratoriumopstelling voor destillatie

[bewerken] Extractie

Met extractie kunnen stoffen gescheiden worden doordat ze een verschillende affiniteit hebben ten opzichte van twee verschillende fasen

Extractie van menthol uit het kruid in de thee

Extractie is iets dat al lang wordt toegepast door de mensheid. Een van de meest voorkomende extracties is het maken van thee of koffie. Hierbij worden de smaak- en geurstoffen uit de theebladeren of koffiebonen geëxtraheerd.

Extractie kan worden opgedeeld in:

• Vast-vloeistof extractie
  Het maken van koffie is een typisch voorbeeld van de vast-vloeistof extractie. Dit levert "prutkoffie" die vervolgens nog gefilterd moet worden.
• Vloeistof-vloeistof extractie
  Het verwijderen van zouten uit olie is een voorbeeld van een vloeistof-vloeistof extractie. Ook tijdens de synthese van organische verbindingen wordt vaak gebruik gemaakt van vloeistof-vloeistof extractie.

[bewerken] Vast-vloeistof extractie (SLE)

Bij vaste stof-vloeistof extractie wordt een mengsel van vaste stoffen gemengd met een vloeistof. Stoffen in het vaste mengsel die goed in de vloeistof oplosbaar zijn worden meegenomen. Het kan natuurlijk ook andersom, de stoffen worden dan uit de vloeistof naar de vaste stof geëxtraheerd. Dat wordt dan Solid Phase extraction (SPE) genoemd, ofwel vaste stof-extractie. Het toepassen van Norit ter bestrijding van voedselvergiftiging is ook een vorm van SPE. In de analytische chemie wordt dit zo toegepast; de vaste stof bevindt zich vaak in een klein buisje (kolommetje) en de vloeistof wordt door dat buisje geleid (gezogen of gedrukt). Vaak worden de in het kolommetje verzamelde stoffen daarna via chromatografische technieken verder geanalyseerd.

Methodes van SLE-extractie in de procesindustrie zijn bezinken, waarbij het verschil wordt gebruikt van opwaartse kracht en zwaartekracht, en centrifugeren op basis van dichtheid van de deeltjes.

Een extractie is een evenwichtsproces. Van groot belang bij extractie is de verdelingscoëfficiënt, dat de verdeling van beide stoffen aangeeft.

Bij kruidenextracties' worden de geur- en smaakstoffen uit kruiden gewonnen door middel van extractie. Voorbeelden hiervan zijn: pepermunt uit de pepermuntplant en kamille uit verschillende planten (waarvan de belangrijkste twee de echte kamille en de roomse kamille zijn).

[bewerken] Vloeistof-vloeistof extractie (LLE)

Bij dit type van extractie worden twee verschillende vloeistoffen gebruikt, die niet met elkaar mengen. In de regel is dit een waterige fase en een organische fase, meestal een oplosmiddel. Stoffen die in de vloeistoffen aanwezig zijn zullen zich dan verdelen tussen de twee vloeistoffen. De verhouding van hun concentraties wordt dan gelijk aan de verhouding van hun oplosbaarheid in de vloeistoffen.

[bewerken] Chromatografie

Met chromatografie kunnen stoffen gescheiden worden doordat ze een verschillende affiniteit hebben ten opzichte van twee verschillende fasen

De definitie van chromatografie en extractie verschilt niets. Het verschil zit vooral in de practische uitvoering. Chromatografie kan theoretisch beschreven worden als een steeds herhaalde extractie.
Chromatografie is dus ook een techniek waarmee mengsels van verschillende chemische stoffen gescheiden kunnen worden. De essentie van ieder chromatografiesysteem is een stilstaande (of stationaire) fase waar een bewegende (of mobiele) fase langs stroomt. Wanneer een mengsel aangebracht wordt op de stationaire fase aan het begin van het stromingstraject van mobiele fase, dan worden de stoffen waar het mengsel uit bestaat meegenomen door de mobiele fase. De snelheid waarmee de verschillende stoffen worden meegenomen is afhankelijk van de mate waarin een stof zich hecht aan de stationaire fase respectievelijk de mobiele fase. Een stof die zich sterk hecht aan de stationaire fase zal maar een klein deel van zijn tijd echt bewegen. De stof zal er een hele lange tijd over doen om de afstand langs de stationaire fase af te leggen. Een stof die zich nauwelijks aan de stationaire fase hecht zal een groot deel van zijn tijd onderweg zijn, en dus snel aan het einde van de stationaire zijn. Het verschil in tijd dat de stof onderweg is, is de basis voor de scheiding.

Chromatografie, van links naar rechts wordt de tijdsduur vanaf het begin groter

Hiernaast is een voorbeeld afgebeeld waarbij een inkt wordt bekeken. Deze inkt bestaat uit 2 stoffen. Bij de eerste afbeelding zie je de begintoestand. In de tweede afbeelding zijn de twee kleuren uit de inkt al een beetje van elkaar gescheiden. Bij de derde afbeelding zijn de beide stoffen volledig gescheden.

[bewerken] Papierchromatografie

De eenvoudigste vorm van chromatografie is de papierchromatografie. Deze vorm is eigenlijk aan iedereen wel bekend die een inktvlek op een stuk papier heeft doen ontstaan. Vooral vloeipapier of een koffiefilter werkt erg goed. Wanneer een pen een tijdje in contact met het papier gehouden wordt, trekt de inktvloeistof langzamerhand het papier in, maar de kleurstoffen in de inkt reizen niet altijd met dezelfde snelheid mee. Het gevolg is dat er vaak verschillende banden met ieder een eigen kleur ontstaan.

Proef: Papierchromatografie
Benodigdheden: koffiefilterpapier, viltstiften in verschillende kleuren, een potje, water, eventueel een papierklem Neem een stukje koffiefilterpapier en zet aan de onderrand van het papier verschillende stippen naast elkaar. Zet het papier nu rechtop in het water, zodat de stippen zich net boven de waterlijn bevinden. Het water begint nu omhoog te kruipen, en neemt de kleurstoffen met zich mee. De verschillende componenten van de stiftkleuren worden gescheiden.
Wat heb ik geleerd: Door de capillaire werking stroomt het water omhoog. Hierbij neemt het de kleurstoffen met zich mee. Doordat elke kleurstof andere eigenschappen heeft, zal dit bij elke kleurstof anders gebeuren. (Dit is omdat elke stof een andere verdeling tussen het water (vloeibare fase) en het papier (vaste fase) nastreeft)

[bewerken] Dunnelaagchromatografie

Chromatografie met zwarte inkt

Dunnelaagchromatografie werkt volgens hetzelfde principe als papierchromatografie: een plaatje waarop een stationaire fase is aangebracht wordt in een bodempje vloeistof gezet, de vloeistof wordt opgezogen en het monster wordt meegenomen. Als het monster uit verschillende stoffen bestaat, die ook verschillende hechting aan de fasen laten zien, zullen meerdere fronts zichtbaar zijn.

[bewerken] Gaschromatografie (GLC)

Gaschromatografie (Engels: "Gas-liquid chromatography" daarvan: GLC) is, zoals de Engelse naam al aangeeft, gebaseerd op een vloeibare of polymere stationaire fase. De stoffen in het gas verdelen zich tussen de stationaire en de mobiele fase. De stationaire fase heeft een bepaalde aantrekkingskracht op de stoffen in de gasfase (afhankelijk van de polariteit van de stationaire fase en de temperatuur in relatie met het kookpunt van de stoffen), waardoor de ene stof langzamer door de kolom loopt dan een andere. Hierdoor komen verschillende componenten er na verschillende tijden uit. Door de componenten en tijd te meten en te vergelijken met het chromatogram van pure bekende stoffen, kan je de stoffen identificeren. Ook de hoeveelheid stof is door de hoogte van de piek op het chromatogram te bepalen.

[bewerken] Hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC)

Hogedrukvloeistofchromatografie, (Engels: "High performance liquid chromatography" of "High pressure liquid chromatography" daarvan: HPLC) is een vergelijkbare techniek als gaschromatografie, alleen daar wordt gewerkt met een vloeibare mobiele fase. Bovendien loopt het onder zeer hoge druk. Gaschromatografie wordt echter gebruikt voor het scheiden van mengsels van vluchtige stoffen zoals (koolwater)stoffen met lage molekuulmassa's. Vloeistofchromatografie wordt gebruikt voor stoffen met een hoog kookpunt (en daardoor gaan ontleden) of stoffen die bij hogere temperaturen instabiel zijn, zoals eiwitten en suikers.

[bewerken] Resultaat van de scheiding

De zin van het scheiden van mengsels is het verkrijgen van een zuivere stof, waarover meer in het volgende hoofdstuk.