Molekyler

Uppgifter
9.5
9.9
9.16

Elevfrågor


  Vad säger kursplanen?
  Eleven ska
 •  kunna förklara och tillämpa några vanliga analysmetoder samt kunna beskriva deras användningsområde och utveckling inom t.ex. sjukvård, miljöarbete, forskning och industri
  Kemisk analys går ut på att få fram olika  svar om de partilkar som man är intresserad av, som man vill analysera. Svaret kan vara antingen kvalitativt eller kvantitativt. Vid en kvalitativ analys tar man reda på vilket ämne det rör sig om och vid en kvantitativ analys hur mycket av ett visst ämne som finns i provet. Vid vissa analysmetoder kan man också kombinera de båda. I det här kapitlet presentaeras en rad olika metoder som hjälper kemisten i en rad olika smmanhang.
 
     
Gravimetrisk analys
Gravimetri, känns ju direkt som om gravitationen borde vara inblandad. och det är den mycket riktigt. Här används vågen för att ta reda på massan av ett visst ämne som ingår i ett prov. Du har säkert träffat på den här analysmetoden tidigare under A- eller B-kursen, t.ex. i en beräkningsuppgift där det gällt att beräkna massan silverjoner i en provlösning. Analysen kan utföras på det sätt som beskrivs överst på s. 174.

Titrimetrisk analys
Ännu ett bekant ord – titrimetrisk, känns som om det är kopplat till titrering. Visst, så är det. Titrerat har du säkert också gjort. Och kanske är du så noggrann att provsvaret går att lita på?
Här är det mycket viktigt att man gör en noggrann bestämning av koncentrationen, den s.k. titern, för den lösning som används vid titreringen. Det finns flera olika titrermetoder och några av dem som anges på s. 175 har vi redan träffat på.

Vi kommer här och senare i biokemin att se att man kan använda jonbytare för olika typer av analyser. Jonbytarmassa av olika typer kan ingå i analysapparater som används för miljö-, läkemedels- och livsmedelsanalyser, samt inom bioteknik, petrokemi och elektronik. En typisk arbetsstation kan se ut som på bilden till höger. Klicka på bilden för förstoring.

I figuren här till höger har jag gjort en förstoring av ett jonbytarkorn i genomskärning, jämför med bilden på s. 178 i B-boken. Det gulröda nätverket är byggt av kiselatomer och syreatomer. Syreatomerna är negativt laddade, alltså joner, och därför får hela rymdnätstrukturen negativ laddning. Inuti kanalerna finns positiva joner, t.ex. Na+, som dras mot syrejonerna och hålls kvar av dem. Nu har vi skapat goda förutsättningar för ett jonbyte.

Jonbytarens kanaler är så stora att olika positiva joner ska kunna vandra i dem, också oxoniumjonerna H3O+. Vi kan framställa jonbytarmassa som är laddad med oxoniumjoner på det sätt som beskrivs på s. 178 i B-boken – vi låter saltsyra passera sakta genom en kolonn med jonbytarmassa. Här byts Na+-joner ut mot H3O+-joner. Dessa binds till syrejonerna medan Na+-jonerna vandrar ut ur jonbytaren. Jag tog inte med kloridjonerna i animationen eftersom det hade blivit så grötigt.

Du kan också läsa på s. 178 hur man kan använda en jonbytarkolonn som är mättad med H3O+-joner för att bestämma halten Na+-joner i en provlösning. I animationen som du just såg skulle man så att säga rulla baklänges. Då byts oxoniumjonerna på nytt ut mot natriumjoner.



Spektroskopiska analysmetoder
Från A-kursen kommer du säkert ihåg att vi med hjälp av energi kan excitera atomer och molekyler. Genom att tillföra energi, t.ex. ljusenergi, kan man lyfta upp en elektron från den normala energinivån till en högre energinivå, kanske i ett annat elektronskal. De atomer och molekyler som exciteras är mycket instabila. Därför faller elektronerna strax tillbaka till det skal som de kom ifrån, ev. i flera steg. För varje steg är energimängden helt bestämd och typisk för det aktuella atomslaget.

Elektronerna kan bara ha vissa bestämda energivärden, och man kan därför placera dem på olika energinivåer. De olika energinivåerna kan illustreras med en trappa där marken betecknar lägsta energinivån, K. Det första trappsteget är L-nivån, osv. Ju högre upp på trappan elektronen befinner sig desto längre från kärnan är den och desto mer energi har elektronen. Om en K-elektron får exakt rätt mängd energi (rätt energikvantum) kan den lyftas till nästa trappsteg (L-nivån). Då har man fått en exciterad väteatom. Och om ännu mer energi tillförs kan elektronen flyttas ännu längre ut, och till slut skiljas från atomen så att det bildas en positivt laddad partikel, en jon.

Om vi återgår till den exciterade elektronen i L-nivån, så kommer elektronen strax att falla tillbaka till det stabila grundtillståndet igen. Den energimängd som togs upp vid exciteringen sänds nu ut i form av elektromagnetisk strålning (ljus). Varje trappsteg ger ljus av en bestämd frekvens, en spektrallinje.

Sambandet är som följer:
ΔE = h · v = h · c / λ    Här är
ΔE ljusets energi (dvs. energiskillnaden i just det steg där ljuset sänds ut))
v ljusets frekvens,
λ ljusets våglängd,
c ljusets hastighet och
h Plancks konstant.

Det ljus som sänds ut är alltså speciellt för en viss atom i en viss molekyl eller jon. Motsvarande gäller för det ljus som absorberas när atomen exciteras. Det utsända respektive absorberade ljuset har alltså en bestämd våglängd som är typisk för en viss atom i en molekyl av ett bestämt ämne. Det är detta faktum som man utnyttjar inom den analytiska kemin. Vid spektrofotometri och atomabsorptionsspektrometri bestämmer man våglängden för det ljus som absorberas. Men man kan också gå "bakvägen" och ta reda på vid vilken våglängd som strålningen emitteras. Det gör man vid emissionsspektrometri.

Vi börjar med den vanliga metoden absorptionsspektrometri som du säkert kommer att komma i kontakt med under kursen, kanske via någon laboration. En sådan utrustning kan se ut som på bilden.Vi noterar de kolvar som står uppradade framför maskinen. Vi ska strax se hur man använder dem. Först något mer om teorin.

Ljus sänds ut och bryts i ett prisma (eller ett gitter) så att det delas upp i olika våglängder. Sedan gäller det att välja ut ljus som har lämplig våglängd för den undersökning som ska göras. Man kan ställa in den önskade våglängden på spektrofotometern. Då vrids prismat så att ljus med rätt våglängd passerar genom en smal springa, en spalt, in i den mätcell där provet finns (figuren i boken visar en spektrometer med dubbla strålar).

Nu skickas energi i form av ljus av en specifik våglängd genom provlösningen. Provlösningen kommer då att absorbera ljus; ju mer av provsubstansen som finns i lösningen desto kraftigare blir absorbansen. Absorbansen är proportionell mot ämnets koncentration i provlösningen och mot avståndet mellan kyvetens sidoytor. Allt tecknat i Lambert-Beers lag som du hittar på s. 181. Den lite förenklade modell av en kyvett som också finns i boken är inte riktigt naturtrogen. Här till höger har du ett foto av en kyvett.

Åter till flaskorna. De används för att konstruera en sk. kalibreringskurva. Det gör man med hjälp av lösningar som har känd absorbans. Då kan det se ut som i exempel 9.2. Vi passar nu på att lösa några uppgifter.


Uppgift 9.5
b) Om vi betecknar det inkommande ljuset med I0 och det utgående med I kan vi bilda kvoten I/I0. Den anger hur stor del av ljuset som passerar genom lösningen
Men absorbansen definieras som
A = lg I0/I.
I uppgiften får vi veta att absorbansen är 1,00.
lg I0/I = 1,00 ger I0/I = 10.
Då blir I/I0 = 0,10. Det betyder att 10 % av ljuset kommer ut ur lösningen (vid den utvalda våglängden). 90 % av ljuset absorberas av lösningen.

Svar: Andelen ljus som passerar genom kyvetten är 10 %.


Uppgift 9.9
Vi har fått i uppgift att beräkna ruteniumhalten i ett prov, i ppm. Procent anger som bekant hundradelar. Men ppm, parts per million anger miljondelar. Absorbansen för ett visst prov var 0,5 och kyvettens längd 1 cm. Absorptionskoefficienten för det komplex som man utnyttjar vid analysen är 2,0 cm-1·(ppm Ru)-1 vid 650 nm. Vi tar hjälp av sambandet:

A = e · c · l   eftersom vi söker koncentrationen skriver vi om och petar in värdena

c = A / (e · c) = 0,5 / (2,0 cm-1·(ppm Ru)-1 · 1 cm = 0,25 ppm Ru

Svar: Ruteniumhalten var 0,25 ppm


Atomabsorptionsspektrometri, AAS
Ny metod, ny apparatur. Slå upp s. 183. Atomabsorptionsspektrometri
används vid kvantitativa mätningar av metallhalter. Den har den stora fördelen att man kan mäta mycket låga koncentrationer. Den lämpar sig därför bra för olika spåranalyser t.es inom miljö- och livsmedelsanalys.

På bilden här till höger ser du en AAS- apparat. Kolven framför apparaten innehåller provlösning som sugs genom den smala slangen in i en kraftig gaslåga. Brännaren finns i den fyrkantiga lådan ovanför kolven. Gasbehållaren med etyn står till höger.

Metoden bygger helt och hållet på Lambert-Beers lag, och är mycket fiffigt uträknad. Man använder en särskild lampa vars katod är belagd med den metall som man vill bestämma. I boken tar man koppar som exempel. När man tänder lampan sänds ljus ut som kan excitera Cu-atomer. Ljuset går från lampan in i lågan med provlösningen. Denna sugs in i form av små droppar, men lågan är så het att vattnet omedelbart avdunstar och de lösta ämnena förgasas. Lösningens Cu2+-joner blir Cu-atomer i lågan. När ljuset från lampan träffar Cu-atomerna, exciteras dessa och en del av ljuset absorberas. Koncentrationen av Cu-atomer i lågan är proportionell mot koncentrationen av Cu2+-joner i lösningen. Även här använder man en kalibreringskurva. Åter igen: ju fler atomer desto högre absorption.



Emissionsspektroskopi och elektrokemiska analysmetoder på s. 184–186 klarar du nog att läsa på egen hand.



Separationsmetoder
Som rubriken antyder ska vi nu studera hur man kan skilja olika ämnen åt. Vi kommer genomgående att utnyttja det faktum att olika ämnnen har olika laddning, eller skiljer sig åt i fråga om polaritet. På s. 187 beskrevs hur jod fördelas mellan de båda ämnen heptan och vatten. Jod trivs förvisso i vatten men i heptan är det ännu trevligare. Åter igen handlar det om jämvikter. Jod är ju ett opolärt ämne och de molekyler som kommer över i heptanfasen stannar kvar i större utsträckning – LIKA LÖSER LIKA. Endast ett fåtal återvänder till vattenfasen sett över tid. Om man skakar om fasen kan man till sist få en situation där all jod gått över till heptanfasen. Adsoprtion tar jag inte upp här. Nu raskt över till kromatografi.

Kromatografi

Nu kommer vi att rikta oss mot analysmetoder som utnyttjar fördelningsjämvikter. Jag väljer att här fokusera på GC, gaskromatografi. Men principen är som sagt densamma oavsett metod.

Man använder en rörlig, mobil, fas och en stationär fas. Provet sprutas in i den i den mobila fasen, som för de olika molekylerna i provet framåt genom kolonnen. Men samtidigt vandrar provmolekylerna mellan den mobila fasen och den stationära fasen (en vätska med hög kokpunkt) som sitter fast på kolonnens innervägg. Eftersom de olika ämnena i provet har olika löslighet i den stationära fasen, kommer provmolekylerna att transporteras framåt med olika hastighet. På så vis separeras ämnena i provet. Väl framme vid detektorn har nu förhoppningsvis provets substanser delat upp sig och kan mätas en efter en. Man kan variera den fasta fasens sammansättning så att man kan separera blandningar av olika slags ämnen. Klicka här för större format. Då kan du tydligt se den spiralformade kolonnen på plats inuti ugnen, och munstycket där man sprutar in provet.

Masspektrometri
Den här metoden är egentligen ingen spektrometrimetod. Här består strålen inte av ljuspartiklar – fotoner – utan av mass-
partiklar – molekyler av olika ämnen.

Teorin är inte helt lätt att förstå. Jag ska i
korthet försöka förklara principerna bakom,
så har du förhoppningsvis lättare att själv
gå på djupet om du önskar i boken. Först
en bild på en masspektrometer.

Se nu figur 9.20 på s. 194 i B-boken så ska vi se hur ett masspektrum kommer till. Först bestrålas provets molekyler i en jonisationskammare med så energirika elektroner att molekylerna går sönder där bindningen är svag. Dessutom slås elektroner bort så att molekylresterna får positiv laddning.

Över jonisationskammaren ligger en hög elektrisk spänning med den negativa polen till höger i figuren. Därför dras de positiva partiklarna åt höger , genom en serie smala spalter. På så vis bildas en smal partikelstråle som rusar in i magnetfältet mitt på bilden.



När partiklarna kommer in i magnetfältet böjs de av. Och det gör de efter massa och laddning. Partiklar som har samma värde på kvoten m/q (där m är massan och q den elektriska laddningen) böjs av lika mycket och bildar en gemensam stråle. Man får därför ett antal separata partikelstrålar som innehåller partiklar med samma kvot. De registreras av en detektor och till slut ritar en skrivare upp ett masspektrum. Det visar den ursprungliga molekylen uppdelad i ett antal brottstycken som är typiska för just den här molekylen – de visar ju på ställen med svaga bindningar. Därför kan man med hjälp av spektret dra sådana slutsatser om molekylens struktur att den kan identifieras.

I boken talar man om att man kan koppla samman en GC med MS, och få en sk GC-MS. Så här kan en sådan station se ut. MS:en står till vänster och GC:n till höger.









Infrarödspektroskopi

Vi tittar åter på våglängdsområdet. För nu handlar det på nytt om att tillföra energi i form av elektromagnetisk strålning. Nu rör vi oss i det s.k. IR-området. Den strålningen räcker inte till för att lyfta upp elektroner till högre energinivåeer utan påverkar istället molekylernas rörelser inombords. I animationen nedan har jag tagit ut en CH2-grupp. IR används framför allt för att analysera organiska föreningar. En molekyl eller molekylgrupps atomer kan röra sig i förhållande till varandra på en rad olika sätt. Jag nöjer mig med att presentera tre varianter.


Olika frekvenser av IR-strålningen absorberas olika beroende på funktionell grupp. Ett IR-spektrum kommer därför att innehålla toppar som anger speciella atomgrupper i molekylen, se s. 196.

Kärnmagnetisk resonans, NMR
Nu hamnar vi i radiovågsområdet. Metoden grundar sig på att vissa atomkärnor, t.ex. protonen H+, har ett s.k. magnetiskt moment. Det gör att den kan absorbera energi i radiovågsområdet. Med hjälp av ett magnetfält kan man få atomkärnor med udda antal protoner i kärnan att rikta in sig antingen med eller mot magnetfältets riktning. Vid analysen bestrålas provet med radiovågor av olika frekvens. Vilken frekvens som absorberas beror på vilka atomer eller atomgrupper som protonen har till grannar. Resultatet blir ett antal toppar med vars hjälp man kan tolka ämnets struktur.

Uppgift 9.16
En enda topp. Det skvallrar om att alla tre protonerna har lika omgivning. Om vi förflyttar oss tillbaka till kapitel 7 för ett slag, så kommer du kanske ihåg att det fanns cykliska organiska föreningar. Dessa biter sig så att säga i svansen, vilket ger upphov till en, identisk omgivning för protonerna. Föreningen som vi söker i det här fallet är därför cyklopropan.

Svar: C3H6


På bilden visas en NMR med mycket kraftig magnet och som därför kan ge god upplösning vid analysen.

Om du är intresserad så beskrivs NMR-metoden i detalj i boken på s. 196 - 200. Här har jag knappt skrapat på ytan.