Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12

22Chemische stoffen, natuurlijk en synthetisch

Een lepel vanille-ijs. De smaak kan komen van de zwarte peulen van een tropische orchidee, geplukt, gefermenteerd en maandenlang in alcohol geweekt; of hij kan komen uit een fabriek die het aroma maakt uit houtpulp of uit aardolie. Proef ze naast elkaar en de hoofdsmaak is dezelfde — met een goede reden: het molecuul dat naar vanille smaakt, vanilline, is precies hetzelfde molecuul, hoe het ook verkregen is. Dit hoofdstuk laat zien hoe scheikundigen een stof uit een plant halen, hoe ze haar maken, en hoe ze controleren dat ze echt hebben wat ze denken te hebben.

Wat je al weet

Een chemische stof is één bepaalde soort stof; een zuivere stof bevat één chemische stof en heeft vaste constanten, zoals haar smelt- en kookpunt (Hoofdstuk 8). Vloeistoffen zijn mengbaar of niet-mengbaar, en elke opgeloste stof heeft in elk oplosmiddel haar eigen oplosbaarheid (Hoofdstuk 9). Papierchromatografie scheidt de kleurstoffen van een mengsel (Hoofdstuk 10).

Vanillestokjes en witte kristallen vanilline: hetzelfde molecuul, uit een plant of uit een fabriek.

22.1 Natuurlijke en synthetische stoffen

Definitie 22.1 (Natuurlijke en synthetische stoffen)

Een natuurlijke stof is een chemische stof die door een levend wezen gemaakt wordt of als zodanig in de natuur voorkomt. Een synthetische stof wordt door scheikundigen met chemische reacties uit andere stoffen gemaakt. Een synthetische stof kan identiek zijn aan een natuurlijke (synthetische vanilline), of geen tegenhanger in de natuur hebben (de meeste geneesmiddelen en kunststoffen).

Propositie 22.2 (Dezelfde stof, dezelfde eigenschappen)

Een chemische stof heeft dezelfde eigenschappen, wat haar herkomst ook is: vanilline uit een fabriek en vanilline uit een vanillestokje hebben dezelfde formule, hetzelfde smeltpunt, dezelfde geur. Wat kan verschillen, is wat er nog bij zit: een natuurlijk extract is een mengsel, met veel andere stoffen die de smaak veranderen.

Geschiedenis — Van wilgenbast tot aspirine, 1828–1899

Eeuwenlang werd er op wilgenbast gekauwd tegen koorts en pijn. In 1828 haalde een scheikundige er de werkzame stof uit, salicine; scheikundigen zetten die daarna om in salicylzuur, dat werkt maar de maag irriteert. In 1897 maakte Felix Hoffmann bij een fabriek van kleurstoffen en geneesmiddelen uit salicylzuur een mildere synthetische stof: acetylsalicylzuur, dat vanaf 1899 als aspirine werd verkocht. Aspirine heeft geen natuurlijke bron: het is een volledig synthetische stof.

22.2 Een stof extraheren

Definitie 22.3 (Extractie en vloeistof-vloeistofextractie)

Bij een extractie haal je een chemische stof uit het materiaal waarin ze zit, meestal door haar op te lossen in een goed gekozen oplosmiddel. Bij een vloeistof-vloeistofextractie gaat een stof die in de ene vloeistof opgelost is over naar een tweede vloeistof, die niet mengbaar is met de eerste en waarin ze beter oplost; de twee vloeistoffen worden daarna in een scheitrechter gescheiden.

Voorbeeld 22.4 (Extracties in het dagelijks leven)

Thee zetten is een extractie met heet water (infusie); vanillestokjes in alcohol laten weken is een extractie met ethanol (maceratie); groenten koken om bouillon te maken is er ook een (decoctie).

Definitie 22.5 (Destillatie en hydrodestillatie)

Bij een destillatie verhit je een vloeistofmengsel tot het kookt, laat je de damp weer vloeibaar worden in een koeler die met stromend water gekoeld wordt, en vang je die vloeistof op, het destillaat. Bij een hydrodestillatie kook je plantenmateriaal in water: de stoom neemt de geurstoffen van de plant mee, die zich in het destillaat als een olieachtige laag van het water scheiden, de etherische olie.

Hydrodestillatie van lavendel. De stoom voert de etherische olie naar de koeler; het destillaat scheidt zich in een dun laagje olie bovenop water.

Methode 22.6 (Een extractiemiddel kiezen)

Voor een vloeistof-vloeistofextractie van een stof uit water moet het oplosmiddel:

de stof veel beter oplossen dan water;
niet mengbaar zijn met water, zodat er twee lagen ontstaan;
zo weinig mogelijk gevaarlijk zijn, en achteraf makkelijk te verwijderen (een laag kookpunt laat het verdampen).

Welke laag bovenop ligt, bepalen de dichtheden: de minst dichte vloeistof drijft.

Voorbeeld 22.7 (Oplosmiddelen voor lavendelolie)

Linalool, de belangrijkste stof van lavendelolie, lost maar tot $1.6\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ op in water, maar heel goed in de oplosmiddelen hieronder:

oplosmiddel	massa van $1\,\mathrm{mL}$	kookpunt	met water	voornaamste gevaren
cyclohexaan	$0.78\,\mathrm{g}$	$81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	niet mengbaar	ontvlambaar, schadelijk
ethylethanoaat	$0.90\,\mathrm{g}$	$77\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	niet mengbaar	ontvlambaar, irriterend
dichloormethaan	$1.33\,\mathrm{g}$	$40\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	niet mengbaar	verdacht kankerverwekkend
ethanol	$0.79\,\mathrm{g}$	$78\,{}^{\circ}\mathrm{C}$	mengbaar	ontvlambaar

Ethanol is onbruikbaar: het mengt met water en er ontstaan geen lagen. Met cyclohexaan of ethylethanoaat ligt de laag van het oplosmiddel bovenop; met dichloormethaan onderaan.

Een scheitrechter na schudden en laten bezinken: de olie is overgegaan naar het cyclohexaan, bovenop.

Veiligheid

Cyclohexaan: zeer licht ontvlambaar (GHS02); kan dodelijk zijn als het wordt ingeslikt en in de luchtwegen terechtkomt, veroorzaakt huidirritatie en slaperigheid (GHS07, GHS08); zeer giftig voor in het water levende organismen (GHS09). Gebruik in een zuurkast, ver van vlammen.

22.3 Dunnelaagchromatografie

Definitie 22.8 (Dunnelaagchromatografie)

Dunnelaagchromatografie (DLC) scheidt de stoffen van een mengsel op een plaatje dat bedekt is met een dun laagje fijn wit poeder, de stationaire fase. Kleine stipjes van de monsters worden op een potloodlijn vlak boven de onderkant gezet; het plaatje staat in een afgesloten bak in een beetje oplosmiddel, het eluens, dat in het plaatje omhoogkruipt en elke stof meeneemt tot een hoogte die van de stof afhangt. Kleurloze vlekken maak je daarna zichtbaar onder ultraviolet licht of met jooddamp.

Definitie 22.9 (Retentiefactor)

De retentiefactor van een vlek is

R_f = \frac{\text{afstand van de startlijn tot de vlek}} {\text{afstand van de startlijn tot het front van het eluens}},

een getal tussen 0 en 1. Bij een gegeven plaatje, eluens en temperatuur heeft elke stof haar eigen $R_f$ .

Methode 22.10 (Een DLC uitvoeren en aflezen)

Trek de startlijn met potlood, $1\,\mathrm{cm}$ van de onderkant; zet er een klein stipje op van elk monster en van elke referentiestof.
Zet het plaatje in de bak, het eluens onder de lijn; sluit de bak.
Haal het plaatje eruit als het front ongeveer $1\,\mathrm{cm}$ onder de bovenkant is; markeer het front meteen; laat drogen en maak zichtbaar.
Meet de afstanden en bereken de $R_f$ van elke vlek. Een monster dat één vlek geeft, is waarschijnlijk een zuivere stof; een vlek op dezelfde hoogte als een referentievlek op hetzelfde plaatje is waarschijnlijk die stof.

DLC van lavendelolie (O) naast linalool (L) en linalylethanoaat (A). De olie geeft twee vlekken, op de hoogte van de twee referenties: ze bevat beide stoffen. Voor linalool geldt R_f = d/D. — DLC van lavendelolie (O) naast linalool (L) en linalylethanoaat (A). De olie geeft twee vlekken, op de hoogte van de twee referenties: ze bevat beide stoffen. Voor linalool geldt $R_f = d/D$ .

22.4 Een stof herkennen aan haar fysische constanten

Propositie 22.11 (Een smeltpunt controleert identiteit en zuiverheid)

Een zuivere vaste stof smelt scherp bij haar eigen temperatuur: vanilline bij ongeveer $82\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , aspirine bij $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , salicylzuur bij $158\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Een onzuiver monster smelt lager, en over een traject van enkele graden. Een smeltpunt meten, op een verwarmde metalen bank (Koflerbank) of in een smeltpuntapparaat, laat dus zowel zien welke vaste stof het is als of ze zuiver is.

In het laboratorium — Een DLC-plaatje

De leerlingen stippen lavendelolie, linalool en linalylethanoaat op een plaatje, ontwikkelen het in een afgesloten pot met een mengsel van oplosmiddelen dat de docent heeft gekozen, en maken het zichtbaar onder een uv-lamp, met een bril die het ultraviolet tegenhoudt. Het eluens wordt in de zuurkast gebruikt en gehanteerd.

Een bloeiend lavendelveld: de grondstof van etherische lavendelolie.

22.5 Oefeningen

Oefening 22.1 ★

Natuurlijke of synthetische stof? Vanilline uit een vanillestokje; aspirine; cafeïne uit koffiebonen; vanilline uit een fabriek.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.1.

Natuurlijk: vanilline uit een vanillestokje, cafeïne uit koffiebonen. Synthetisch: aspirine, vanilline uit een fabriek.

Oefening 22.2 ★

Waarom hebben synthetische en natuurlijke vanilline hetzelfde smeltpunt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.2.

Het is dezelfde chemische stof, en een stof heeft dezelfde eigenschappen, wat haar herkomst ook is.

Oefening 22.3 ★

Op een DLC-plaatje ligt het front van het eluens $6.0\,\mathrm{cm}$ boven de startlijn en een vlek $2.4\,\mathrm{cm}$ erboven. Bereken haar $R_f$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.3.

$R_f = 2.4/6.0 = 0.40$ .

Oefening 22.4 ★

Geef de rol van de koeler bij een destillatie, en zeg waarom het koude water aan de onderkant binnenkomt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.4.

Hij koelt de damp en maakt hem weer vloeibaar. Doordat het water aan de onderkant binnenkomt, vult het de hele mantel (en ontmoet het de heetste damp als laatste, wat het best koelt).

Oefening 22.5 ★

Noem de drie voorwaarden waaraan een extractiemiddel moet voldoen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.5.

De stof veel beter oplossen dan water; niet mengbaar zijn met water; zo weinig mogelijk gevaarlijk zijn en makkelijk te verwijderen.

Oefening 22.6 ★★

Leg met de tabel van oplosmiddelen uit waarom je linalool niet met ethanol uit het destillaat kunt extraheren, en wel met cyclohexaan.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.6.

Ethanol is mengbaar met water: er ontstaan geen lagen en er valt niets te scheiden. Cyclohexaan is niet mengbaar met water en lost linalool goed op.

Oefening 22.7 ★★

In een scheitrechter wordt dichloormethaan met water geschud. Welke laag ligt bovenop? Verklaar met de tabel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.7.

Water ligt bovenop: $1\,\mathrm{mL}$ dichloormethaan weegt $1.33\,\mathrm{g}$ , meer dan $1\,\mathrm{mL}$ water, dus het zakt naar beneden.

Oefening 22.8 ★★

Een wit poeder dat als aspirine verkocht wordt, begint te smelten bij $126\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ en is helemaal gesmolten bij $132\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ . Wat kun je concluderen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.8.

Het smelt te laag (aspirine: $135\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) en over een traject: het monster is onzuiver, of geen aspirine.

Oefening 22.9 ★★

Kijk naar de DLC-figuur van dit hoofdstuk. Wat bevat de lavendelolie? Welke stof is het hoogst gekomen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.9.

Linalool en linalylethanoaat (de twee vlekken liggen op de hoogte van de twee referenties). Linalylethanoaat is het hoogst gekomen.

Oefening 22.10 ★★

Zet de stappen om in het laboratorium lavendelolie te verkrijgen in de goede volgorde: de lagen scheiden; hydrodestillatie; cyclohexaan aan het destillaat toevoegen en schudden; het cyclohexaan laten verdampen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.10.

Hydrodestillatie; cyclohexaan aan het destillaat toevoegen en schudden; de lagen scheiden; het cyclohexaan laten verdampen.

Oefening 22.11 ★★

Waarom trek je de startlijn van een DLC-plaatje met potlood, en waarom ligt ze boven het eluens?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.11.

Potlood lost niet op in het eluens; boven het eluens worden de stipjes door het plaatje omhoog meegevoerd in plaats van in de bak op te lossen.

Oefening 22.12 ★★★

Na de extractie wordt het cyclohexaan verwijderd door zacht verwarmen, zodat de olie achterblijft. Leg met de kookpunten van cyclohexaan en van linalool ( $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ) uit waarom dat werkt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.12.

Cyclohexaan kookt bij $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , linalool bij $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : zacht verwarmen drijft het cyclohexaan uit terwijl het linalool blijft.

Oefening 22.13 ★★★

Een synthetisch monster van een aroma geeft één vlek op een DLC-plaatje, op de hoogte van de natuurlijke stof, en smelt scherp bij de juiste temperatuur. Welke twee conclusies kun je trekken?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.13.

Het monster is waarschijnlijk die stof (dezelfde $R_f$ als de natuurlijke op hetzelfde plaatje) en waarschijnlijk zuiver (één vlek, scherp smeltpunt).

Oefening 22.14 ★★★

Op hetzelfde DLC-plaatje heeft vlek A $R_f = 0.40$ en ligt het front $5.5\,\mathrm{cm}$ boven de lijn. Op welke hoogte ligt vlek A? Een andere stof heeft $R_f = 0.75$ : hoe ver boven vlek A ligt ze?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.14.

$0.40 \times 5.5 = 2.2\,\mathrm{cm}$ . De andere op $0.75 \times 5.5 = 4.1\,\mathrm{cm}$ (op de mm nauwkeurig), dus ongeveer $1.9\,\mathrm{cm}$ boven A.

Oefening 22.15 ★★★

In $1\,\mathrm{L}$ water kan $1.6\,\mathrm{g}$ linalool oplossen. Een destillaat van $200\,\mathrm{mL}$ water bevat $0.20\,\mathrm{g}$ opgelost linalool. Is het verzadigd? Hoeveel zou er nog in kunnen oplossen? Waarom is het de moeite waard dit water met cyclohexaan te extraheren in plaats van het weg te gooien?

Oplossing

Oplossing van Oefening 22.15.

$200\,\mathrm{mL}$ kan $1.6 \times 0.200 = 0.32\,\mathrm{g}$ oplossen: met $0.20\,\mathrm{g}$ is het niet verzadigd; er kan nog $0.12\,\mathrm{g}$ in oplossen. De $0.20\,\mathrm{g}$ die opgelost is, zou met het water verloren gaan; cyclohexaan, dat linalool veel beter oplost, haalt er het meeste van terug.

22.6 Probleem: De geur van lavendel

Probleem 22.1

Weekendprobleem — van een mand lavendelbloemen tot een paar druppels etherische olie, gecontroleerd met chromatografie

In een schoollaboratorium wordt $100\,\mathrm{g}$ verse lavendelbloemen met water gehydrodestilleerd. Het destillaat, troebel, wordt in een scheitrechter geschud met $20\,\mathrm{mL}$ cyclohexaan; de cyclohexaanlaag wordt bewaard en gedroogd, en het cyclohexaan wordt door zacht verwarmen verdampt. Wat overblijft, is etherische lavendelolie. Gebruik de tabel van oplosmiddelen van dit hoofdstuk.

Deel I — De hydrodestillatie.

Wat is de rol van het kokende water bij een hydrodestillatie?
Wat is de rol van de koeler? Waar komt het koude water erin?
Het destillaat vertoont een dun olieachtig laagje dat op water drijft. Is de olie mengbaar met water? Is ze meer of minder dicht dan water?
Waarom giet je het destillaat niet gewoon af om de olie terug te krijgen?

Deel II — De extractie.

Waarom is cyclohexaan een geschikt oplosmiddel voor deze extractie?
Zou je in plaats daarvan ethanol kunnen gebruiken? Leg uit.
Ligt de cyclohexaanlaag na schudden en bezinken bovenop of onderaan? Hoe zou dat zijn met dichloormethaan?
Geef twee voorzorgsmaatregelen die de pictogrammen van cyclohexaan vereisen.
Waarom kun je het cyclohexaan laten verdampen zonder het linalool, dat kookt bij $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , te verliezen?

Deel III — De chromatografie. De olie, zuiver linalool (L) en zuiver linalylethanoaat (A) worden op een DLC-plaatje gestipt. Na het ontwikkelen ligt het front $6.0\,\mathrm{cm}$ boven de startlijn. De olie geeft twee vlekken, op $2.4\,\mathrm{cm}$ en $4.5\,\mathrm{cm}$ ; vlek L ligt op $2.4\,\mathrm{cm}$ , vlek A op $4.5\,\mathrm{cm}$ .

Bereken de $R_f$ van linalool en van linalylethanoaat.
Wat bevat de olie, voor zover dit plaatje laat zien?
Is lavendelolie een zuivere stof?
Waarom zijn de referenties op hetzelfde plaatje gestipt als de olie?
Synthetisch linalool wordt gestipt op een ander plaatje, ontwikkeld onder dezelfde omstandigheden: de vlek heeft $R_f = 0.40$ . Wat kun je concluderen?

Deel IV — Hoeveel olie? De verkregen olie vult $1.0\,\mathrm{mL}$ ; $1\,\mathrm{mL}$ van deze olie weegt $0.90\,\mathrm{g}$ .

Hoeveel olie is er verkregen?
Welk percentage van de massa van de bloemen is dat?
Hoeveel bloemen zijn er nodig voor $100\,\mathrm{g}$ olie?
De olie heet “natuurlijk”. In welke zin klopt dat? Is haar linalool anders dan synthetisch linalool?
Geef de massa etherische olie die uit $100\,\mathrm{g}$ bloemen verkregen wordt.

Oplossing

Oplossing van Probleem 22.1.

1. De stoom ervan neemt de geurstoffen uit de bloemen mee naar de koeler.

2. Hij koelt de damp en maakt hem weer vloeibaar; het koude water komt aan de onderkant binnen.

3. Niet mengbaar; minder dicht dan water (ze drijft).

4. Het laagje is heel dun en een deel van de olie is in het water opgelost of erin verdeeld: een extractie haalt het terug.

5. Het lost linalool goed op, is niet mengbaar met water, en kookt bij een lage temperatuur ( $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ), dus het is makkelijk te verwijderen.

6. Nee: ethanol mengt met water en er ontstaan geen lagen.

7. Bovenop ( $0.78\,\mathrm{g}$ per mL, minder dan water). Met dichloormethaan ( $1.33\,\mathrm{g}$ per mL) zou de laag van het oplosmiddel onderaan liggen.

8. Geen vlam in de buurt (ontvlambaar); werk in een zuurkast met handschoenen, en verzamel het afval in plaats van het door de gootsteen te spoelen (giftig voor in het water levende organismen).

9. Cyclohexaan kookt bij $81\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ , linalool bij $198\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : zacht verwarmen verwijdert alleen het oplosmiddel.

10. $R_f(\text{L}) = 2.4/6.0 = 0.40$ ; $R_f(\text{A}) = 4.5/6.0 = 0.75$ .

11. Linalool en linalylethanoaat.

12. Nee: ze bevat minstens twee stoffen; het is een mengsel.

13. Zodat alle vlekken onder dezelfde omstandigheden ontwikkeld worden: alleen dan kun je de hoogtes vergelijken.

14. Haar $R_f$ is gelijk aan die van linalool onder dezelfde omstandigheden: het is waarschijnlijk linalool, identiek aan de natuurlijke stof.

15. $1.0 \times 0.90 = 0.90\,\mathrm{g}$ .

16. $0.90/100 = 0.90\,\%$ .

17. $100/0.009 \approx 11\,000$ g, ongeveer $11\,\mathrm{kg}$ bloemen.

18. Ze is uit een plant gewonnen, zonder chemische verandering. Maar haar linalool is dezelfde stof als synthetisch linalool: dezelfde formule, dezelfde eigenschappen.

19. $0.90\,\mathrm{g}$ etherische olie uit $100\,\mathrm{g}$ bloemen.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst