Zuivere stoffen, mengsels en scheidingsmethoden voor mengsels

Blok 1: Definitie en kenmerken van een zuivere stof

Definitie

Een zuivere stof is een macroscopische hoeveelheid materie die samengesteld is uit slechts één soort molecule. Deze stof is homogeen op elk waarneembaar niveau en laat zich niet door fysische scheidingsmethoden opsplitsen in andere stoffen zonder dat er een chemische verandering plaatsvindt.

Belangrijke concepten

Zuivere stoffen kenmerken zich doordat ze overal identieke fysische en chemische eigenschappen vertonen, ongeacht hoe of waar je ze bestudeert binnen het macroscopisch monster. Dit betekent onder andere dat de stof bij constante druk en temperatuur een scherp smeltpunt en kookpunt vertoont, een constante densiteit heeft, en steeds met dezelfde chemische reacties kenmerkend reageert. Eventuele contaminaties, zelfs in zeer kleine hoeveelheden, kunnen de fysische kenmerken zoals het kooktraject of het smelttraject beïnvloeden en wijzen daardoor op de aanwezigheid van een onzuiverheid.

Formules en berekeningen

Bij experimenten met zuivere stoffen zijn de fysische grootheden constant:

• Het kookpunt $T_k$ en smeltpunt $T_s$ kunnen grafisch worden weergegeven als horizontale lijnen op een temperatuur-tijd-diagram zolang de stof zuiver is en de omgeving de druk constant houdt.

• De massa ($m$), het volume ($V$), en de densiteit ($\rho$) verhouden zich via $\rho = \frac{m}{V}$. Deze verhouding blijft constant voor elk monster van dezelfde zuivere stof, ongeacht de hoeveelheid.

Praktijkvoorbeelden

1. Water ($H_2O$) onder standaarddruk (1 atm) heeft een kookpunt van precies 100 °C en een smeltpunt van exact 0 °C. Indien aanwezig als zuivere stof reageert water uitsluitend met stoffen op de wijze die eigen is aan het watermolecuul.

2. Heliumgas ($He$) bestaat uit atomaire heliumdeeltjes en ontbrandt nooit, mengt zich niet met andere moleculen, en vertoont bij gekoeld worden géén condenseerbare mengsels. Het fysisch gedrag van heliumgas is over het volledige monster identiek.

Veel gemaakte fouten

Een veel voorkomende fout is het verwarren van een zuivere stof met een oplossing die er homogeen uitziet (zoals zoutoplossing, waarbij men denkt dat door het homogeen karakter het ook om een zuivere stof gaat). Ook kan bij onvoldoende herkenning men aannemen dat een experiment met een geringe hoeveelheid verontreiniging nog typisch gedrag van een zuivere stof oplevert, terwijl kleine onzuiverheden al een meetbaar effect hebben op bv. het smelt- of kooktraject.

---

Blok 2: Definitie en kenmerken van een mengsel

Definitie

Een mengsel bestaat uit meerdere verschillende soorten moleculen die door fysische processen van elkaar gescheiden kunnen worden. Mengsels kunnen heterogeen zijn (waar de afzonderlijke componenten zichtbaar onderscheiden kunnen worden) of homogeen (waarbij verschillende bestanddelen macroscopisch niet zichtbaar zijn, zoals bij gasmengsels en oplossingen). Cruciaal is dat de eigenschappen van het mengsel variëren naargelang de locatie of het genomen staal.

Belangrijke concepten

Een mengsel onderscheidt zich van een zuivere stof door het afhankelijk zijn van samenstelling: de verhouding tussen de verschillende componenten kan willekeurig variëren, waardoor geen vaste smelt- of kookpunten optreden maar trajecten. Heterogene mengsels worden gekenmerkt door een macroscopisch goed waarneembare grens tussen de componenten (zoals emulsies, suspensies); homogene mengsels hebben die grens niet, maar bestaan toch uit verschillende soorten moleculen. In een oplossing – een homogeen mengsel van vloeistoffen of van opgeloste stoffen in een oplosmiddel – zijn de verschillende bestandsdelen niet waarneembaar, zelfs onder de microscoop, maar fysisch wel te onderscheiden door scheidingsmethoden.

Formules en berekeningen

Voor mengsels gelden meestal kooktrajecten en smelttrajecten:

• Het kooktraject van een mengsel wordt bepaald door de verhouding van de vluchtige componenten. Voor mengsels met twee vloeistoffen ($A$ en $B$), geldt het principe van Raoult: $$p_{\text{tot}} = x_A p_A^* + x_B p_B^*$$ waarbij $x_A$ en $x_B$ de molaire fracties zijn, $p_A^*$ en $p_B^*$ de dampdrukken van zuivere stoffen $A$ en $B$.

• Voor massapercentage ($\%m$) in sebuah mengsel: $$\% m_A = \frac{m_A}{m_{\text{totaal}}} \times 100\%$$

Praktijkvoorbeelden

1. Lucht is een homogeen gasmengsel bestaande uit hoofdcomponenten stikstof (ca. 78%), zuurstof (ca. 21%) en andere gassen (zoals argon, koolstofdioxide, waterdamp). De samenstelling van lucht kan veranderen (bijvoorbeeld in een laboratoriumruimte of een industriële omgeving), wat een invloed heeft op de fysieke en chemische eigenschappen.

2. Stel een oplossing wordt bereid door natriumchloride (keukenzout) op te lossen in water. Het resulterende mengsel is homogeen, maar bevat duidelijk verschillende moleculen ($Na^+$, $Cl^-$, en $H_2O$). De oplossingen kunnen, afhankelijk van de concentratie, een verschillende elektrische geleidbaarheid en een ander vriespunt vertonen.

Veel gemaakte fouten

Gevorderde studenten kunnen de fout maken om een homogeen mengsel (zoals een oplossing) verkeerd te classificeren als zuivere stof door het ontbreken van zichtbare componenten. Anderzijds wordt bij sommige colloïdale mengsels de fijnverdeelde aard onderschat, waardoor men te snel een op macroscopisch niveau homogeen mengsel als daadwerkelijk homogeen beschouwt. Ten slotte wordt bij gasmengsels soms vergeten dat deze op macroscopisch niveau meestal niet te onderscheiden zijn, maar moleculair wel degelijk uit verschillende gassoorten bestaan.

---

Blok 3: Overzicht van scheidingsmethoden voor mengsels

1. Destillatie

Scheidingsprincipe

Destillatie gebruikt het verschil in kookpunt van de componenten in een mengsel. Door gecontroleerd te verwarmen, verdampt de vluchtige component terwijl de component met het hogere kookpunt achterblijft. De damp wordt opgevangen en gecondenseerd, waardoor de afzonderlijke componenten fysisch gescheiden worden.

Voorbeeld

Sterke drank wordt geproduceerd door een water-alcoholmengsel te verhitten. Alcohol verdampt bij een lagere temperatuur dan water en wordt dus als eerste in de destillaatkolom opgevangen, terwijl het water achterblijft.

2. Filtratie

Scheidingsprincipe

Filtratie maakt gebruik van het verschil in aggregatietoestand tussen vaste stof en vloeistof in een suspensie. Het mengsel wordt door een filter geleid; de vaste deeltjes worden tegengehouden, de vloeistof stroomt door.

Voorbeeld

Bij het scheiden van zand en water wordt het mengsel over een filter gegoten. Het zand blijft als residu achter op het filtreerpapier, het water loopt als filtraat door.

3. Extractie

Scheidingsprincipe

Extractie berust op het verschil in oplosbaarheid van de componenten van een mengsel in een bepaald extractiemiddel. Stoffen die goed oplossen gaan over in het extractiemiddel; slecht oplosbare stoffen blijven achter.

Voorbeeld

Bij het winnen van suiker uit suikerbieten wordt het versneden bietenmateriaal in warm water gebracht. Het suiker lost op in het water, terwijl de vezels en celresten achterblijven.

4. Afschenken/decanteren

Handeling

Afschenken of decanteren gebruikt de fysische scheiding van een bovenliggende vloeistof van een bezonken vaste stof of van een onmengbare vloeistof. De bovenliggende vloeistof wordt voorzichtig afgegoten terwijl de zwaardere component blijft staan.

Voorbeeld

Bij een mengsel van zand en water laat men het zand bezinken. Daarna wordt het water zorgvuldig afgegoten.

5. Centrifugeren

Toepassing

Indien het bezinken van de vaste stof te traag gaat om praktische redenen, wordt het mengsel krachtig rondgedraaid. De centrifugaalkracht versnelt de scheiding van vaste en vloeibare componenten bij verschillende dichtheden.

Voorbeeld

Een slazwierder gebruikt centrifugatiekrachten om via rotatie water uit bladgroenten te forceren. In het laboratorium wordt centrifugatie gebruikt om uit een suspensie (zoals gesuspendeerde cellen in een vloeistof) snel een pellet te verkrijgen.

6. Chromatografie

Scheidingsprincipe

Chromatografie berust op verschillen in oplosbaarheid, adsorptie, polariteit of vluchtigheid tussen de componenten van een mengsel binnen een stationaire en een mobiele fase. Eén of meer componenten bewegen sneller of trager, resulterend in scheiding en identificatie op basis van hun fysisch-chemische eigenschappen.

Functie

Met chromatografie kunnen naast zuivering en scheiding, ook compositieanalyses van complexe mengsels uitgevoerd worden. De plaats waar een component zich aan het eind van het chromatografieproces bevindt is typisch voor die stof en kan kwantitatief geanalyseerd worden.

Voorbeeld

Papierchromatografie wordt gebruikt om kleurstoffen in inkt of voedingsmiddelen te scheiden: verschillende moleculen migreren over het papier met uiteenlopende snelheden door hun verschil in oplosbaarheid en interactie met het papier als stationaire fase.

---

Samenvatting

Een zuivere stof bestaat uit één enkele soort molecule en is homogeen op elk schaalniveau. Zulke stoffen bezitten constante fysische en chemische eigenschappen, en verontreinigen of mengen brengt meteen een meetbare verandering aan in bijvoorbeeld kook- of smeltpunt.

Mengsels omvatten meer dan één soort molecule, met variabele samenstellingen en dus variabele eigenschappen. Homogene mengsels zijn macroscopisch uniform maar bevatten op moleculair niveau verschillende soorten deeltjes; heterogene mengsels zijn zelfs macroscopisch onder te verdelen.

Het correct identificeren van componenten binnen een mengsel en het gebruik van een passende scheidingsmethode is essentieel in laboratoriumpraktijk en industriële chemie. De zes belangrijkste scheidingsmethoden zijn destillatie, filtratie, extractie, afschenken/decanteren, centrifugeren en chromatografie, elk gebaseerd op specifieke fysisch-chemische verschillen tussen de samenstellende delen van het mengsel.

---

Oefenvragen

1. Een oplossing van ethanol in water wordt gedestilleerd. Leg uit welk component het eerst overgaat in de dampfase bij een gefractioneerde destillatie en waarom, en bereken op basis van de molaire fractie ([INLINE_EQUATION]x_{ethanol} = 0,2[/INLINE_EQUATION], [INLINE_EQUATION]x_{water} = 0,8[/INLINE_EQUATION]), de totale partiële dampspanning als de dampspanning boven zuiver ethanol [INLINE_EQUATION]p^*_{ethanol} = 43,9[/INLINE_EQUATION] kPa en boven zuiver water [INLINE_EQUATION]p^*_{water} = 23,8[/INLINE_EQUATION] kPa zijn. Antwoord: Ethanol heeft het lagere kookpunt en zal als eerste verdampen. Totale partiële dampdruk volgens Raoult: $$p_{tot} = x_{ethanol}p^*_{ethanol} + x_{water}p^*_{water}$$ $$p_{tot} = 0,2 \times 43,9 \text{ kPa} + 0,8 \times 23,8 \text{ kPa} = 8,78 \text{ kPa} + 19,04 \text{ kPa} = 27,82 \text{ kPa}$$

2. Geef een realistisch scenario waarin centrifugeren de enige praktische manier is om componenten van een mengsel te scheiden. Onderbouw waarom alternatieve methoden onpraktisch zijn. Antwoord: In medisch laboratoriumonderzoek worden bloedstalen gecentrifugeerd om plasma van bloedcellen te scheiden. Door de hoge dichtheid van de cellen bezinken deze bij centrifugatie snel; filtratie zou de cellen beschadigen, terwijl decanteren langdurig zou duren en onvolledig zou zijn.

3. Benoem een mengsel uit de voedingsindustrie dat succesvol via extractie wordt gescheiden, en geef aan welk extractiemiddel hiervoor gebruikt wordt. Verklaar de keuze voor dit extractiemiddel. Antwoord: Cafeïne wordt uit koffiebonen geëxtraheerd met dichloormethaan of superkritisch koolstofdioxide. Dichloormethaan wordt gekozen wegens zijn selectiviteit en beperkte oplosbaarheid van smaakstoffen zodat deze achterblijven; superkritisch CO$_2$ is minder toxisch en laat geen residuen na.

4. Een staal uit een verontreinigde rivier bestaat uit water, zand, klei, olie en opgeloste zouten. Beschrijf een volledig stappenplan (in correcte volgorde) van scheidingsmethoden om elke component afzonderlijk te verkrijgen. Antwoord: 1. Laat het mengsel staan en decanteer de olie door verschil in dichtheid. 2. Filtreer het residu om zand en klei van het water te scheiden. 3. Centrifugeer het filtraat indien kleideeltjes te fijn zijn voor filtratie. 4. Verdamp het resterende water om de opgeloste zouten te recupereren.

5. Een chromatografie-analyse van een kruisbesextract toont vier aparte banden op het papier. Licht toe welke componenten het verst zijn meegevoerd en wat dit zegt over hun eigenschappen t.o.v. het gebruikte oplosmiddel en het papier. Antwoord: De componenten die het verst zijn meegevoerd door het oplosmiddel zijn het best oplosbaar in het mobiele fase en het minst geadsorbeerd door het papier. Dit duidt op een hoge affiniteit voor het oplosmiddel (bv. polair indien het oplosmiddel polair is) en een lage interactie met de stationaire fase.