Gaschromatografie in de klas Frans Killian, ISW havo/vwo Naaldwijk,

Transcriptie

1 Gaschromatografie in de klas Frans Killian, ISW havo/vwo Naaldwijk, Waarom Gaschromatografie? Leerlingen die het voortgezet onderwijs verlaten denken vaak dat de analisten in een chemisch laboratorium voornamelijk titreren en stofjes bij elkaar doen in reageerbuisjes. Dat is de scheikunde die wij ze hebben geleerd! Een reageerbuis of een buret kom je niet meer zo vaak tegen in het lab. Wat je meestal wel aantreft is een aantal saai uitziende apparaten, aangeduid met afkortingen als GC, HPLC, MS, NMR, MALDI enz. Het is niet nodig om al deze technieken in de klas te bespreken want er zijn een paar duidelijke overeenkomsten tussen al die apparaten. Al deze technieken maken gebruik van kleine hoeveelheden monster. Een computer presenteert een grote hoeveelheid informatie over dit monster op een scherm. Het zou al heel nuttig zijn als we één van deze technieken konden laten zien. Gaschromatografie komt dan het meest in aanmerking. Gaschromatografie is relatief eenvoudig. Het sluit aan bij de papierchromatografie die op veel scholen gedaan wordt. Bovendien kun je de meetcomputer op een zinvolle manier gebruiken in de scheikundeles. Mogelijkheden Er zijn grofweg vier mogelijkheden: 1. Alléén theoretisch behandelen. Gaschromatografie is een praktische aangelegenheid. Dat het lange tijd op veel scholen alleen theoretisch werd behandeld heeft alles te maken met de beschikbaarheid van geschikte apparatuur. 2. Oude afgeschreven GC van SHELL of UNILEVER Een echte GC werkt eigenlijk alleen goed als hij dagelijks gebruikt wordt. Als je hem twee of drie keer per jaar gebruikt kost het een halve dag om alles goed aan de praat te krijgen. Ook heb je cilinders met helium of andere draaggassen nodig. Al heb je het apparaat gratis gekregen, je hebt wél de kosten van het onderhoud. Bovendien staat zo n ding behoorlijk in de weg als je maar een klein kabinetje hebt. 3. Zelf een eenvoudige GC bouwen De vijf mensen die dat kunnen hebben het waarschijnlijk al gedaan. 4. Een eenvoudige GC kopen

2 De laatste jaren zijn er eenvoudige betaalbare apparaten te koop. Deze apparaten vragen weinig onderhoud en werken niet met dure draaggassen maar met lucht uit een aquariumpompje als draaggas. Ontwikkeling van mijn GC Ik ben één van die mensen die alles wat niet te koop is zelf maakt. Zo ook de gaschromatograaf. 1982: Toen bestond mijn gaschromatograaf uit een opgerolde slang met waspoeder, ondergedompeld in een bekerglas kokend water. De detector bestond uit een zorgvuldig afgeregelde brander, waarvan de vlam geel kleurde bij het passeren van een component. Minutenlang zat de hele klas naar een grote stopwatch en het vlammetje te turen. Een mengsel van hexaan en tolueen kon net worden gescheiden. Herkent u dit? : Met de introductie van een universele meetcomputer (de eerste versie van coach) kon er eindelijk een echt chromatogram op een computerscherm worden gemaakt! Ik moest wel eerst een geschikte detector vinden. Lichtintensiteit van de vlam meten met een LDR? Een gloeilampje als katharometer? Vlamionisatie meten? Een taguchi gassensor bleek de beste oplossing. 1996: In 1996 ben ik nauw betrokken geweest bij de ontwikkeling van een aantal lesprojecten met zeolieten. Hierdoor had ik de beschikking over een grote variatie aan zeolieten. Na wat onderzoek bleek een zeoliet van het type Y zeer geschikt als kolompakking voor de scheiding van de allerlichtste koolwaterstoffen (aardgas) bij kamertemperatuur. Een volgende stap was het ontwerp van een handzaam apparaat waarin de bovenstaande bevindingen konden worden toegepast. 1997: In de zomer van 1997 was het eerste prototype van de gaschromatograaf klaar. Aangemoedigd door het enthousiasme van collega s en de vraag vanuit scholen heb ik het apparaat verder ontwikkeld en in de handel gebracht onder de naam nano GLC. De nano GLC werd enthousiast ontvangen. Gezien het grote aantal gebruikers leek het zinvol om te investeren in de ontwikkeling van nieuwe kolommen, om het aantal mogelijke toepassingen te vergroten. 2000: In het najaar van 2000 werd een nieuwe kolom geïntroduceerd Deze apolaire kolom maakt het mogelijk om binnen twee minuten aanstekergas te scheiden in zijn belangrijkste componenten. 2002: In dit jaar verschijnt het boek Experimenten met de nano GLC. 2005: De nano GLC kan niet meer worden gemaakt. In plaats daarvan komt de nano2. De ervaringen met de nano GLC hebben ervoor gezorgd dat de nano2 is ontworpen met een iets langere kolom, een START-knop en een NUL-knop. Demonstratieproef De nano GLC is in eerste instantie ontwikkeld voor demonstratieproeven. Eerst leg ik uit hoe de gaschromatograaf werkt aan de hand van onderdelen van de nano GLC (de kolomoven komt nog niet ter sprake).

3 Dan injecteer ik 0,25 ml aanstekergas op de apolaire kolom. De scheiding gaat vrij snel, dus de leerlingen kunnen live volgen hoe het chromatogram ontstaat. Dit kan heel spannend zijn. Ik laat het chromatogram op het computerscherm staan en herhaal het onderzoek met een andere aansteker, liefst van een leerling uit de klas. De twee chromatogrammen komen dan over elkaar heen op het scherm. Hierbij vinden we exact dezelfde retentietijden met verschillende piekhoogten. Iedereen begrijpt waarom. De aardoliemaatschappijen zijn ook zeer geïnteresseerd in de samenstelling van hun benzine. Benzine is vloeibaar en kan dus niet worden onderzocht met een gaschromatograaf. Of toch? Naar aanleiding van deze vraag komt de kolomoven ter sprake. Dure gaschromatograaf Ook de kwaliteit van de GC kan ter sprake komen. Men streeft naar zo smal mogelijke pieken. Bij een moderne (dure) gaschromatograaf zijn de pieken heel smal.

4 Nu bekend is hoe een gaschromatograaf werkt kunnen we ook een paar andere voorbeelden in de klas bespreken. Benzoylecgonine Een grote psychiatrische kliniek ergens in de duinen geeft heroïneverslaafden de mogelijkheid om af te kicken. De verslaafden worden op vrijwillige basis in de kliniek opgenomen. De afspraak is dat ze tijdens hun therapie van de heroïne af blijven. Als ze toch gebruiken mogen ze niet langer met het afkickprogramma meedoen. Op een bepaald moment is de patiënt zo ver dat hij de kliniek voor het weekend mag verlaten. De maandagochtend daarop moet hij zich melden bij het laboratorium van de kliniek voor een urineonderzoek. De urine wordt eerst uitgeschud met een apolair oplosmiddel. Deze apolaire fractie wordt vervolgens onderzocht met de gaschromatograaf. Dit levert het volgende chromatogram op: Aan het chromatogram is te zien dat urine vele stoffen bevat, terwijl dit slechts een klein deel van de totale hoeveelheid stoffen is. De meeste stoffen zijn achtergebleven in de polaire fractie bij het uitschudden. Ook is goed te zien dat het vluchtige oplosmiddel eigenlijk een mengsel is van tenminste twee stoffen. De piek bij 6,05 minuten wordt veroorzaakt door benzoylecgonine. Dit is een afbraakproduct van opiaten en dus heeft de producent van de urine in het weekeinde gebruikt. De pieken bij 4,86 en 5,28 worden veroorzaakt door interne standaarden. Dit zijn zuivere stoffen die aan het mengsel worden toegevoegd om de ijking van de gaschromatograaf te controleren. Kenmerkend voor een goede gaschromatograaf zijn een groot scheidend vermogen (resolutie) en een grote gevoeligheid. Het belang van beide kenmerken kan aan de hand van bovenstaand voorbeeld duidelijk worden gemaakt. Olieramp

5 Na de aanvaring van de Vicky met de Tricolore op 1 januari 2003 spoelde er met olie besmeurde vogels aan op het belgische strand. De olie uit de tank van de Vicky en de olie op de veren van de vogels werden geanalyseerd. Uit de overeenkomsten tussen de beide chromatogrammen kan worden afgeleid dat de olie op de vogels afkomstig is van de olietanker. Uit de verschillen is af te leiden welke olie van de vogels, en welke van het schip komt. Leerlingexperimenten Leerlingen kunnen ook zelf aan de slag met de gaschromatograaf. Geïnspireerd door het laatste voorbeeld bij de demonstratieproef ontstond de volgende opdracht: Forensisch onderzoek Je krijgt een buisje met aanstekergas en een aantal verdachte aanstekers. Onderzoek met de gaschromatograaf of het gas in het buisje afkomstig kan zijn uit één van de verdachte aanstekers. De resultaten:

6 STAR-LINE BIC ATOMIC

7 MONSTER Polair of apolair Bij de gaschromatograaf liggen twee kolommen, een polaire en een apolaire. Er zitten geen etiketjes op de kolommen, dus we weten niet welke de polaire en welke de apolaire kolom is. Gebruik propanon en pentaan om dit te onderzoeken. Voor deze opdracht is eerst een beetje theorie nodig. Resultaten:

8

9 Het verband tussen de netto retentietijd en het aantal C-atomen Er blijkt een lineair verband te bestaan tussen de logaritme van de netto retentietijd en het aantal C-atomen van verbindingen in een homologe reeks. Leerlingen kunnen dit onderzoeken met de alkanen t/m hexaan. Wat is de ideale draaggasstroomsnelheid? Wat is de ideale kolomlengte? Bij welke temperatuur is de scheiding van propaan en methylpropaan het beste? Om antwoorden op deze vragen te kunnen geven moet de kwaliteit van de scheiding worden gemeten. In de literatuur vind je als kwaliteitskenmerken het schotelgetal en de schotelhoogte. Het schotelgetal (N) geeft aan hoeveel schotels een chromatografisch systeem heeft en wordt berekend uit de retentietijd van een piek en de breedte van die piek op de halve hoogte. N = tr 5,54 Wh 2 De schotelhoogte (H) is de lengte van de kolom, gedeeld door het aantal schotels.

10 H = L N Men streeft naar zo laag mogelijk waarden van H. In de praktijk blijkt het echter niet zo te zijn dat een kleinere schotelhoogte ook een betere scheiding betekent! Kijk maar eens naar de volgende voorbeelden. Het zijn chromatogrammen van hetzelfde aanstekergas (STAR-LINE), bij verschillende temperaturen gemaakt met de nano GLC. H = 2,05 mm H = 3,85 mm Het rechter chromatogram laat een beter scheiding zien, ondanks de grotere schotelhoogte! Overlappingsgraad Een andere manier om de kwaliteit te meten is met de overlappingsgraad (O). De overlappingsgraad is een getal dat verhouding aangeeft tussen de hoogte van het dal tussen twee pieken en de gemiddelde hoogte van die twee pieken. Een kleinere overlappingsgraad betekent een betere scheiding. Als we deze methode toepassen op het vorige voorbeeld zien we dat het beter werkt.

11 H = 2,05 mm O = 0,228 H = 3,85 mm O = 0,097 Overlappingsgraad meten met de computer Omdat de chromatogrammen worden gemaakt met de computer is het makkelijker om de overlappingsgraad te berekenen uit de coördinaten van de pieken en het dal. Dit kan met een rekenmachine of met een spreadsheet.