Jak mieszać aby nie namieszać

Chemia domowa w porównaniu z tą, z jaką studenci spotykają się na zajęciach, jest zdecydowanie uboższa w odczynniki i zastosowania. Ot tyle aby mieć czym zmyć brud, wyszorować posadzkę, rozpuścić kamień czy rdzawy osad po wodzie. W porównaniu z takimi odczynnikami jak chlorowodorek hydroksyloaminy, stężony kwas siarkowy czy oranż metylowy, jest to tyle co nic. A jednak nie oznacza to, że ta minimalna ilość chemikaliów jest w porównaniu z ich laboratoryjnymi odpowiednikami, zupełnie bezpieczna dla absolutnych chemicznych laików.
Z pewnością każdy student, czy choćby uczeń liceum, który miał zajęcia w laboratorium, spotkał się z którymś z tych wierszyków o młodym chemiku chcącym mieszać kwasy i wodę. To dosyć dobry sposób aby przyswoić sobie pewne postawy BHP choć mogłoby być ich więcej* W zasadzie jednak poza ogólnymi poradami na etykietach, gospodarz domowy lub gospodyni mająca zajmować się we własnej łazience rozmaitymi chemikaliami nie ma zbyt dużej wiedzy o tym w jakim zakresie należy zachowywać ostrożność. Takie ogólne rzeczy, jak nie próbować, myć ręce po użyciu czy uważać aby nie wpadło do oka, zasadniczo są znane, natomiast jedną z rzeczy w jakiej często popełniamy błędy, jest kwestia równoczesnego użycia różnych środków.

Jedne wybielacze usuwają plamy, inne płyny usuwają rdzę, osady na szybach czy kamień w wannach. Jedne są dobre na tłuste zabrudzenia, inne na przebarwienia ceramicznych powierzchni. Jedne są na metal inne na porcelanę. Do wyboru, do koloru.
Często gdy używamy rozmaitych środków czyszczących pragniemy wzmocnić ich działanie. Dolewamy więc jeden do drugiego sądząc, że razem będą lepiej działały. I czasem kończy się to chemiczną katastrofą...

Zasadniczo domowe chemikalia można podzielić na trzy główne grupy: wybielacze, zmywacze i nawaniacze. Te ostatnie mnie tu mało interesują, bo z wyjątkiem możliwości zapalenia się dezodorantu czy uczulenia, właściwie rzadko mieszamy je z czymś innym, natomiast te dwie pierwsze dzielą się na kilka zasadniczych grup.

Wybielacze mają za zadanie zniszczyć strukturę silnie barwnych związków odpowiadających za zabrudzenia wnikające w głąb czyszczonych powierzchni i bądź to odbarwić je bądź to ułatwić wymycie. Najczęściej są to związki o silnym działaniu utleniającym, tylko w niektórych przypadkach trafiają się reduktory o przeciwnym działaniu, na przykład w środkach ochronnych do tkanin. Najbardziej charakterystyczną grupą są tutaj wybielacze chlorowe. Najczęściej są to chlorany II, sole słabego kwasu chlorowego, łatwo rozkładające się z wydzieleniem aktywnego tlenu i niewielkiej, ale wyczuwalnej, ilości chloru. W płynnych wybielaczach jest to zazwyczaj podchloryn sodu NaClO lub chloryn sodu NaClO₂. Sole te są jednak stosunkowo trwałe tylko w silnie zasadowych warunkach, stąd zwykle preparaty takie zawierają dodatek wodorotlenku sodu i zaczynają przez to nabierać właściwości żrących.
Inny typ zawiera nadtlenki - może być to płynny nadtlenek wodoru, czyli woda utleniona, ale także nadboran lub nadsiarczan sodu, a więc sole zawierające ugrupowanie nadtlenkowe -O-O-, częste jako sypkie składniki proszków wybielających. Nadtlenki bardzo łatwo rozkładają się wydzielając tlen, w pierwszej chwili w formie bardzo aktywnych pojedynczych atomów. Takie środki mają działanie drażniące i żrące w większych stężeniach.

Natomiast typowe środki czyszczące najczęściej są detergentami, mającymi za zadanie zmyć tłusty brud i stałe osady, a więc substancjami powierzchniowo czynnymi, ułatwiającymi wodzie zmycie tłuszczu. Zależnie od przeznaczenia zawierają chemiczne dodatki - te mające rozpuszczać kamień i osady zawierają kwasy, zwykle organiczne, te mające usuwać rdzawe zacieki zawierają kwas fosforowy. Wiele środków do powierzchni metalowych lub szkła zawiera sole amonowe co daje się poznać po charakterystycznym zapachu.

Jakie zaś są te niebezpieczne mieszanki?

Wybielacze chlorowe + kwasy
Jak to już wspominałem, wybielacze chlorowe są trwałe w warunkach silnie zasadowych, toteż po zmieszaniu z sokiem z cytryny, octem lub silnie kwaśnymi płynami czyszczącymi do muszli klozetowych, zaczynają się rozkładać. Podchloryny będą wówczas wydzielały dużą ilość chloru i również tlenek chloru o podobnie toksycznych właściwościach:

2NaClO + 2 CH₃COOH → Cl₂O + H₂O + CH₃COONa

2NaClO + 4 HCl → Cl₂ + H₂O + NaCl

Chlor ma nie tylko silne działanie drażniące, ale także jest trujący. Powoduje podrażnienie oczu i błon śluzowych. Wdychany w większych ilościach podrażnia płuca i może doprowadzić do śmierci.

Wybielacze chlorowe + sole amonowe
Jeśli zmieszamy zazwyczaj kwaśne środki zawierające amoniak z wybielaczami, dojdzie między nimi do reakcji, w wyniku której może wydzielać się chlor, jednak największe znaczenie mają powstające chloraminy - jedno, dwu lub trójpodstawione:

NH ₃ + NaOCl → NH ₂ Cl + NaOH

NH ₂ Cl + NaOCl → NHCl ₂ + NaOH

NHCl ₂ + NaOCl → NCl ₃ + NaOH

są to lotne związki o bardzo silnym działaniu drażniącym i łzawiącym. Nawet krótka ekspozycja wywołuje problemy z oddychaniem. Niektórzy wiążą powstawanie tych związków na publicznych basenach (źródłem amoniaku jest mocznik z potu i moczu) z częstszą astmą u dzieci. Trichlorek azotu w większych stężeniach staje się niestabilny, w wyniku byle impulsu może eksplodować. Spotkałem się kiedyś z opisem wybuchu sławojki po zasypaniu dołu kloacznego wapnem chlorowanym. Źródłem amoniaku może być mocz, stąd nie poleca się używać wybielacza do prania pieluch.

Sole amonowe + alkalia
Sole amonowe są nietrwałe w środowisku zasadowym - łatwo wówczas wydziela się z nich amoniak, co w skali laboratoryjnej już pokazywałem, będący gazem o silnym zapachu ale szybko porażającym węch. Podobnie jak chlor jest gazem silnie trującym, powodującym trwałe uszkodzenie płuc.

Wybielacze chlorowe + aceton
Nie zdarza się to często, ale niektórzy próbują przy szczególnie trudnych zabrudzeniach łączyć te dwa środki. Efekt jest równie zły co dla mieszaniny z solami amonowymi - w wyniku reakcji powstaje chlor, chloroform i chloroaceton. Najsilniejszy jest ten trzeci, mający działanie łzawiące i duszące. Spotkałem się z opisem wypadku gdy dwie osoby trafiły do szpitala po zmieszaniu stężonego wybielacza ze zmywaczem do paznokci, podczas próby usunięcia smaru ze spodni. Tworzenie się chloroformu to wynik reakcji haloformowej, charakterystycznej dla metyloketonów, nie powstaje go jednak tyle aby od niego usnąć.

Jeśli chodzi o mieszanki wybielaczy chlorowych i nadtlenków, to będą rozpadać się z wydzieleniem tlenu. Uboczne reakcje spowodują powstanie też chloru, wprawdzie w niezbyt dużych ilościach, ale mogących powodować podrażnienia. Trudno mi natomiast powiedzieć czy z mieszanin proszków wybielających z nadtlenkami i acetonu, może powstawać wybuchowy nadtlenek acetonu.

 Postarałem się podsumować to w tabeli mieszania, takiej jakie są dostępne do nawozów i środków ochrony roślin:

Gejzer
Z innych niebezpiecznych reakcji należy wspomnieć o niebezpieczeństwie związanym z środkami do przetykania zlewów i proszkami czyszczącymi pieniącymi się po zwilżeniu. Produkty takie zazwyczaj zawierają sodę kaustyczną, czasem z dodatkiem proszku metalicznego. Soda zmydla tłusty zaczop w rurze ułatwiając jej przetkanie. Niestety niektórzy łączą to ze starym sposobem nalewania do zlewu wrzątku. Każda mocna zasada i kwas rozpuszczane w wodzie wydzielają dużo ciepła. Czasem tak wiele ze mieszanka może zawrzeć - i przed tym ostrzega wierszyk chemików. Łatwo zatem domyśleć się, że gdy wsypiemy do zatkanej rury Kreta albo podobny produkt, i zalejemy gorącą wodą, żrąca mieszanka zagotuje się i wykipi, a czasem zanim rura odetka się może nawet wytrysnąć, niejednokrotnie wprost w twarz przetykającego.
Gdy środki tego typu pojawiły się na rynku, w kraju zanotowano kilkanaście przypadków poparzenia lub nawet utraty wzroku właśnie w wyniku takich wypadków.

Czy domowe chemikalia można czymś zastąpić? Kamień może usunąć sok z cytryny lub ocet, zabrudzenia na ceramice i metalu świetnie zmyje soda. Szyby można umyć mieszanką amoniaku do ciasta i spirytusu. Ale całkiem zrezygnować z chemikaliów jest trudno.
Dlatego lepiej, w miarę możliwości, używać ich rzadko i ostrożnie.


"Amoniak i acze
zatruje cię raczej"

Post  scriptum:
Miło mi widzieć, że post wzbudził aż tak duże zainteresowanie, przez trzy dni przejrzało do 20 tysięcy osób. Właśnie stwierdziłem że na portalu odkrywcy.pl pokazał się artykuł na ten temat ze zdecydowanie ładniejszą infografiką i oparty, jak widzę po podpisie inforgafiki, na moim artykule. Pojawiło się tam jednak kilka stwierdzeń, które dobrze byłoby sprostować - działanie wybielaczy chlorowych nie polega na tym, że utleniają się one; chlorany są silnymi utleniaczami i utleniają one inne substancje, same zaś oczywiście ulegają tym samym redukcji. Ocet nie jest silnie kwasowy, ale wystarczająco aby rozłożyć chlorany, większe jednak niebezpieczeństwo wywołują środki do czyszczenia toalet zawierające silne kwasy.
---------
* wymyśliłem na przykład taki, zniechęcający do organoleptycznego zapoznawania się z odczynnikami:
 "Aby ustrzec się od śmierci, nic nie próbuj ani ćwierci".
Albo inny wychwalający zalety stosowania fartucha
"Pamiętaj o tym chemiku strojny, 
jeśliś o ubiór swój niespokojny: 
gdy wokół wszystko kipi i bucha, 
zawsze używaj na wierzch fartucha"

Benzen w napojach

 Od roku nie mogę dokończyć tego wpisu a już dawno go zapowiadałem.

Reakcja jaką chcę teraz opisać, jest na tyle nietypowa, że każdy mający jakieś pojęcie o chemii słysząc o niej, zachodzi w głowę jak to możliwe. Benzoesan sodu pod wpływem witaminy C zamienia się w benzen.

O benzoesanie sodowym i jego właściwościach już pisałem w osobnym artykule - związek raczej nieszkodliwy, powszechny w kwaśnych produktach, chroniąc je przed powstawaniem pleśni. Również witamina C  w zasadzie jest dobrze znana.
Chemicznie rzecz biorąc jest to kwas askorbinowy, będący w zasadzie pochodną glukozy, najczęściej występującą w formie pięciokątnego laktonu, jest to też ciekawy przykład kwasu organicznego, który nie zawiera grupy karboksylowej. Stosunkowo łatwo ulega utlenieniu, będąc dobrym reduktorem a tym samym ma właściwości antyoksydacyjne. Jest dla naszego organizmu niezbędną substancją, biorącą udział w syntezie hormonów, wzmacnianiu naczyń krwionośnych i równowadze komórkowej, nie odpowiada natomiast za odporność na choroby, wbrew temu co mówią reklamy.

Natomiast trzecia substancja, benzen, jest związkiem szkodliwym. Ten najprostszy węglowodór aromatyczny ma cząsteczkę o kształcie regularnego sześciokąta. Odkryty w połowie XIX wieku w smole pozostałej po zgazowaniu węgla, przysporzył chemikom wielkich problemów w ustaleniu struktury. Jest najbardziej charakterystycznym przedstawicielem grupy związków aromatycznych - to jest zawierających sprzężone układy elektronów Pi zdelokalizowanych w całym pierścieniu. Zgodnie z nazwą wiele związków o takich właściwościach posiada  charakterystyczny aromat - benzen ma słaby zapach, określany jako słodki; z dodaną grupą aldehydową staje się migdałowym benzaldehydem, który po dodaniu naprzeciwko grupy metoksylowej staje się aldehydem anyżowym.
W tej historii jednak najistotniejsze są jego właściwości zdrowotne. Podobnie jak inne lotne rozpuszczalniki organiczne jest trujący przy wdychaniu. Ponadto już dawno temu udowodniono że jego metabolity uszkadzają szpik i prowokują rozwój białaczki. Z tego powodu jego dawniej powszechne stosowanie w przemyśle, zostało w znacznym stopniu ograniczone, jest też niedozwolony w dydaktyce szkolnej, przez co przez całe studia nie miałem okazji go nawet powąchać.

Pierwsze informacje o benzenie w napojach pochodziły z lat 80 i początku 90. lecz dotyczyły przypadków użycia do ich produkcji zanieczyszczonej nim wody. Jednak niektórych przypadków nie dawało się w ten sposób wytłumaczyć. Woda użyta do produkcji niektórych napoi była czysta, czyste były składniki, a tymczasem badania gotowych produktów wykazywało istnienie w nich śladowych ilości tego węglowodoru. Jedynym wyjaśnieniem było to, że musi w jakiś sposób powstawać w samym produkcie.
Zaczęto więc sprawdzać różne napoje pod kątem kombinacji składników, stwierdzając, że za każdym razem chodziło o połączenie: kwaśny napój + woda źródlana + witamina C + benzoesan sodu[1]. Co takiego jednak zachodziło?

Pierwsza praca z 1993[2] roku proponowała dosyć nieoczekiwany mechanizm. Na pierwszym etapie mający właściwości redukujące kwas askorbinowy, reagował z kationem metalu przejściowego, obecnego w wodzie, powodując jego redukcję do formy o niższym stopniu utlenienia. Ta z kolei reaguje z tlenem rozpuszczonym w napoju, powodując jego częściową redukcję do anionu nadtlenkowego. Ten przyjmuje pprotony z kwaśnego środowiska tworząc nadtlenek wodoru - czyli wodę utlenioną.
Nadtlenek wodoru reaguje z obecnymi w roztworze zredukowanymi kationami metalu, rozpadając się na jon hydroksylowy i rodnik hydroksylowy. Ostatni etap jest identyczny z zachodzącym w odczynniku Fentona - mieszaninie wody utlenionej i soli żelaza II, używanej do utleniania zanieczyszczeń.

Rodniki to takie atomy lub cząsteczki, które posiadają jeden elektron nie do pary. Każdy elektron jest obdarzony spinem - a więc momentem magnetycznym wynikłym z wewnętrznych ruchów ładunku. Spin ten może przyjmować dwie wartości: +1/2 i -1/2, odpowiadające przeciwnym zwrotom momentu magnetycznego. W takiej sytuacji elektrony zachowują się jak dwa magnesy sztabkowe, obrócone o 180 stopni - przyciągają się, mimo odpychania elektrostatycznego. Z tego powodu elektrony w powłokach wokół atomu najchętniej łączą się w pary. Powstawanie takich par jest przyczyną powstawania wiązań chemicznych.
Jeśli jednak zdarzy się taki wypadek, że jakaś para zostanie rozdzielona, osamotniony elektron poszukuje partnera - i znajdując go w innej cząsteczce doprowadza do reakcji.

Rodnik hydroksylowy należy tutaj do najbardziej agresywnych - ma bardzo dużą skłonność do odbierania elektronów innym cząsteczkom - a więc utleniania ich. Pół biedy gdy takiej reakcji poddaje się cząsteczka wody czy cukru, ale gdy rodnik taki powstanie wewnątrz organizmu, powoduje uszkodzenie białek, lipidów i cząsteczek DNA. Z tego powodu są to cząsteczki najbardziej niebezpieczne dla ustroju.

W naszym jednak przypadku reaktywność rodników jest przyczyną takiego a nie innego przebiegu dalszej reakcji. Gdy rodnik zetknie się z naszym benzoesanem, odbierze mu elektron, przez co cząsteczka ta sama staje się rodnikiem benzylowym. Jest to rodnik bardzo nietrwały - łatwo ulega przegrupowaniu z odszczepieniem dwutlenku węgla. Po tej dekarboksylacji w roztworze pozostaje jedynie nasz benzen.

Czy jednak ten efekt, symulowany w warunkach laboratoryjnych, rzeczywiście występuje w tak skomplikowanych mieszaninach, jak napoje? Skrupulatne badania pokazały, że tak.
W pewnym belgijskim badaniu [3] po sprawdzeniu 134 dostępnych na rynku napoi, benzen wykryto w 20%, z czego w kilku ilość przekraczała maksymalny dopuszczalny poziom dla wody pitnej (1 ppb dla Europy). W podobnym badaniu w USA benzen wykryto w kilkunastu procentach napoi, w czterech przekroczony został amerykański dopuszczalny poziom 5 ppb, w dwóch przypadkach norma ta została przekroczona w koncentratach owocowych aż 20-krotnie[4]. Napoje te zostały wycofane. Podobne wyniki uzyskali kanadyjczycy[5].
A w Polsce?

Na szczęście pod względem badań analitycznych, nie jest u nas tak źle. W badaniu w 2008 roku sprawdzono 60 napoi, śladowe ilości benzenu wykryto w prawie połowie, jednak tylko 11 zawierało go więcej niż dopuszcza polska norma dla wody pitnej. Najwyższe poziomy stwierdzono w "Snipp orange" i "Hoop fruti pomarańcza" a z soków owocowych w soku żurawinowym, zawierającym naturalne benzoesany[6]
 Zatem benzen istotnie pojawia się w tej reakcji. Pozostaje jednak pytanie, czy te wartości są szkodliwe?
Dzienne pobranie benzenu tą drogą oceniono na 10% pobrania z innych źródeł. Ze względu na występowanie w ropie naftowej i podobną temperaturę wrzenia, benzen występuje w benzynie. Opary rozlanej benzyny będą więc go zawierały. Stąd wraz z niespalonymi resztkami przedostaje się do spalin, będąc stale obecny w miejskim powietrzu. Jeszcze więcej benzenu zawiera dym papierosowy, zatem palenie czy też czynne czy bierne, zwiększa narażenie kilkunastokrotnie. Wobec tych ilości, to co mogą zawierać napoje stanowi tak małą ilość, że dla nawet najbardziej zanieczyszczonych trzeba by wypić 20 litrów dziennie, aby tym samym dostarczyć sobie go tyle, ile daje go nam całodzienne oddychanie miejskim powietrzem[7].
Dokładne wyliczenia pokazują, że wzrost ryzyka nowotworu w wyniku ekspozycji z tego źródła jest ledwie istotny statystycznie, i nie przekracza prawdopodobieństwa 1:1000000.[8] Oznacza to że pijąc takie napoje nie dostaniemy skrętu kiszek czy raka żołądka.

Skoro tak - zapyta ktoś - skoro to jest tak mały efekt, to o co cały ten szum? A o to, że z kancerogenami jest tak, że im ich mniej, tym lepiej. Może nie uda się nam natychmiast radykalnie poprawić powietrza w miastach ani skłonić ludzi do rzucenia palenia, ale obligując producentów aby przeciwdziałali tej reakcji robimy mały i szybki krok w dobrą stronę.

Amerykańska FDA zobowiązała producentów do działań, mających zmniejszyć występowanie tej reakcji. reakcję można zahamować przez dodatek EDTA - środka chelatującego metale, uniemożliwiając im katalizowanie produkcji rodników. Inna opcja to napełnianie butelek w atmosferze azotu, aby do środka nie dostał się tlen. Niektóre firmy, jak Coca Cola wycofują benzoesan sodu, na rzecz sorbinianu lub bardziej sterylnej linii produkcyjnej. Nie wiem natomiast czy w Polsce ten problem jest w jakiś sposób zwalczany. Nie znalazłem na ten temat żadnych informacji.
Jeśli zaś chcecie ustrzec się przed takimi napojami, to uważajcie też na żurawinę - zawiera bardzo dużo naturalnych benzoesanów, wystarczy więc zmieszać ją z sokiem pomarańczowym i...
--------
Źródła:
[1] Department of Health and Human Services. Summary of Information on Benzene Formation inFood Products. Memorandum, January 18, 1991
[2] Gardner, L., & Lawrence, G. (1993). Benzene production from decarboxylation of benzoic acid in the presence of ascorbic acid and a transition-metal catalyst Journal of Agricultural and Food Chemistry, 41 (5), 693-695 DOI: 10.1021/jf00029a001
[3] Van Poucke, C., Detavernier, C., Van Bocxlaer, J., Vermeylen, R., & Van Peteghem, C. (2008). Monitoring the Benzene Contents in Soft Drinks Using Headspace Gas Chromatography−Mass Spectrometry: A Survey of the Situation on the Belgian Market Journal of Agricultural and Food Chemistry, 56 (12), 4504-4510 DOI: 10.1021/jf072580q
[4] http://www.fda.gov/Food/FoodborneIllnessContaminants/ChemicalContaminants/ucm055815.htm
[5] http://www.hc-sc.gc.ca/fn-an/alt_formats/hpfb-dgpsa/pdf/securit/benzene_follow_hra-ers-eng.pdf
[6] Małgorzata Jędra, Andrzej Starski, Halina Gawarska, Dorota Sawilska-Rautenstrauch , WYSTĘPOWANIE BENZENU W NAPOJACH BEZALKOHOLOWYCH,  BROMAT. CHEM. TOKSYKOL. – XLI, 2008, 3, str. 382–388 
[7] http://www.nzfsa.govt.nz/consumers/food-safety-topics/chemicals-in-food/benzene/index.htm
[8] Haws, L., Tachovsky, J., Williams, E., Scott, L., Paustenbach, D., & Harris, M. (2008). Assessment of Potential Human Health Risks Posed by Benzene in Beverages Journal of Food Science, 73 (4) DOI: 10.1111/j.1750-3841.2008.00730.x  

O benzoesanie i tym dlaczego nie jest taki straszny Tutaj.

Wiosenny zjazd SSPTchem

W przyszły czwartek będę miał okazję pojawić się w szerokim świecie. Wprawdzie to pojawienie się będzie miało zakres bardzo skromny, ale zawsze to jakiś początek. Oto bowiem zgłosiłem się jako uczestnik na wiosenny zjazd Studenckiej Sekcji Polskiego Towarzystwa Chemicznego w Przewięzi pod Augustowem i będę na nim wygłaszał krótkie wystąpienie ustne.

Zjazdy tego typu, choć z wyglądu bardzo podobne do pełnoprawnej konferencji naukowej, mają z reguły ten cel podstawowy, aby różni pasjonaci z innych części kraju mogli się poznać. W tym konkretnym przypadku czytelnicy bloga którzy znajdą się na zjeździe - a przecież niewykluczone że kilku się pojawi - będą mieli okazję poznać jego autora*.
Jeśli chodzi o temat prezentacji, to postanowiłem wybrać taki, z którym od dłuższego czasu zmagam się tutaj - to jest z tą nieszczęsną reakcją kwasu benzoesowego z witaminą C, na który to temat odpowiedniego wpisu nie mogłem ukończyć od dłuższego czasu. Wybór taki ma tą zaletę, że przygotowując się na konferencję mogłem wreszcie ukończyć ten wpis, który jest teraz na etapie uzupełniania źródeł i zostanie tak ustawiony, aby ukazał się, gdy już będę na miejscu. Tytuł wystąpienia to "Reakcje rodnikowej dekarboksylacji w produktach spożywczych a zagrożenie toksykologiczne" - przy czym patrząc na niego dzisiaj mam wrażenie, że jednak sformułowałem go niezbyt zręcznie. Człon "zagrożenie" sugeruje sprawę poważniejszą niż jest faktycznie i brzmi szumnie, z kolei człon "reakcje" nie zupełnie pasuje, w sytuacji gdy z ledwością udało mi się znaleźć drugą reakcję podobnego mechanizmu. Ale cóż - już dawno zgłosiłem i dziś nie zmienię.

Czy na pewno nikt nie ma żadnych pytań?

Oczywiście po powrocie postaram się wrzucić tu jakąś dłuższą relację.
--------
* i przekonać się że jest gadatliwym studentem o skłonnościach do długotrwałego nieróbstwa

Spektrofotometryczne oznaczanie kofeiny w kawie.

Kolejny raz zajmowałem się na zajęciach oznaczaniem kofeiny, ale tym razem w całkiem inny sposób. Poprzednio, jak to pisywałem, wyodrębniałem kofeinę z naparu herbacianego techniką SPE a zawartość wyznaczałem chromatograficznie przez porównanie ze wzorcem. Tym razem postąpiłem jednak inaczej.

Kawa, to napój robiony ze zmielonych nasion krzewu kawowego. Najstarsze wzmianki o niej pochodzą dopiero z końcówki średniowiecza, bez wątpienia jednak musiała być znana od dawna w plemionach górzystej Etiopii. Krzew owocuje czerwonymi jagodami o dużej pestce, która jest wyłuskiwana i suszona (w niektórych łagodnych odmianach pestki poddaje się enzymatycznej fermentacji podobnie jak w przypadku herbaty).  Pestki, nazywane teraz ziarnem kawowym, są następnie poddawane procesowi palenia - przypiekanie w wysokiej temperaturze powoduje częściową degradację substancji o roślinnym posmaku. Jednak powodem dla którego kawę się praży, jest nadanie jej właściwego smaku i zapachu.
W pierwszej fazie następuje karmelizacja cukrów prostych i skrobi w ziarnie; dalsze pieczenie powoduje, że cukry zaczynają reagować z białkami w ciągu skomplikowanych reakcji Maillarda. Powstające produkty tych często nieprzewidywalnych reakcji odpowiadają za silny i zróżnicowany aromat i smak ostatecznego produktu. Czas palenia i temperatura wpływają na stopień przemiany a tym samym na siłę i bukiet aromatu, toteż zależnie od techniki wyróżnia się różne odmiany kawy - na przykład kawa lekka (New England) była pieczona do momentu pierwszego pęknięcia ziarna. Pestki mogą być podpiekane długo w niskich temperaturach, lub szybko w wysokich; palone dwa razy w różnych temperaturach; szybko schładzane lub powoli. To wszystko wpływa na jakość ostatecznego produktu.
Kawa bezkofeinowa jest otrzymywana przez ekstrakcję nadkrytycznym dwutlenkiem węgla zmielonej kawy zielonej. Kawa rozpuszczalna przez zagęszczanie i liofilizację naparu. Ja sam osobiście nie piję kawy.

Spektrofotometria UV/VIS, podobnie jak innozakresowe techniki tego typu, opiera się na jednej podstawowej zasadzie - prawie Lamberta-Beera.W zasadzie są to dwa prawa dotyczące absorpcji w roztworach, które można połączyć w jedno. Zanim je objaśnię przejdę jednak do podstaw.
Różne ciała oddziałują ze światłem w różny sposób. Mogą całkowicie nie przepuszczać go przez siebie, mogą przepuszczać ale częściowo albo mogą przepuszczać całkowicie, jedynie załamując je zależnie od kształtu i gęstości. Aby jakoś ilościowo to opisać, porównujemy natężenia wiązki która wchodzi do ciała i wiązki która przezeń przechodzi, wedle rysunku:

Transmitancja (T) to po prostu stosunek natężeń, często wyrażany w procentach, mówiący jaka część światła przenika przez ciało. Częściej jednak stosuje się wartość nazywaną Absorbancją, będącą ujemnym logarytmem transmitancji, która jest o tyle wygodniejsza, że absorbancje różnych substancji w roztworze, można wprost dodawać do siebie tworząc A. ogólną.

Znając te podstawowe prawidła, możemy zrozumieć w jaki sposób próbowano powiązać absorpcję światła przez ciała, z ich rozmiarami lub stężeniem.
Na samym początku, w roku 1729, Pierre Bougher stwierdził, że natężenie światła przechodzącego przez ciało, maleje wykładniczo z jego grubością. A więc czym grubsza warstwa pochłaniająca, tym mniej światła przez nią przechodzi. Kilka dekad po nim to samo prawo opublikował niejaki Lambert. Z matematycznego opisu tego prawa wymikało, że różne substancje muszą posiadać charakterystyczny dla siebie wspólczynnik mówiący o ich zdolności do pochłaniania światła.
Następnym badaczem był August Beer, który badając absorpcję światła przez roztwory tych samych substancji, w naczyniu tej samej grubości, ogłosił w 1852 roku że absorpcja w takim przypadku zależy z grubsza liniowo od stężenia.
Jeśli uznać za ciało pochłaniające warstwę zabarwionego roztworu, to oba prawa można złożyć w jedno mówiące, że absorbancja roztworu zależy liniowo od - grubości warstwy roztworu l ; stężenia C ; i własnej zdolności absorpcyjnej ε , co określa się wzorem:

A = ε l C

Jest to prawo raczej przybliżone, z odchyleniami dla stężeń bardzo małych i bardzo dużych, jest jednak wystarczająco użyteczne, aby wykorzystać je w chemii analitycznej. Już po koniec XIX wieku zbudowano pierwszy użyteczny przyrząd pozwalający, w oparciu o te prawa, porównać stężenia roztworów - Kolorymetr Duboscq:

Było to proste urządzenie - do jednej z dwóch, jednakowo jasno podświetlonych rurek wlewano roztwór wzorca o znanym stężeniu, do drugiej roztwór badany i do obu wprowadzano szklane pręty. Patrząc na natężenie światła przechodzącego opuszczano bądź jeden, bądź drugi pręt dopóty, aż jasności po obu stronach się zrównały. Głębsze zanurzenie pręta, zmniejszało grubość warstwy między dnem rurki a końcem pręta, a tym samym grubość warstwy roztworu przez jaką przechodziło światło. Ze znanego stężenia roztworu wzorcowego i stosunku grubości warstw roztworów, można było wyliczyć stężenie nieznanego roztworu.
Urządzenie stało się pierwszym przyrządem analitycznym, używanym na przykład w medycynie - po przeprowadzeniu odpowiednich reakcji, zamieniającej składniki moczu lub osocza w barwne produkty, można było oznaczać zawartość białka w moczu lub cukru we krwi.

Współcześnie jednak technika znacznie ułatwiła nam pomiar i zwiększyła jego dokładność, używając fotometrów mierzących natężenie wiązki przechodzącej. Takiego też przyrządu używaliśmy na ćwiczeniu.

Pierwszym krokiem dla wykonania oznaczenia było wybranie kawy - na stanie laboratorium była tylko rozpuszczalna Pedros firmy Ellite:

Z niej odważyliśmy ok 0,05 g w trzech próbkach i zalaliśmy 10 ml gorącej wody, tworzac napar:

zawierający całą kofeinę, ale też resztki białek, polifenole i inne silnie zabarwione substancje, które przeszkadzałyby w oznaczaniu. Należało więc tą kofeinę od całej reszty oddzielić, jednak zamiast techniki SPE, jakiej używałem na ćwiczeniu z herbatą, skorzystałem z techniki bardziej klasycznej - ekstrakcji rozpuszczalnikiem organicznym.
Napar po przestudzeniu wlewaliśmy do rozdzielacza i dodawaliśmy chlorku metylenu - bardzo lotnego rozpuszczalnika. Zamiast jednak zazwyczaj wykonywanego silnego wstrząsania, jedynie "przelewaliśmy" ciecze we wnętrzu, pozwalając się im niezbyt gwałtownie przelewać. Kofeina jest w chlorku metylenu stosunkowo dobrze rozpuszczalna, ale ciemne barwniki kawy także; ostrożne mieszanie miało jak najbardziej zmniejszyć ten niepożądany efekt.

Gdy już wytrząsnęliśmy pierwszą porcję odlewaliśmy cięższy roztwór organiczny i do  tej samej raz ekstrahowanej cieczy dolewaliśmy następną porcję rozpuszczalnika. A gdy podobnie przemieszaliśmy je i odlaliśmy chlorek metylenu, powtórzyliśmy ekstrakcję po raz trzeci. Chodziło po prostu o to, aby wyciągnąć z naparu praktycznie całą kofeinę.
Każdy napar z każdej próbki ekstrahowaliśmy osobno, zbierając warstwę organiczną do trzech osobnych próbówek. Jak widać nie zawsze udawało się uniknąć zanieczyszczenie naparem wodnym. Ostatnie kropelki odciągnęliśmy pipetką

Mając już roztwór zawierający kofeinę, należało nią z niego wyodrębnić - toteż przelaliśmy go do porcelanowej parownicy i odparowaliśmy niskowrzący rozpuszczalnik na łaźni piaskowej. Tak, wiem, że to mało oszczędny sposób, ale tak było w przepisie. Gdy rozpuszczalnik wrzał zauważyłem na jego powierzchni ciekawe zjawisko "pływającej kropli" - czy też raczej pół-antybańki.
Normalna bańka składa się z gazu oddzielonego od gazu zewnętrznego cienką błonką cieczy, napiętą przez detergent powierzchniowo czynny. W szczególnych warunkach można jednak stworzyć układ dokładnie odwrotny - kropla cieczy oddzielona od reszty błonką powietrza. Taka antybańka unosi się swobodnie wewnątrz roztworu.
Zjawisko jakie obserwowałem stanowiło coś pośredniego - kropelka cieczy unosiła się na powierzchni roztworu, będąc od niego oddzielona błonką powietrza, ale tylko na spodniej stronie. Powietrze to zmniejsza tarcie między kroplą a resztą roztworu na tyle, że kropla bardzo szybko śmiga począwszy od miejsca powstania. Jest to zjawisko obserwowane bardzo często, widziałem je na kałużach do których wpadał strumień deszczówki, na mieszanej herbacie, u podnóża wodospadów a nawet wewnątrz muszli klozetowej podczas załatwiania małej potrzeby fizjologicznej. Także gdy kran w laboratorium kapie na cienką warstwę wody na dnie zlewów, też widzę kropelki szybko śmigające po tej warstewce.
Te "połkrople" czy też jak ja nazywam, pływające krople, na powierzchni wrzącego chlorku metylenu zaciekawiły mnie dlatego, że spontanicznie rosły - najwyraźniej na niestabilnej powierzchni w warunkach minimalnej lepkości, małe porcje cieczy przechodziły do kropli, powiększając ją.

Gdy cały rozpuszczalnik odparował, na dnie parowniczki pozostał osad, zawierający kofeinę i zanieczyszczenia:

Osad rozpuszczaliśmy w niewielkiej ilości wody, przelewaliśmy ją do kolby miarowej i po uzupełnieniu do kreski otrzymywaliśmy 100 ml roztworu kofeiny z kawy. Czynności wykonaliśmy osobno dla każdej próbki, uważając aby ich nie pomieszać. Z powodu zanieczyszczeń roztwór był lekko zabarwiony:

Niestety nasz spektrofotometr akurat się zepsuł i oznaczenie musieliśmy odłożyć na następne ćwiczenia.
Na kolejnych ćwiczeniach zaczęliśmy od przygotowania serii roztworów wzorcowych, o stężeniach kofeiny zmieniających się od 0 do 0,9 mikromola/ml, następnie wybraliśmy jeden z nich i po przelaniu do kwarcowej kuwety mierzyliśmy zależność absorbancja/długość foli, aby znaleźć warunki w których pochłanianie światła jest największe. W naszym przypadku była to fala 279 nm.

Gdy długość fali była już ustalona, reszta oznaczania była prosta - najpierw zmierzyliśmy absorbancje kolejnych roztworów wzorcowych a następnie naszych roztworów otrzymanych z kolejnych próbek. I już tutaj pojawił się pierwszy zgrzyt - absorbancja próbek badanych wyszła większa niż roztworów wzorcowych i powyżej 1, a więc pochłanianie w tej długości fali było bardzo silne. Nie lepiej było gdy doszło do opracowywania wyników.
Najpierw wykonałem wykres zależności stężenie/absorbancja, nie wyglądał zbyt dobrze:

Uznałem więc że wartość w punkcie 2 to błąd gruby i usunąłem go, uzyskując ładną linię prostą:

wraz z równaniem tejże prostej. Wiedząc że Y to absorbancja, a X to stężenie, mogłem wyliczyć z tego wzoru stężenie kofeiny w trzech roztworach badanych - o ile oczywiście nadal stosowała się do nich zależność prostoliniowego odcinka krzywej.
Po przeliczeniu otrzymałem stężenie kofeiny w roztworach w mikromol/ml. Znając objętość roztworów przeliczyłem stężenie na ilość a tą, znając masę molową kofeiny, na masę. Znając teraz masy odważonych próbek kawy i masy wyliczonej kofeiny w nich zawartej, mogłem policzyć procentową zawartość kofeiny w kawie. Po uśrednieniu zbliżonych wyników wyniosła ona 4,28%

Siła kawy jest zatem niczego sobie, tyle tylko, czy jest to wartość realna? Jak wynikałoby z badań, w większości przypadków kawy dostępne na rynku zawierają od 1 do maksymalnie 2,5% kofeiny [1] zatem w moim przypadku wynik jest dwa razy większy.
Co mogło być źródłem błędu? Jakiś wpływ może mieć błąd ujemny, związany z niecałkowitą ekstrakcją kofeiny, ale zdecydowanie większy wpływ ma błąd dodatni wywołany ciemnymi zanieczyszczeniami z pierwotnego ekstraktu. Ostrożna ekstrakcja miała pomóc ich uniknąć, ale najwyraźniej nie była wystarczająca. We wcześniejszym ćwiczeniu z herbatą kofeina została oddzielona i zatężona przy pomocy techniki SPE a właściwa analiza była przeprowadzane przez porównanie powierzchni pod wykrytym przez detektor pikiem kofeiny z próbki i z roztworu wzorcowego. Zatem przed dojściem do detektora kofeina została oddzielona od zanieczyszczeń i sygnał pochodził tylko od niej.
Wiem że inne grupy badające tą kawę otrzymały niższe wartości, rzędu 2,5-3% więc widocznie etap ekstrakcji wykonały ostrożniej. Bywa.

------------
[1] Marcin Frankowski, Artur Kowalski, Agnieszka Ociepa, Jerzy Siepak, Przemysław Niedzielski, Kofeina w kawach i ekstraktach kofeinowych i odkofeinizowanych dostępnych na polskim rynku, BROMAT. CHEM. TOKSYKOL. – XLI, 2008, 1, str. 21 – 27