Kiedyś w laboratorium (22.)

Na pierwszym roku studiów, na przedmiocie chemia nieorganiczna, omawialiśmy reakcje związków fluorowców. Oto co się stało, gdy wrzuciłem grudkę jodanu sodowego do próbówki z kwasem siarkowym:

Powstały jod spienił się po wpływem pary wodnej i wypełzł z próbówki.

-----
Ps. To mój setny opublikowany post. Oby tak dalej.

Chromatograficzne oznaczanie zawartości kofeiny w herbacie

W ostatnim czasie trochę nie bardzo miałem czas na wpisy na blogu, zwłaszcza że te dopiero przygotowywane są dłuższe i wymagają większej pracy, dlatego aby nie zaniedbać tego miejsca całkowicie, przedstawię coś wygrzebanego z archiwum notatek.

Kofeina jest naturalnym alkaloidem zawierającym azot, o właściwościach lekko zasadowych, wstępującym w wielu roślinach, głównie w krzewie kawowym i krzewie herbacianym. Napoje otrzymywane z tych roślin nie miały by dla nas wielkiej wartości gdyby nie ów związek, a to z powodu pobudzających właściwości. Kofeina zmniejsza poczucie zmęczenia, rozszerza naczynia krwionośne, pobudza wydzielanie soków żołądkowych i moczu, zwiększa wydzielanie neuroprzekaźników dając krótkotrwały efekt "jasności umysłu"; niestety jak wszystkie substancje wpływające na percepcję prowadzi do fizycznego uzależnienia, choć lekkiego. Dlatego też ludzkość spożywa ją tonami.

W ćwiczeniu jakie wykonywaliśmy na zajęciach chodziło wprawdzie o oznaczenie ilości kofeiny w herbacie, ale główną sprawą na jaką zwracano naszą uwagę, był sposób przygotowania próbki - konkretnie zaś technika SPE.

W procesie analitycznym samo badanie i interpretacja wyników stanowią dosyć krótki etap, natomiast przygotowanie próbki tak, aby można było ją zbadać niejednokrotnie okazuje się najbardziej czasochłonną częścią. W dodatku musi być to etap wykonany dokładnie, bo choćby sprzęt pomiarowy był supernowoczesny, to wynik oparty o badanie złej próbki nadaje się tylko do kosza. Dlatego też sposoby przygotowania próbek to dziedzina równie szeroka i dynamiczna jak metody analityczne. Jednym z tych sposobów jest ekstrakcja do fazy stałej czyli właśnie SPE.
W pewnym stopniu można zaliczać SPE do chromatografii, gdyż i tutaj i tu używa się kolumny wypełnionej adsorbentem, różnica jest jednak taka iż w chromatografii stosujemy ciągły przepływ rozpuszczalnika, chcąc uzyskać ruch w kolumnie, z różnymi prędkościami, składników analitu; natomiast w SPE chodzi o to, aby to co zostanie wchłonięte, pozostawało na adsorbencie tak długo jak to nam będzie potrzebne. Właściwie jest to technika mająca pomóc oddzielić to co nas interesuje od tego co nam przeszkadza, a często też mogąca zagęścić składnik występujący w śladowych ilościach.

Na przykład mamy do czynienia ze ściekami, w których chcemy oznaczyć benzen. Ścieki zawierają całe mnóstwo składników o różnorodnych właściwościach, przez co niektóre czułe detektory mogą zostać całkiem zdezorientowane, należy zatem oddzielić to co niepotrzebne, a więc sole, białka, aminokwasy, kwasy organiczne, alkohole i cokolwiek innego, od frakcji właściwej, zawierającej niepolarne rozpuszczalniki organiczne. Przepuśćmy więc nasz roztwór przez jakiś niepolarny adsorbent, który będzie takie rozpuszczalniki dobrze pochłaniał. Niepolarne substancje zostaną pochłonięte, zaś polarne będzie można wypłukać czystą wodą. Teraz przepłuczmy nasz absorbent czymś, co może wypłukać niepolarne substancje, na przykład heksanem, a otrzymamy roztwór zdecydowanie prostszy w analizie, bo zawierający wyodrębnione ze ścieków same tylko substancje niepolarne, w tym nasz benzen. Jeśli w dodatku przedtem występował w próbce w niewielkich ilościach, to po wymyciu z adsorbenta niewielką ilością rozpuszczalnika zdecydowanie się zatęży. Odwrotnym przypadkiem jest przepuszczanie próbki przez adsorbent, na którym zatrzymają się przeszkadzające zanieczyszczenia.
I to jest w zasadzie cała istota techniki.

Przemywania dokonuje się zazwyczaj w krótkich, szerokich kolumienkach, przypominających strzykawki, często przepływ przyśpiesza się podłączając wylot kolumienki pod niższe ciśnienie

W techniczne szczegóły nie będę się tu na razie wdawał, czas bowiem przejść do opisu ćwiczenia.

Na początek wzięliśmy kilka torebek herbaty ekspresowej (chyba "Minutki") i po rozerwaniu odmierzyliśmy dokładnie 0,85 g, po czym wsypaliśmy do kolby. Zaraz potem wsypaliśmy tam 2 g tlenku magnezu:

I dolaliśmy gorącej wody. Wyciąg należało zaparzać przez kwadrans. Po co tlenek magnezu? Zmieszany z wodą częściowo reagował dając wodorotlenek, i nadając roztworowi łagodnie zasadowy odczyn. W normalnej sytuacji kofeina tworzy z garbnikami herbacianymi mało rozpuszczalne połączenia, więcej jest ich w herbacie zielonej stąd też może mieć ona słabsze działanie pobudzające niż czarna. Zasadowe środowisko powoduje rozpad tych połączeń i większy stopień ekstrahowania z fusów. Ponadto w takich warunkach kofeina nie przechodzi  formę jonową, co ma znaczenie dla dalszego przebiegu ćwiczenia. Gdy nasza herbatka była już gotowa, należało ją przesączyć, oddzielając fusy i tlenek magnezu.
użyta kolumienka zawierała jako adsorbent żel krzemionkowy C-18, to jest z przyłączonymi do powierzchni osiemnastowęglowymi łańcuchami węglowodorowymi. Takie wypełnienie jest zatem bardzo niepolarne. Kofeina w formie niejonowej jest bardzo słabo polarna, mimo całkiem sporego momentu dipolowego, dlatego jest pochłaniana. Zanim jednak przepuściliśmy przez kolumienkę nasz roztwór, przepłukaliśmy ją metanolem, aby dotychczas suchy adsorbent był gotowy do pracy, zaś łańcuchy C-18 mogły się rozprostować.

Nabralliśmy 2 ml naparu i przepuściliśmy przez kolumienkę, której wypełnienie zabarwiło się na brązowo:

Gdy już wszystko zostało wchłonięte, przepłukaliśmy kolumienkę metanolem z wodą amoniakalną, aby wypłukać to co nie potrzebne, a na sam koniec wysuszyliśmy złoże, to jest, pozwoliliśmy aby podciśnienie zassało przezeń powietrze.
Tak więc potrzebną frakcję substancji niepolarnych - w tym kofeiny - mieliśmy już wchłoniętą. I czym ją teraz wypłukać? Moglibyśmy użyć rozpuszczalnika organicznego, ale ten wypłukałby nam wszystko co tam jest, a już po brązowym kolorze wypełnienia można było poznać, że oprócz kofeiny jest tam wiele innych związków. Przypomnę teraz że kofeina,, jak wszystkie alkaloidy, zawiera azot o właściwościach zasadowych - a więc mogący przyjmować proton. Po przyjęciu protonu alkaloid przechodzi w formę jonową z ładunkiem dodatnim. A taka forma jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo adsorbowania na podłożach niepolarnych.
Zatem przepłukaliśmy naszą kolumienkę mieszaniną wody, metanolu i kwasu octowego, uzyskując żółtawy roztwór, zawierający kofeinę i niezbyt dużą ilość przeszkadzających zanieczyszczeń. Najwyraźniej niektóre garbniki mają na tyle zbliżone właściwości aby przechodzić przez kolejne etapy w podobny sposób.

Dalsza analiza została przeprowadzona za pomocą chromatografii cieczowej - szerzej opisuję ją w tym wpisie . Najpierw na kolumnę nastrzyknięto próbkę wzorca kofeiny, o stężeniu 0,05 µg/ml, otrzymując chromatogram z pikiem o czasie retencji 14,293 minuty. Potem wstrzyknęliśmy próbkę z przygotowanego przez nas roztworu, uzyskując podobny pik o tym samym czasie retencji, muszący być analizowanym związkiem. Pola pod pikami wynosiły 1 224 259 jednostek względnych dla wzorca i 731 882 dla próbki analizowanej. Detektor fotometryczny mierzył absorpcję w ultrafiolecie dla fali 272 nm.
Znając masę próbki, stężenia wzorców i wiedząc jaki procent pierwotnej próbki stanowiła ta ostateczna, można było wyliczyć zawartość kofeiny w herbacie na 5% suchej masy, co stanowi dość dużą wartość (źródła podają zwykle, że dla herbaty zawartość nie przekracza 4,5%), choć oczywiście w normalnym przypadka nie cała ilość przechodzi do naparu.
Nie taka zła ta herbata

Ostatnio w laboratorium (21.)

Jakoś tak wyszło że ostatnimi zajęciami laboratoryjnymi przed sesją egzaminacyjną, były te z chemii instrumentalnej. Nasze zadanie polegało na przygotowaniu roztworów wyciągów roślinnych do badania zawartości polifenoli, w układzie chromatografu cieczowego z detektorem elektrochemicznym.
Ponieważ polifenole łatwo się utleniają, a zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, nie mogliśmy zrobić naparu, dlatego zalaliśmy wybrane zioła metanolem i włożyliśmy do płuczki ultradźwiękowej, aby się wyekstrahowały:

W takim urządzeniu próbki poddawane są działaniu ultradźwięków wywołujących we wnętrzu szybkie fluktuacje ciśnienia. Powodują one zniszczenie struktur biologicznych i ułatwiają wnikanie rozpuszczalnika wgłąb cząstek stałych, z tego też powodu ostrzeżono nas abyśmy podczas wkładania próbek do działającej płuczki, nie włożyli tam przypadkiem palca.
Po takim dokładnym przewibrowaniu przesączyliśmy nasze roztwory, mające już zielonkawy kolor, i przelaliśmy do wyparki:

Wyparka to kolba kulista połączona z pompką próżniową i chłodnicą wykraplającą opary. Obrót kolby, rozprowadzający roztwór po ściankach, łaźnia ogrzewająca i wreszcie obniżone ciśnienie sprzyjają szybkiemu odparowywaniu rozpuszczalnika, toteż całe urządzenie jest używane do zagęszczania rozcieńczonych próbek. W naszym przypadku każdy roztwór nabrał zdecydowanie wyraźniejszych kolorków:

W naszym przypadku użytymi ziołami były, od lewej: dziurawiec, liść poziomki i szałwia. Zawartości polifenoli już nie pamiętam, ale nie stwierdziliśmy jakiś nadzwyczajnych odstępstw.

Anegdoty o chemikach i ich wypadkach

Garść anegdotek o tym, ci się może człowiekowi przydarzyć w laboratorium. Zwłaszcza gdy ten człowiek jest bardzo ciekawski...

Wybuch w gębie
Gdy wcześni chemicy odkrywali nowe substancje, oprócz takich spraw jak wykorzystanie czy możliwość zarobienia na produkcji, interesował ich także wpływ na zdrowie człowieka. Czasem było to dla badacza bardzo szkodliwe - Davy stracił zdrowie przez próby z wdychaniem chloru i gazu świetlnego. Czasem przynosiło pozytywne skutki, jak odkrycie znieczulających właściwości gazu rozweselającego. A czasem...

Francuski chemik i nauczyciel Jean-François de Rozier Pilâtre  zajmował się badaniem procesu oddychania, a ponadto pasjonował się dopiero co odkrytymi lotami balonowymi. Budując swój balon postanowił napełnić go wodorem, zdecydowanie lżejszym od gorącego powietrza, lecz niestety bardzo łatwopalnym. Podczas jednego z pierwszych swobodnych lotów poleciał swym balonem na wysokość trzech kilometrów, lądując 52 kilometry od Paryża, skąd odbywał się start, co było jak na tamte czasy niebywałym osiągnięciem. W tym samym czasie stwierdził, że zawieszone  powietrzu pyły i dymy źle działają na zdrowie, proponując zakładanie materiałowych maseczek - prototypów masek respiratorowych. W którymś momencie dwie pasje się spotkały, i de Rozier postanowił sprawdzić jak wpłynie na niego wdychanie wodoru. Napełnił pęcherz gazem i wziął kilka głębokich oddechów, mieszając gaz z powietrzem. Nie stwierdził jakiś specjalnych objawów.
Faktycznie - gazowy wodór jest nietoksyczny, bardzo słabo się wchłania i jedyne niebezpieczeństwo pojawia się gdy gaz wypiera z pomieszczenia powietrze. Tak więc nic się nie działo. Po zrobieniu kilku wdechów nasz naukowiec postanowił sprawdzić, ile jeszcze jest go w jego płucach i bez zastanowienia dmuchnął na świecę.

"Myślałem, że zęby wylecą mi z korzeniami"

 - pisał potem. Mieszaniny wodoru z tlenem są wybuchowe, o czym niech pamiętają ci, którzy próbują go dziś wykorzystać jako tańszy zamiennik helu do podwyższania tonu głosu. Później de Rozier udoskonalił doświadczenie do formy salonowego pokazu, w którym wydmuchiwał zapalony wodór przez szeroką rurkę, co było bardziej bezpieczne:

Swoistą tragiczną ironią losu jest to, że podczas próby przelotu nad kanałem La Manche w roku 1785, za pomocą balonu o podwójnej czasy, zawierającego komorę na wodór i komorę na ciepłe powietrze, w wyniku wycieku i zapłonu gazu spadł i wraz z towarzyszącym mu Pierre Romainem stał się pierwszą na świecie ofiarą wypadku lotniczego.[1]

Rtęć w oku
Amerykański chemik Thomas Midgley był nieszczęsnym geniuszem. Jak wiadomo, niektóre substancje mają właściwości bardzo korzystne zaś inne bardzo negatywne. I ktoś je kiedyś musiał odkryć. Midgley był akurat odkrywcą dwóch takich substancji, w dodatku szeroko potem rozpowszechnionych - wynalazł zastosowanie dla tetraetylenku ołowiu, używanego jako dodatek przeciwstukowy do benzyny, i freony, używane w chłodnictwie. Ten pierwszy wraz z rozwojem motoryzacji przyczynił się do skażenia ołowiem polowy planety, zaś ten drugi niszczy powłokę ozonową i będzie to robił jeszcze przez kilka następnych dekad. Stąd też został zapamiętany jako jeden z tych, który niechcący o mało nie zniszczyli świata. Wynalazki ekstrakcji bromu z wody morskiej, czy produkcji gumy, która krócej się wulkanizowała, zostały mniej zapamiętane. Ale nie o tym.
Gdy pracował dla Du Pont szukając czynnika chłodzącego, przydarzył mu się przykry wypadek - nadmierne ciśnienie rozerwało zbiornik z gazem, powodując że drobne odłamki metalowej przegrody wbiły mu się w rogówkę oka, wywołując ciągły stan zapalny. Lekarz wyjął co większe kawałki, ale drobnych opiłków nie dawało się usunąć, nie były magnetyczne a przeszczep rogówki nie był jeszcze wtedy znany. Dlatego nie mając innego pomysłu, Midgley poradził sobie w sposób nietypowy - przez dwa tygodnie przemywał oczy czystą rtęcią.
To zaskakujące, ale nie zaszkodziło mu to, bo tą drogą pierwiastkowa rtęć prawie się nie wchłania. Sam Midgley wiele lat później ucierpiał od zatrucia wynalezioną przez siebie pochodną ołowiu. Pod koniec życia zachorował na Polio wskutek czego doznał częściowego paraliżu. Aby zyskać choć trochę samodzielności zbudował z linek i wielokrążków zestaw pozwalający mu na  wstawanie z łóżka. Podczas jednego z takich poranków w 1944 roku zaplątał się w linki, zsunął z łóżka i udusił.[2]

Gdzie się podział fartuch?
Niemiecki chemik Christian Friedrich Schönbein lubił był czasami prowadzić doświadczenia w domu. Oprócz takich odkryć jak wytworzenie ozonu i pierwsze próby z ogniwami paliwowymi, prowadziło to często do zniszczeń w mieszkaniu, dlatego żona zabroniła mu takich rzeczy. Zdarzyło się jednak w roku 1845, że żona musiała wyjechać do krewnych. Upewniwszy się, że jest już daleko, przyniósł do domu trochę chemikaliów, aby móc w spokoju pobadać to i owo. I oczywiście od razu nabroił.
Postawiona na szafce flaszka z mieszaniną kwasów azotowego i siarkowego przewróciła się, zaś żrąca mieszanka wylała się na podłogę. Zalał ją wodą i wytarł dokładnie bawełnianym fartuchem żony, który następnie powiesił przy piecu, aby wysechł. Gdy materiał był już suchy, padła na niego drobna iskierka, od której fartuch buchnął ogniem tak gwałtownie, że w ciągu kilku chwil zgorzał do cna. Zaciekawiony tym powtórzył doświadczenie z innymi kawałkami bawełny, stwierdzając, że pod wpływem mieszaniny kwasów stają się niezwykle łatwopalne. Prędkość spalania tak odkrytej nitrocelulozy była na tyle duża, że można ją było zastosować jako materiał wybuchowy. I faktycznie, pod nazwą bawełny strzelniczej stała się składnikiem prochu bezdymnego, nie powodującego powstawania ogromnych ilości szarego dymu i sadzy, co niejednokrotnie utrudniało prowadzenie bitew. Historia milczy w sprawie prawdopodobnego rabanu, jaki sprawiła mu żona.

Spalanie bawełny strzelniczej

Cóż za smród!
Niektóre związki chemiczne śmierdzą bardzo. Czasem tak, że trudno z nimi pracować - niestety bywa że ktoś mimo to musi, co siłą rzeczy prowadzi do rozmaitych konfliktów z otoczeniem.

Do związków najbardziej smrodliwych należą pochodne organiczne siarki oraz niektóre związki selenu i telluru. Siarkowe merkaptany znane są z silnego zapachu, jako jeden ze składników wydzieliny skunksa. Niejednokrotnie zdarzało się, że zapach nowo otrzymanej pochodnej przekraczał wyobrażenia eksperymentatorów. Gdy w 1936 po raz pierwszy zsyntetyzowano diselenek węgla (analog dwusiarczku węgla, używanego jako rozpuszczalnik) odór był tak silny, że nie tylko ewakuowano laboratorium, ale i pobliską wioskę leżącą po zawietrznej. Praca dotycząca syntezy podobno opisuje tą sytuację bardzo barwnie, ale bez opłat mogłem obejrzeć tylko stronę z abstraktem. aż szkoda.
Gdy w 1889 roku z zakładach chemicznych we Freiburgu próbowano otrzymać tioaceton z cyklicznego trimeru, smród był tak nieziemski, że ewakuowano część miasta, bo mieszkańcy w odległości mili mdleli na ulicach. Zastanawiano się potem jaką właściwie substancję wówczas otrzymano, gdyż produkty były bardziej nawet śmierdzące niż sam tioaceton.[3] Próba powtórzenia doświadczenia doprowadziła do podobnego wypadku w Oxfordzie w 1960 roku. Podobno jedna kropla związku pod dygestorium wystarczała, aby zapach było czuć ćwierć mili od laboratorium.

Merkaptany należą do substancji na które ludzki nos jest najbardziej wyczulony - dla niektórych czułość sięga ilości jednej części na miliard. Ma to uzasadnienie ewolucyjne - powstają podczas gnicia materii organicznej, toteż wyczulenie na nie pozwala wyczuć, że jedzenie jest nieświeże. Wykorzystuje się ten fakt bardzo szeroko do nawaniania gazu ziemnego, który sam w sobie jest bezwonny. to co czuć jako zapach gazu, to w rzeczywistości zapach śladowych ilości tioli. U nas najczęściej używa się do tego tetrahydrotiofenu, na świecie zazwyczaj jest to merkaptan tertbutylowy lub butylotiol. W ilościach używanych do nawaniana zapach nie jest specjalnie nieprzyjemny, natomiast większe ilości potrafią pokazać swą moc. W wyniku wycieku nawaniacza - metylotiolu - z zakładów chemicznych w Rouen, chmura smrodu rozeszła się po całej północnej Francji, zahaczając o Paryż, a po dwóch dniach dotarła do Anglii, będąc wyczuwalną w Londynie.[4] Wedle relacji zapach przypominał połączenie potu, zgniłych jaj i cebuli.
Zresztą może jeden z kolejnych wpisów poświęcę tym najbardziej smrodliwym chemikaliom.

Rozlało się
Praca z niebezpiecznymi chemikaliami wymaga ostrożności a czasem i pewnej ręki. Pół biedy, gdy kropla stężonego kwasu wypali dziurę w fartuchu (zdarzyło mi się kilka razy), a rozbita flaszeczka z roztworem amoniaku zasmrodzi cały pokój, czasem jednak konsekwencje takiego rozlania, mogą być znacznie groźniejsze.
Przekonali się o tym niedawno pracownicy i studenci Politechniki w Hamburgu. Pewnemu studentowi zdarzyło się przewrócić dwa odkręcone pojemniki z rozpuszczalnikiem acetonitrylem, przez co rozlał około ośmiu litrów. Bojąc się konsekwencji zamiast poinformować pracowników i straż, zebrał rozlaną ciecz i wylał do kanalizacji. To czego nie zebrał i to co wydostawało się ze zlewu parowało. A acetonitryl jako bardzo lotny rozpuszczalnik po dostaniu się do organizmu rozkłada się na cyjanek. W efekcie już wkrótce kilku studentów i doktorantów oraz pracowników laboratorium poczuło się źle. Do szpitala trafiło 11 osób, z czego dwóch studentów i czterech doktorantów wylądowało na OIOM-ie.[5]
Gdy kilka lat temu likwidowano jedno z lokalnych laboratoriów SANEPiD-u w bodaj Radzyniu, jedna z pracownic wzięła kilka litrów zbędnego kwasu azotowego, z zamiarem wypalenia chwastów na działce. Kanistry którymi go przewoziła nie były jednak szczelne, toteż w trakcie podróży służbowym samochodem, kwas zaczął chlupotać w bagażniku, przeżerając podwozie.

----------
[1] http://www.ebooksread.com/authors-eng/james-smith/the-panorama-of-science-and-art-tim/page-38-the-panorama-of-science-and-art-tim.shtml
[2] Thomas Midgley Jr. - Biographical Memoir
[3] http://fds.oup.com/www.oup.co.uk/pdf/bt/orgchem/chapter01.pdf
[4] http://www.reuters.com/article/2013/01/22/us-france-gasleak-idUSBRE90L03M20130122
[5] http://www.mopo.de/nachrichten/gift-unfall-an-der-tu-harburg-riesen-schlamperei-im-chemie-labor,5067140,8689786.html

Kilka innych wypadków