informacje



Pokazywanie postów oznaczonych etykietą techniki laboratoryjne. Pokaż wszystkie posty
Pokazywanie postów oznaczonych etykietą techniki laboratoryjne. Pokaż wszystkie posty

piątek, 22 czerwca 2018

Ostatnio w laboratorium (60.)

Kiedyś już pisałem o jednej z podstawowych technik oczyszczania mieszanin poreakcyjnych - preparatywnej chromatografii kolumnowej, przy pomocy własnoręcznie napełnianej żelem krzemionkowym szklanej kolumny. Teraz natomiast w firmie mam okazję częściej popracować na sprzęcie, z jakim jako prosty magistrant nie miałem bezpośrednio kontaktu - z automatem do szybkiej ("flashowej") chromatografii kolumnowej.

Jest to coś pośredniego między klasyczną chromatografią na szklanych kolumnach a wysokosprawną HPLC, służy do rozdziałów mieszanin na skalę preparatywną. Używa się do niej najczęściej gotowych kolumn, nabitych dobrze upakowanym, suchym żelem krzemionkowym. Po nałożeniu mieszaniny na początek kolumny, najlepiej przez nastrzyk roztworu, podłącza się ją do automatu, który pod umiarkowanym ciśnieniem przepuszcza przez nią eluent o zaprogramowanym składzie. Możliwe jest ustalenie programu elucji, z określonymi gradientami zmian składu roztworu w czasie procesu, ewentualnie też zmianami szybkości przepływu.
Aparat wykrywa detektorem UV-VIS pojawienie się frakcji w odcieku i po przekroczeniu zadanego progu zbiera frakcje do próbówek zgodnie z określoną kolejnością.
Oczywiście dalszą robotą nad ustaleniem, która frakcja jest substancją nam potrzebną musi się już zająć laborant, ale sam proces nie wymaga ciągłego nadzoru.

Dostępne są kolumny różnych wielkości, dobierane odpowiednio do ilości rozdzielanych mieszanin, największa na jakiej na razie robiłem miała objętość 300 ml i posłużyła do rozdziału porcji 7 g, ale widziałem w katalogu nawet kolumny ponadlitrowe.


Ot, taka ciekawostka z labu.

czwartek, 19 maja 2016

Sita molekularne

Z sitami molekularnymi student chemii zwykle spotyka się na pierwszych pracowniach laboratoryjnych, gdzie zawsze przy ogrzewaniu cieczy do wrzenia upomina się go "ale najpierw wrzuć do kolby sita molekularne" mające postać małych, twardych kuleczek. I bardzo możliwe, że aż do końca studiów będzie znał tylko takie ich zastosowanie. Niemniej co niektórych może jednak zastanowić, czym też są i czemu nazywa się je sitami, skoro wyglądają raczej jak małe granulki jakiejś masy ceramicznej?
Sita molekularne to granulki o tak dobranym składzie i metodzie produkcji, że są bardzo porowate, zaś te pory mają określoną wielkość pozwalającą wnikać wgłąb materiału cząsteczkom odpowiednio małym, zatrzymując cząsteczki za duże. Po prostu tylko cząsteczki mniejsze niż średnica poru będą w niego wchodzić i tym samym będą "odsiewane" od większych. Z tego też powodu najczęściej używa się sit do oddzielania niepożądanych, małocząsteczkowych zanieczyszczeń od cieczy i gazów.

Materiałem budującym sito molekularne są najczęściej syntetyczne minerały podobne do zeolitów posiadające w strukturze pory i kanały o dobrze zdefiniowanej wielkości. Najściślejsze mają pory o średnicy 3,4 i 5 Angstremów, czyli odpowiednio 0,3; 0,4 i 0,5 nanometra. Większe pory mają sita z porowatego szkła od 10 Å w górę. Sita o porach od 20 do 500 Angstremów mogą być stworzone z krzemionki koloidalnej, a te o jeszcze większych z krzemionki mezoporowatej. Ponadto w podobnym celu użyty może być węgiel aktywowany i niektóre porowate tworzywa sztuczne.
Generalnie więc w większości są to materiały niereaktywne, o dobrej wytrzymałości chemicznej i termicznej.

Jakie jest główne zastosowanie? Osuszanie.
 Cząsteczka wody jest bardzo mała, szerokość na jaką odsunięte są atomy tlenu to 1,6 A, dlatego dość łatwo wchodzi w kanały porowatego materiału. Dodatkowo glinokrzemiany dość chętnie wiążą wodę czy to wiązaniami wodorowymi w grupach Si-H czy to przez przyciąganie do jonów.  Dzięki temu po dodaniu sit do materiału normalnie słabo adsorbowanego, jak olej mineralny czy gaz ziemny, woda jest skutecznie odciągana.
Najdrobniejsze sita 3A mogą odciągać wodę od alkoholu i rozpuszczalników, których cząsteczki są zbyt duże aby wnikać w ich strukturę. Jest to jeden ze stosunkowo prostych sposobów uzyskania bezwodnego alkoholu - zwykle sprzedawany 95% alkohol zasypuje się odpowiednią ilością sit (pochłaniają wodę do 15-20% masy własnej) i zostawia w szczelnym pojemniku na kilkanaście godzin, potem odsącza lub destyluje aby oddzielić od pojawiającej się mineralnej zawiesiny.

Większe sita 4A i 5A mogą też wchłaniać alkohol etylowy, etan, eten i bywają używane do oddzielenia ich śladów z wielkocząsteczkowych rozpuszczalników. Chętnie korzysta z nich przemysł rafineryjny. Służą do usuwania z gazu ziemnego wody, kwasu mrówkowego, tlenków siarki, siarkowodoru a w odpowiednich warunkach też dwutlenku węgla. Jest to o tyle ważne, że nawet niewielkie ilości wody mogą zapychać instalacje podczas przetaczania gazu skroplonego, oraz wpływają korozyjnie na gazociągi.
Odmiany o porach 10-15 A mogą oddzielać węglowodory aromatyczne od ciekłych węglowodorów, a także służyć do rozdziału gazów. Odmiany mezoporowe, powyżej 100 A, mogą być użyte do rozdziału biomolekuł i krótkich peptydów.
Sita o odpowiednio dobranym składzie działają też jako wymieniacze jonowe, mogą pochłaniać z wody i ścieków metale ciężkie, chętnie też chłoną amoniak i jony amonowe.

Obok granulek żelu krzemionkowego sita molekularne są też jednymi z najczęściej używanych pochłaniaczy wilgoci w opakowaniach leków, żywności i elektroniki.

Jako materiał dla wytwarzania sit molekularnych najczęściej używa się zeolitów, bądź to naturalnych bądź otrzymywanych sztucznie. Sama nazwa "zeolit" znaczy dosłownie "wrzący kamień" i wywodzi się z ciekawej właściwości zbitych form. Aby z uwodnionego zeolitu usunąć wodę musimy go ogrzewać do odpowiednio dużej temperatury przez pewien czas. Jak zauważył  pod koniec XIX wieku szwedzki mineralog Axel Frederik Cronstedt, proces odwrotny po polaniu wodą dobrze wysuszonego minerału przebiegał z wydzieleniem na tyle dużej ilości ciepła, że powstawała para a woda którą go polano zapieniła się.
Zeolity powstają najczęściej w skałach wulkanicznych i piroklastycznych w wyniku reakcji roztworów bogatych w krzem, glin i kationy alkaliczne z zasadami, często w warunkach hydrotermalnych. Krystalizują w pustkach skalnych i kanałach tworząc skupienia włókniste, szczotkowate lub kuliste. Mogą też powstawać jako spoiwo między ziarnami osadów zagrzebanych na dużej głębokości. Obecnie najwięcej zeolitów wydobywa się w Chinach, Korei Południowej i Japonii, w Europie najwięcej wydobywa ich Słowacja.

Jednak naturalne zeolity nie nadają się do niektórych zastosowań, głównie z powodu obecności zanieczyszczeń, stąd też zaczęto produkować je syntetycznie.
Produkcja generalnie rzecz biorąc jest dość prosta - strukturalnie są to klatkowe glinokrzemiany z domieszką kationów metali alkalicznych. Do syntezy bierze się więc żel wodny zawierający tlenek glinu i łączy ze szkłem wodnym czyli rozpuszczalnym w wodzie krzemianem sodu. Mieszaninę alkalizuje się wodorotlenkiem sodu lub potasu aby spolimeryzować powstające glinokrzemiany. Wielkość i układ porów zależy od rodzaju kationu alkalicznego, stającego się "rusztowaniem" dla pierścienia glinokrzemianowego odpowiedniej wielkości, toteż mieszanina domieszkowana jest odpowiednimi kationami, w tym także organicznymi jak tetraetyloamoniowy.
Teraz gęstniejący żel jest mieszany i ogrzewany w odpowiednich warunkach. Przy czym te "odpowiednie warunki" to w istocie klucz do sukcesu. Proces nie może przebiegać zbyt szybko bo powstaną nam po prostu zbite kryształy. Zależnie od stosunku krzemu do glinu, obecności metali alkalicznych, odczynu mieszaniny, rodzaju kationu stanowiącego wzorzec, szybkości procesowania, temperatury i innych czynników otrzymujemy zeolity o różnych strukturach. Jak na razie opisano ponad 250 struktur zeolitowych a wciąż nie jest to koniec.
Atomy podczas krystalizacji organizują się w klatkowate "bloczki" z których układana jest sieć. Połączone wielościany o strukturze sodalitu tworzą pomiędzy sobą kanały złożone z pierścieni. Rodzaj struktury determinuje wielkość pierścieni a co za tym idzie wielkość porów.
Po przeprowadzeniu procesu w "odpowiednich" warunkach otrzymujemy wilgotną masę drobnych cząstek zeolitu, która następnie jest granulowana lub wyciskana do formy pręcików i suszona.

Oprócz usuwania wody i innych małocząsteczkowych zanieczyszczeń zeolity znalazły szerokie zastosowanie w zmiękczaniu wody, mogą bowiem pochłaniać i wiązać jony wapnia i magnezu. Akwaryści powinni kojarzyć zeolity w takim zastosowaniu. Znaleźć je możemy w ekologicznych proszkach do prania, gdzie zastępują używane zwykle do zmiękczania fosforany, które trafiając do ścieków wywoływały przenawożenie wód i zakwity glonów. Granulki sit molekularnych są też używane do wzbogacania podłoża, długo bowiem trzymają wilgoć oraz mogą stopniowo uwalniać wchłonięte nawozy.
Inne zastosowanie to katalizatory zwłaszcza w krakingu ropy naftowej. Podejmowane są też próby użycia jako nośniki leków. Ze względu na wysoką energię hydratacji i możliwość zregenerowania wilgotnych sit, zaczęto używać ich także do długotrwałego przechowywania ciepła - sita są suszone przy pomocy ciepła na przykład z kolektorów słonecznych. Zamknięte w szczelnym opakowaniu nie tracą mogą być przechowywane dość długo, a pod wpływem wody ponownie wydzielają ciepło.

Jak jednak mają się te właściwości do zastosowania sit w laboratoriach podczas ogrzewania cieczy?

Stan wrzenia to sytuacja gdy ciecz pod wpływem wysokiej temperatury jest w stanie przechodzić w parę w całej objętości, wytwarzając bąble gazu. W praktyce jednak powstanie pęcherzyka ot tak wewnątrz cieczy jest mało prawdopodobne. Najpierw cząsteczki cieczy muszą zostać rozepchane na boki, gdy utworzy się faza gazowa na pęcherzyk działa zarówno ciśnienie hydrostatyczne jak i napięcie powierzchniowe. W efekcie bardzo małe pęcherzyki odczuwają ciśnienie większe od atmosferycznego, to hamuje parowanie wody do wnętrza pęcherzyka a ten może zaniknąć zanim nie stanie się na tyle duży aby wypłynąć na powierzchnię.
Sytuacja zostaje bardzo ułatwiona gdy podgrzana woda zetknie się z nierówną, chropowatą powierzchnią, wtedy ciśnienie działa na powstający przylegający pęcherzyk tylko od jednej strony, dzięki czemu łatwiej jest mu urosnąć. Analogiczna sytuacja dotyczy wydzielania się gazu z wody mineralnej - pęcherzyki powstają na ściankach i wybiegają stale z pewnych sprzyjających punktów.

Inną sytuacją która bardzo ułatwia wrzenie są bąbelki powietrza, stanowiące "zarodek" bąbelków pary. W przypadku materiałów porowatych mogą być to zarówno bąbelki przyczepione do nierównej powierzchni jak i zawarte wewnątrz materiału, stąd właśnie użycie różnych porowatych materiałów w charakterze "kamyków wrzennych". Mogą być to kawałki porcelany (na pracowni magisterskiej używałem drobnych okruchów rozbitej filiżanki), mogą to być granulki ceramiczne i mogą to być też sita molekularne, które zawsze gdzieś tam stoją na pracowni.

A dlaczego w takim razie musimy ułatwiać wrzenie?
Cóż, to utrudnienie powstawania pierwszych pęcherzyków powoduje, że gdy podgrzewana ciecz jest bardzo czysta i ogrzewamy ją w gładkim naczyniu, możliwe staje się jej przegrzanie powyżej temperatury normalnego wrzenia. Wodę można w ten sposób ogrzać do temperatury 120-130 *C, w sprzyjających warunkach i przy szybkim ogrzewaniu aż do 160 stopni.
W takiej sytuacji drobne zaburzenie, w rodzaju pierwszego pęcherzyka, zamieszania czy wibracji może spowodować dość gwałtowne zawrzenie, często połączone ze spienieniem się i wychlapaniem naszej cieczy. Pół biedy gdy ogrzewana mieszanina pójdzie chłodnicą, ale równie dobrze może prysnąć na rękę eksperymentatora. Problem ten upowszechnił się w ostatnim czasie wraz z mikrofalówkami - wiele osób używa ich do podgrzewania wody na herbatę. Jeśli użyją do tego czystej wody i wstawią wodę w gładkiej szklance, woda może nie zawrzeć mimo, że będzie bardzo gorąca. Wrzucenie do niej teraz herbaty i cukru może spowodować wytryśnięcie z kubka i poparzenia.



 Bez kamyków wrzennych ciecze wrą nieregularnie, z uderzeniami gwałtowniejszych wrzeń co jakiś czas, i właśnie dlatego dla bezpieczeństwa i większej kontroli nad procesem należy wrzucać do kolby dwie-trzy granulki sit lub kawałki porcelany.

niedziela, 31 stycznia 2016

Ostatnio w laboratorium (49.)

Ostatnio w laboratorium wykonywałem reakcję redukcji grupy nitrowej pyłem żelaznym, i po jej zakończeniu postanowiłem przeprowadzić jeszcze jeden prosty, acz zaskakujący eksperyment.

Standardowym sprzętem laboratoryjnym jest mieszadło magnetyczne. Wewnątrz podstawki, często z możliwością podgrzewania, działa magnes który oddziałuje na mieszadło mające postać podłużnej kapsułki. Wirujący magnes w podstawce wymusza wirowanie mieszadełka a zawartość naczynia z takim mieszadełkiem jest intensywnie mieszana.
I otóż widząc jak pył użyty w reakcji czepia się mieszadełka, zastanowiłem się jak wyglądają linie pola magnetycznego podstawki. Położyłem więc na mieszadło kartkę i szalkę Petriego, po czym sypnąłem odrobinę pyłu, który ułożył się w polu w formie podłużnych pasm i prętów:





Pod wpływem pola magnetycznego opiłki sama nabierają magnetyczności. Każdy staje się małym magnesem i ma skłonność przyciągać przeciwny biegun innego, przez co drobne cząstki sklepiają się w sznury. Wskutek samoorganizacji pył żelazny formuje cienkie igły ustawione równolegle do pola i oddzielone pustymi przestrzeniami. Nad biegunami, gdzie linie pola przecinają płaszczyznę pod kątem prostym, tworzy się struktura najeżonych kolców:
Samo uwidocznienie statycznej struktury nie było jednak tak ciekawe, jak zachowanie się pyłu po włączeniu mieszadła:

Igiełki namagnesowanych cząstek zlepiły się w płaski, harmonijkowaty kształt, który nawet przy wysokiej prędkości wirowania zachowywał integralność.

wtorek, 18 lutego 2014

Rodział jonów niklu i kobaltu - chromatografia jonowymienna

Przegrzebując fotograficzne archiwa dotarłem do pierwszego roku studiów, na którym mieliśmy zajęcia z chemii nieorganicznej, i tam znalazłem kilka zdjęć dokumentujących pewne stare ćwiczenie, które chyba warto tu omówić.

Kobalt i Nikiel są pierwiastkami należącymi do raczej dziś już historycznej triady żelazowców. Wszystkie trzy wraz z żelazem charakteryzują się bardzo podobnymi właściwościami chemicznymi, podobieństwo w okresie jest większe niż w grupie. To metale, ferromagnetyki, chętnie występujące na +2 i +3 stopniu utlenienia. Właściwości ich soli są na tyle podobne, że rozdział metodami fizycznymi i chemicznymi jest trudny - o ile można to jeszcze przeprowadzić dla żelaza, to już kobalt i nikiel reagują tak samo.

Na samym początku przygotowaliśmy roztwory chlorku kobaltu II i chlorku niklu II, o różnych kolorach:
i zmieszaliśmy je ze sobą. Otrzymana mieszanka miała kolor brunatny. I co też tu teraz zrobić? A no napełnić kolumnę kationitem.

Substancje jonowymienne to bądź minerały i materiały ceramiczne bądź tworzywa sztuczne zawierające przyłączone do powierzchni grupy kwasowe lub zasadowe. W pewnym stopniu można je uznać za nierozpuszczalne kwasy i zasady. Przykładem może być choćby żel krzemionkowy, zawierający na powierzchni reszty kwasu krzemowego, albo polimer styrenowy z resztami kwasu siarkowego. Te "stałe kwasy" w odróżnieniu od takich nierozpuszczalnych substancji jak wolne kwasy tłuszczone, mają jednak specyficzną właściwość - chętnie dysocjują, zwłaszcza gdy mogą wymienić jony wodoru na jakieś inne kationy. Taki kationit zachowuje się w roztworach soli jak kwas siarkowy w proszku - zakwasza roztwór i tworzy sole, przy czym są to oczywiście sole przytwierdzone o podłoża polimerowego. Kation przyłącza się do podłoża i uwalnia jon wodorowy, który sam uwalnia się trudno.
Jest to cenna właściwość i korzysta się z niej wówczas, gdy potrzebne jest zakwaszenie ale nie potrzebne wprowadzanie nowych jonów pochodzących od reszt rozpuszczalnego kwasu. Bywa używany w modyfikacji klasycznej reakcji estryfikacji kwasu z alkoholem. Najczęstsze zastosowanie, z jakim co niektórzy mogą się spotkać w życiu codziennym, to zmiękczanie wody - po dodaniu kationitu z przyłączonym sodem, jony wapniowe i magnezowe przyłączają się do niego.

Szczególnym przypadkiem jest otrzymywanie wody dejonizowanej - wówczas woda przepuszczana jest przez bęben z wypełnieniem kationitu, który wyłapuje kationy, a potem przez bęben wypełniony anionitem, który pochłania aniony. Uwolnione kationy wodorowe i aniony hydroksylowe zobojętniają się i powstaje nam czysta, pozbawiona soli woda, jest to szybsze i bardziej energooszczędne od wielokrotnej destylacji.

Zużyty jonit można zregenerować - ten kwasowy przemywając roztworem mocnego kwasu, ten sodowy przemywając stężonym roztworem soli (tak właśnie zmywarki do naczyń regenerują kationit zmiękczający i do tego potrzebna jest sól do zmywarek).

Jak jednak ma się to do rozdziału jonów?
Do podłoża przyłączać mogą się różne jony, przy czym siła tego wiązania zależy od właściwości jonu. Powinowactwo kationu metalu do grupy sulfonowej w dużym stopniu zależy od ładunku, toteż kationy dwudodatnie jak Ca2+ będą przyłączane chętniej niż jednododatnie jak Na+ . W przypadku jonów o tym samym ładunku znaczenie ma też siła tego ładunku zależna od liczby atomowej i wielkości jonu, co wpływa na zagęszczenie ładunku. Jon silniej wiążący się z podłożem, będzie  wypierał jon słabiej związany. Wypieranie następuje też gdy jon słabszy występuje w dużym stężeniu.

Jak to wszystko ma się do rozdziału pierwiastków?
Nasze pierwiastki, kobalt i nikiel, leżą obok siebie w układzie okresowym, ich atomy mają podobną wielkość, jednak między kationami występuje niewielka różnica - kation niklu jest większy. Wobec tego ładunek na zewnątrz kationu jest mniej zagęszczony a sam kation jest słabiej wiązany do kationitu. Różnica jest niewielka, ale wystarczająca. Gdy nałożymy mieszankę obu pierwiastków na kolumnę kwaśnego żelu i będziemy przemywali ją kwaśnym roztworem, wymywającym kationy przez wypieranie, słabiej związany nikiel będzie po pierwsze bardziej wymywany przez eluent a po drugie nieco bardziej wypierany przez silniej wiążący kobalt. Ta niewielka różnica doprowadzi do tego, że kation niklu oddzieli się od kobaltu i będzie szybciej przepływał przez wypełnienie. Dzięki temu dokona się rozdział.

Tak więc na początek napełniłem szklaną kolumnę sypkim wypełnieniem, i przepłukałem wodą destylowaną, następnie przepłukałem kolumnę zasadowym buforem cytrynianowym mającym za zadanie zdeprotonować powierzchnię i usunąć wszystkie kationy. Przemywałem kolumnę tak długo aż odczyn wycieku stał się obojętny. Teraz przepłukałem ją ponownie ale roztworem kwasu, był to chyba rozcieńczony kwas solny, aby sprotonowac wszystkie grupy. Całość należało teraz przemywać wodą tak długo, aż wyciek będzie obojętny. Żel podczas tych manipulacji to puchł to kurczył się. Taka kolumna była już gotowa do użytku:

Na szczyt kolumny nalałem mieszankę soli, które zostały silnie zaabsorbowane, tworząc brunatną warstewkę:

Pochłonięte kationy dosyć dobrze związały się z podłożem, dlatego kolumnę przemyłem jeszcze wodą, aby odmyć aniony, po czym zacząłem przepłukiwać ją kwaśnym roztworem. Kationy ruszyły w dół i zaczeły rozdzielać się na szybsze zielone i wolniejsze różowe pasmo.
 
Teraz należało obserwować kolor wycieku i podstawić w odpowiedniej chwili odbieralniki, najpierw na frakcję zieloną:

a potem na różową:

I tak dwa bardzo podobne pierwiastki zostały oddzielone.

W praktyce używa się tej techniki do rozdziału lantanowców - bardzo cennych pierwiastków mających zastosowanie w technice i elektronice (na przykład neodym), o praktycznie identycznych właściwościach fizycznych, występujących na raz w tym samym minerale. Można też w ten sposób rozdzielać związki organiczne, na przykład aminy w formie kationów amoniowych.

poniedziałek, 15 lipca 2013

Napełnianie kolumny preparatywnej

Gdy chemik rozpocznie syntezę celem stworzenia potrzebnej mu substancji, po przeprowadzeniu całego procesu otrzymuje mieszaninę poreakcyjną. Znajduje się tam zarówno pożądany produkt, jak i produkty uboczne, nie przereagowane substraty i różne inne zanieczyszczenia. Idealna jest sytuacja, gdy pożądany produkt wyraźnie różni się właściwościami od całej reszty - przykładowo jest nierozpuszczalny w medium reakcyjnym. Wtedy oddzielenie i przekrystalizowanie jest łatwe. Problem pojawia się gdy wszystkie składniki są do siebie pod tym względem podobne.
Standardową techniką do rozdziału takich mieszanin, jest preparatywna chromatografia flashowa.

Techniki chromatograficzne wykorzystują różnicę w oddziaływaniu różnych składników mieszaniny z podłożem chłonnym i rozpuszczalnikiem. Po nałożeniu mieszaniny na początek kolumny wypełnionej absorbentem, lub pokrytej nim płytki, i wymuszeniu przepływu rozpuszczalnika, składniki silniej oddziałujące zostają w tyle za słabo oddziałującymi i tym samym szybciej wymywanymi. W idealnej sytuacji każda substancja przesuwa się przez kolumnę z własną prędkością i niczym ruchoma wydma oddziela się jako osobny barwny prążek od pozostałych. Wówczas można je od siebie oddzielić.
Na tym właśnie polega rozdział mieszanin poreakcyjnych - nakładamy naszą substancję na początek szerokiej rury wypełnionej żelem absorbentu i dolewając od góry rozpuszczalnik wymuszamy grawitacyjny ruch do dołu. Gdy mieszanina porozdziela się, w odpowiednim momencie podstawiamy kolbki pod kurek wylotu, zlewając frakcje zawierające poszczególne składniki. Proste.
Tyle tylko, że ruch rozpuszczalnika pod wpływem samej grawitacji jest zwykle dosyć wolny, co powoduje że całość rozdziału trwać może dosyć długo, dlatego w tej prostej technice "popychamy" go lekkim nadciśnieniem uzyskiwanym przez ręczną pompkę. Chromatografowanie trwa wtedy krótko, jest szybkie (flash) i stąd określenie chromatografia flashowa.

Kolumny nie są jednak zazwyczaj używane jednorazowo - samo naczynie szklane jest używane wielokrotnie, będąc napełniane świeżym i opróżniane ze zużytego wypełnienia. Na kilku zdjęciach postaram się przedstawić jak napełnianie kolumny wygląda od strony praktycznej.

Kolumna chromatograficzna ma postać szklanej rurki, z jednym końcem zamkniętym zaworem z kurkiem. Na samym początku należy przytkać ten wylot tak, aby nie uciekało nam wypełnienie, ale mógł przechodzić rozpuszczalnik. Do środka wrzucamy kłębek waty i wpychamy w wylot prętem:

Gdy rurka jest uszczelniona, wlewamy na dno nieco rozpuszczalnika, aby wypchnąć powietrze z waty. Drobne pęcherzyki by potem przeszkadzały. Bierzemy teraz nasze wypełnienie, zwykle jest to tlenek krzemu lub glinu, w formie bardzo drobnego proszku. Wsypujemy go do zlewki i zalewamy taką ilością rozpuszczalnika, aby otrzymać bardzo rzadkie błotko:

Taka mieszanina jest tiksotropem - mieszana i wstrząsana jest dosyć rzadka, ale po odstawieniu szybko rozdziela się i zagęszcza, dlatego jej wlewanie do pustej kolumny nie jest tak znów łatwe. Ja zwykle w trakcie wlewania mieszałem ją pręcikiem, aby pozostawała półpłynna.

Kolumnę napełniamy błotkiem w około 90% wysokości, i pozwalamy się ustać spuszczając część rozpuszczalnika, zaś aby z masy wyleciały pęcherzyki powietrza, należy lekko wstrząsać całość kolumny, my uderzaliśmy ją lekko z boku gumową rurką. Podczas takiego obsiadania masa trochę się kurczy, i konieczna może być dolewka, dlatego właśnie lepiej przygotować sobie nieco więcej.
Resztki wypełnienia z górnej części kolumny trzeba spłukać rozpuszczalnikiem.

Jeśli chodzi o nakładanie mieszaniny na początek kolumny, to mamy tu dwie filozofie - gdy mieszaniny jest mało, rozpuszczamy ją w rozpuszczalniku i wlewamy do kolumnę, po czym spuszczamy rozpuszczalnik tak, aby ciecz została całkowicie wchłonięta. Aby nie wzburzać powierzchni wypełnienia z wchłoniętą mieszaniną podczas wlewania czystego rozpuszczalnika, można nasypać tam bądź czystego wypełnienia bądź jakiejś sypkiej, ciężkiej i obojętnej substancji. My używaliśmy tu bezwodnego siarczanu magnezu, co przy okazji wychwytywało ślady wody.
Po nałożeniu dolewamy czystego rozpuszczalnika do dodatkowego zbiornika nasadzanego na szczyt kolumny, i popychamy ręczną pompką. I tak zaczyna się rozdział.




Inna możliwość, używana gdy mieszaniny jest dużo lub słabo się rozpuszcza, to rozpuścić ją i dosypać do roztworu wypełnienia, po czym wysuszyć. Suche wypełnienie z pochłoniętą mieszaniną po zwilżeniu umieszcza się na już wypełnionej kolumnie, dzięki czemu unikamy rozmycia podczas nasączania.
Może w tym semestrze uda mi się zmontować materiał filmowy przedstawiający napełnianie kolumny i inne podstawowe czynności.



wtorek, 2 kwietnia 2013

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

czwartek, 21 marca 2013

Otrzymywanie i skraplanie amoniaku

Tak więc jestem już na czwartym roku studiów i zaczynam przygotowywać się do czekającego mnie pisania pracy magisterskiej. Wybrałem sobie na promotora dr. Wolińską, zajmującą się syntezą asymetryczną (a dokładnie syntezą katalizatorów do tych syntez), w związku z czym możecie się spodziewać w przyszłym roku większej ilości wpisów okołosyntetycznych.
Zanim jednak dojdę do pracy w laboratorium, otrzymuję pobieżne przeszkolenie w co ważniejszych technikach, w formie przedmiotu Techniki pracy laboratoryjnej. Każdy otrzymuje jakiś temat, który następnie ma omówić teoretycznie oraz zaprezentować praktycznie. Tak się akurat trafiło, że mi dostał się temat Praca z cieczami niskowrzącymi - a tą cieczą którą miałem za zadanie pokazać, był ciekły amoniak.

Amoniak, inaczej azan, będący połączeniem azotu i wodoru, stanowi gaz o silnym, nieprzyjemnym zapachu, w mniejszych stężeniach podobnym do moczu (w dużych stężeniach poraża węch). Nic zresztą dziwnego - powstaje w wyniku rozkładu mocznika w moczu, stanowiącego sposób w jaki nasz organizm stara się wydalić nadmiar amoniaku powstającego przy rozkładzie aminokwasów. Zaburzenia tego procesu, w wyniku mutacji genetycznych, wywołują ciężkie choroby. Pod normalnym ciśnieniem w temperaturze pokojowej jest bezbarwnym gazem, dopiero w temperaturze -33 o C skrapla się do postaci bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło.
Jego cząsteczka ma postać trójkątnej piramidy, z trzema wodorami skierowanymi w jedną stronę azotu, za sprawą odpychania wolnej pary elektronowej. Powoduje to, że cząsteczka ma mocny moment dipolowy, podobny jak cząsteczka wody. Podobnie jak woda ulega autodysocjacji wedle równania:
 2NH3 NH4 + + NH2 -
 W efekcie ciekły amoniak może stanowić rozpuszczalnik zastępujący wodę w sytuacji, gdy rozpuszczane substancje reagują z nią. Takie też jest jego zastosowanie w laboratorium.
Inną cenną cechą jest jego skłonność do roztwarzania metali. Może się to odbywać na dwa sposoby. Gdy metal alkaliczny, na przykład sód, zostanie wrzucony do ciekłego amoniaku wraz z dodatkiem katalizatora (azotan żelaza III), reaguje z nim tworząc amidek, będący bardzo silnym reduktorem. Jego roztwór lub zawiesina w tymże samym rozpuszczalniku stanowi właściwe medium reakcyjne.
Znacznie ciekawiej przebiega reakcja gdy nie dodamy katalizatora - rozpuszczanie przebiega wówczas bardzo powoli, a roztwór przybiera intensywny, błękitny kolor. Podczas rozpuszczania następuje dysproporcjonacja - atomy metalu dzielą się na kationy, kompleksowane przez amoniak, i swobodne elektrony, natychmiast otaczane przez cząsteczki amoniaku. Takie zsolwatowane elektrony stanowią najlżejsze możliwe aniony a w odpowiednich sytuacjach mogą nawet tworzyć sole.

Trzecią korzystną właściwością amoniaku jest lotność - wystarczy lekko podnieść temperaturę aby odparował, pozostawiając suche produkty reakcji, a że wrze w bardzo niskich temperaturach, można w ten sposób uzyskać związki wrażliwe na ogrzewanie.

I to w zasadzie tyle, od strony teoretycznej. Teraz czas na praktyczną stronę ćwiczenia.
Ciekły amoniak do zastosowań laboratoryjnych można uzyskać z butli, tak przechylając ją, aby zlać ciekłą frakcję sprężonego gazu. Niestety tak się złożyło, że akurat pracownia nie miała butli na składzie, w związku z czym amoniak należało wywiązać. Najprostszym sposobem jest podziałanie stężoną zasadą na dowolną sól amonową - w moim przypadku był to chlorek amonu, nazywany salmiakiem:
NH4Cl + NaOH → NH3 + NaCl + H2O
Powstający gazowy amoniak należało skroplić w bardzo niskiej temperaturze, więc zaraz na początku dnia udałem się do pomieszczenia z butlami gazowymi, i w sposób już tu szerzej opisywany, uzyskałem skrzynkę suchego lodu:

Wsypałem do naczynia Dewara aby tak szybko nie sublimował i odważyłem 3 gramy chlorku amonu:

Które wsypałem do dwuszyjnej kolbki kształtem przypominającej serduszko. Odważyłem następnie wodorotlenek potasu w płatkach i rozpuściłem w minimalnej ilości wody aby uzyskać 50% roztwór. Gdy wreszcie zebrała się grupa, wlałem stężony ług do kolbki podłączonej do aparatury o następującym wyglądzie:

Od lewej: Kolbka reakcyjna, płuczka ze środkiem suszącym, kolbka zanurzona w łaźni z suchym lodem, chłodnica wypełniona mieszaniną suchego lodu z acetonem. Chłodnica miała formę pustego płaszcza, jak w naczyniu Dewara, w który wprowadzało się pary, i wgłębionego "palucha" do którego dodawało się mieszaniny chłodzącej. Suchy lód dodany do acetonu, mającego za zadanie  przewodzić ciepło, pozwala osiągnąć temperaturę - 78 stopni C.

Aby przyspieszyć wydzielanie gazu ogrzewałem łagodnie kolbkę dmuchawą przypominającą suszarkę, ale ogrzewającą strumień powietrza powyżej stu stopni. Zawartość kolby burzyła się:

Zaś amoniak nie chciał się skraplać. Po kwadransie zaczęliśmy sądzić, że coś mogło się nie udać, że na przykład płuczka susząca ma za dużą objętość, albo chłodnica za słabo chłodzi. Aż wreszcie po starciu gromadzącego się na kolbce szronu zauważyłem że u wylotu rurki tworzą się bąbelki - jest zatem jakaś ciecz. Potem pozostawało tylko przerwać ogrzewanie i podnieść kolbkę, aby pokazać obecnym kilka centymetrów bezbarwnej cieczy, silnie załamującej światło:

I to było to.
Dodać sodu dla pokazania wyglądu roztworu zapomnieliśmy.