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

Miareczkowanie kompleksometryczne z PAN

Dawno już nie wrzucałem nowych filmów z laboratorium - zaległość niniejszym nadrabiam.

Podczas zajęć ze spektrofotometrii jednym z elementów ćwiczenia dotyczącego oznaczania miedzi obok kobaltu, było miareczkowanie roztworów wzorcowych, aby określić dokładnie ich stężenie. Ponieważ zmiany koloru zachodziły bardzo wyraźnie, nie omieszkałem utrwalić tego na filmie, który podam niżej.
Zanim jednak go obejrzycie, muszę objaśnić coś na temat samej metodyki takiego oznaczania.

Miareczkowanie to jedna z najprostszych technik analizy ilościowej. Zasadniczo polega na przeprowadzaniu reakcji między roztworem składnika jaki mamy oznaczać, nazywanego analitem, i roztworem substancji, która z nim reaguje, nazywanym titrantem. W miarę dodawania tej substancji, ilość naszego badanego składnika maleje, aż do całkowitego zaniku. Jeśli będziemy wiedzieli jaka objętość roztworu titranta była potrzebna do osiągnięcia tego punktu i będziemy dokładnie znali jego stężenie, to wiedząc w jakim stosunku ze sobą reagują będziemy mogli wyliczyć ilość analitu w badanym roztworze z całkiem przyzwoitą dokładnością.
Teraz jedynym problemem jest to, jak wyznaczyć punkt całkowitego przereagowania. W technikach alkacymetrycznych, gdzie oznaczane są kwasy lub zasady przy pomocy zobojętniającego je titranta, używa się wskaźników pH, które zmieniają barwę ze zmianami odczynu. Na przykład bezbarwna w kwasach fenoloftaleina, w zasadach staje się malinowa, a oranż metylowy z żółtego staje się pomarańczowy. W technikach redoksymetrycznych, gdzie badana substancja jest utleniana lub redukowana, wskaźnik zmienia barwę ulegając którejś z tych reakcji.
W przypadku kompleksometrii analizowana substancja tworzy z dodawanym związkiem kompleks - połączenie jonowe z przeniesieniem pary elektronowej. Substancją tą są zwykle sole metali, a związkiem kompleksującym cząsteczka zawierająca wolne pary elektronowe - a więc posiadająca tlen, azot lub siarkę. Najbardziej popularnym takim związkiem jest EDTA - kwas etylenodiaminotetraoctowy.

Tworzy on z kationami metali bardzo trwałe kompleksy połączone przez kilka wiązań - chelaty - łącząc się w stosunku 1:1. Jest jednak niestety bezbarwny i dlatego aby móc wyłapać punkt końcowy, należy użyć odpowiedniego wskaźnika. Pomysł działania takich wskaźników opiera się na prostej zasadzie - związek  tworzący silniejszy kompleks wypiera ten słabszy. Jeśli nasz wskaźnik będzie tworzył z oznaczanym metalem zabarwiony kompleks, a wolny będzie bezbarwny lub zabarwiony całkiem inaczej, to po dodaniu EDTA do roztworu analitu ze wskaźnikiem i jego wyparciu, roztwór zmienia kolor. Jeden taki przypadek już omawiałem - gdy podczas badania wody mineralnej miareczkowałem wapń z czernią eriochromową, zmieniającą kolor z fioletowego na ziebieski.

Jak rzecz się miała w tym przypadku?
Wskaźnikiem był 1-(2-pirydyloazo)-2-naftol. Ten prosty związek azowy ma silne, pomarańczowe zabarwienie:

Po dodaniu kilku kropli do lekko zasadowego (bufor octanowy) roztworu soli miedzi zmienił jednak barwę podczas tworzenia kompleksu. Instrukcja podawała, że powinien być ciemnoróżowy, zaś w punkcie końcowym zmienić barwę na żółtą, ale rzecz wyglądała w naszym przypadku nieco inaczej, zresztą sami zobaczcie:

Całkiem ładny fiolet zamienił się w zieleń.

Kiedyś w laboratorium (24.)

Na zajęciach z chemii nieorganicznej mieliśmy klasyczne doświadczenie z reakcją metalicznego sodu z wodą. Kawałeczek sodu wrzucono do próbówki zawierającej wodę z fenoloftaleiną i warstewkę oleju parafinowego. Gdy kawałek sodu dotknął wody, zaczęła się burzliwa reakcja, w wyniku której fenoloftaleina zabarwiła się, a metal stopił w metaliczną kulkę wielkości łebka od szpilki. Ponieważ stopiony sód okazał się nieco lżejszy od oleju parafinowego, wypłynął i zakończył reakcję takim oto widokiem:

W większej (wręcz gigantycznej) skali polecam ten film, na którym po wojnie amerykanie niszczą kilka ton sodu z niemieckich bomb zapalających, wrzucając go do morza.

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.