Hoofdstuk 3
Scheidingsmethoden
§1 Zuivere stoffen en mengsels §2 Bezinken en filtreren §3 Indampen en destilleren §4 Extraheren, adsorptie en chromatografie
§1 Zuivere stoffen en mengsels
In deze paragraaf gaan we het verschil tussen zuivere stoffen en mengsels bespreken. We gaan ook een techniek leren waarmee we kunnen bepalen of een stof zuiver is of niet.
Als een bepaald materiaal uit één soort stof bestaat, dan noemen we dit materiaal zuiver. Helemaal zuiver zijn stoffen eigenlijk nooit, maar er zijn een aantal stoffen die redelijk in de buurt komen. Denk bijvoorbeeld aan een suikerklontje of een stuk koperdraad. Als een materiaal uit meerdere stoffen bestaat, dan noemen we dit een mengsel. Een voorbeeld van een mengsel is beton. Dit is een mengsel van water, zand, cement en grind. Zelfs het water uit de kraan is een mengsel. Hieronder zien we een label van een flesje mineraalwater. Op dit label staat dat er in het water allerlei stoffen zijn opgelost, zoals calcium, magnesium en natrium.
We kunnen met een simpel experiment bepalen of een materiaal een zuivere stof of een mengsel is. Neem bijvoorbeeld de zuivere stof tin. Als we deze stof geleidelijk verwarmen, dan begint het te smelten bij een temperatuur van 232 °C. Gedurende de periode waarin het tin aan het smelten is, blijft de temperatuur 232 °C. We noemen dit het smeltpunt van tin (zie de onderstaande afbeelding).
De reden dat de temperatuur tijdens het smelten niet hoger wordt, is omdat de warmte tijdens het smelten niet gebruikt wordt om het tin te laten smelten, maar om de sterke bindingen tussen de tin-atomen te verbreken. Dit is nodig om het tin vloeibaar te maken. Als je de temperatuur van tin verhoogd tot 2602 °C, dan begint het te koken. Ook hier zien we dat de temperatuur constant blijft tot het moment dat al het tin is verdampt.
Als we een mengsel verwarmen, dan zien we een ander patroon. Omdat de verschillende stoffen in een mengsel allemaal andere smeltpunten hebben, is er geen eenduidig smeltpunt. Als gevolg blijft de temperatuur tijdens het smelten en het koken niet constant. De temperatuurstijging tijdens het smelten noemen we het smelttraject en de temperatuurstijging tijdens het koken het kooktraject (zie de onderstaande afbeelding).
Door te achterhalen of een stof een smeltpunt of een smelttraject heeft, kunnen we dus bepalen of een stof een zuivere stof of een mengsel is!
Zorg dat je kan aantonen of een stof een zuivere stof of een mengsel is
| ||||||||||||||||||||
|
§2 Bezinken en filtreren
In de rest van het hoofdstuk gaan we verschillende scheidingsmethoden bespreken waarmee we de stoffen in een mengsel kunnen scheiden.
Het is gemakkelijk om van twee zuivere stoffen een mengsel te maken, maar het omgekeerde is vaak lastiger. Stel je mengt suiker en meel. In dat geval komen vele duizenden suikerkorrels en meelkorrels door elkaar te liggen. Het lijkt misschien een onmogelijke taak om deze stoffen weer te scheiden, maar toch bestaan er een aantal technieken om dit te doen. We noemen dit scheidingsmethoden.
De simpelste scheidingsmethode wordt bezinken genoemd. Stel we hebben een mengsel van zand en water. Om dit mengsel voor een deel te scheiden hebben we alleen een beetje geduld nodig. Omdat zand een grotere dichtheid heeft dan water, zakt het na verloop van tijd vanzelf naar de bodem (zie de onderstaande afbeelding). De stof die op de bodem komt te liggen—in dit geval het zand—noemen we het bezinksel.
(Afbeelding: Tummers77; CC BY-SA 4.0)
Een andere bekende scheidingsmethode wordt filtreren genoemd. Hiermee kunnen we suspensies scheiden. Een filter is een stukje papier met daarin microscopische gaatjes waar losse deeltjes gemakkelijk doorheen gaan, maar waar de klontjes in een suspensie in blijven steken. In de onderstaande afbeelding zien we een gele suspensie die in een filter wordt geschonken. De gele korrels blijven in het filter hangen, terwijl de waterdeeltjes gemakkelijk door het filter stromen en in het bekerglas terecht komen. Bij deze scheidingsmethode wordt dus gebruik gemaakt van het verschil in grootte van de verschillende stoffen in het mengsel. De stof die achter blijft in het filter noemen we het residu. De stof die door het filter stroomt noemen we het filtraat.
Een mondkapje is ook een voorbeeld van een filter. Lucht gaat moeiteloos door dit filter heen, omdat dit gas uit losse deeltjes bestaat. Rookdeeltjes blijven bijvoorbeeld in het filter hangen, omdat deze stoffen uit grotere klontjes met vele deeltjes bestaan (rook bestaat uit stukjes vaste stof). Op deze manier kunnen we ademen zonder deze rookdeeltjes binnen te krijgen. Het nadeel van een mondkapje is dat schadelijke gassen wel gewoon door het filter heen kunnen. Hiertegen beschermt een mondkapje dus niet.
|
Zorg dat je kan redeneren met het scheiden van suspensies door middel van bezinken en filtratie
|
|
§3 Indampen en destilleren
In deze paragraaf gaan we nog twee scheidingsmethoden bestuderen, genaamd indampen en bezinken.
In de vorige paragraaf hebben we geleerd dat we suspensies kunnen scheiden met een filter. In het geval van een oplossing gaat dit echter niet lukken. Een oplossing bestaat immers uit allemaal losse deeltjes en die gaan dus allemaal door het filter. We hebben in dat geval dus een andere scheidingsmethode nodig.
De simpelste manier om een oplossing te scheiden wordt indampen genoemd. Indampen is het verhitten van een oplossing, zodat één stof in de oplossing verdampt, terwijl de andere achterblijft (zie de onderstaande linker afbeelding). Neem bijvoorbeeld zeewater. Als we zeewater aan de kook brengen, dan zal het water verdampen, maar het zout niet. Zout heeft namelijk een kookpunt van wel 1413 °C! Bij deze techniek maken we dus gebruik van het verschil in kookpunt om verschillende stoffen te scheiden.
Bij indampen van zeewater hou je zout over, maar wat als je nu juist het water wilt hebben? Bijvoorbeeld om drinkwater van zeewater te maken. In dat geval gebruiken we een scheidingsmethode die destillatie wordt genoemd. Bij destillatie vangen we de verdampte stof op in een afgekoelde buis. De lage temperatuur van deze buis zorgt ervoor dat de verdampte stof gemakkelijk condenseert. De druppels die hierbij ontstaan glijden door de buis naar beneden en worden opgevangen in een erlenmeyer (zie de onderstaande afbeelding). De stof die achter blijft noemen we wederom het residu. De stof die opgevangen wordt noemen we het destillaat.
Destillatie kan bijvoorbeeld gebruikt worden om (bijna) zuivere alcohol uit wijn te halen. Wijn bestaat voor het grootste gedeelte uit water en alcohol. Water heeft een kookpunt van 100 °C en alcohol van 78 °C. Als we de wijn verhitten tussen deze twee kookpunten in, dan verdampt de alcohol wel, maar het water niet. Op deze manier kan je bijna pure alcohol verkrijgen. Pure alcohol is een brandstof en kan met een lucifer in brand worden gestoken.
Zelfs als we kraanwater destilleren blijft er een residu achter (zie de onderstaande afbeelding). Het residu bestaat voornamelijk uit kalk. Dit zelfde proces zorgt bijvoorbeeld voor kalkaanslag in de badkamer. Het water dat we opvangen bij de destillatie van water noemen we gedestilleerd water. Dit is (bijna) zuiver water.
|
Zorg dat je kan redeneren met het scheiden van stoffen met behulp van indampen en destillatie
|
|
§4 Extraheren, adsorptie en chromatografie
In deze paragraaf gaan we nog twee scheidingsmethoden bestuderen, genaamd extreheren en adsorptie.
Een andere scheidingsmethode wordt extraheren genoemd. Extraheren werkt als één van de stoffen in een mengsel oplosbaar is en de andere niet. In zoutmijnen zit zout bijvoorbeeld vaak vast in poreuze stenen. Als we het zout uit de stenen willen verwijderen, dan voegen we eerst warm water toe. Het zout lost op in dit water, maar het steen natuurlijk niet.
We zijn ook aan het extraheren als we een theezakje in heet water dopen. Een aantal stoffen uit de theeblaadjes lost op in het water, terwijl andere stoffen achterblijven (zie de onderstaande linker afbeelding). Merk op dat het theezakje ook dient als een filter, waar de theeblaadjes niet doorheen kunnen. In de rechter afbeelding zien we een theezakje in koud water en een theezakje in warm water. Zoals je kan zien werkt extraheren beter bij hogere temperatuur. Dit komt omdat deeltjes bij hogere temperatuur sneller bewegen.
(Afbeelding: Pixabay; PD)
Een andere scheidingsmethode wordt adsorptie genoemd (niet te verwarren met 'absorptie'). Adsorptie is het proces waarbij moleculen zich hechten aan een andere stof. Het bekendste adsorptiemiddel is actieve kool. Dit is een zwart poeder waarin vele microscopische poriën zitten (zie de onderstaande afbeelding). Sommige stoffen blijven in deze poriën vastzitten.
(Afbeelding: Ravedave; CC BY 2.5 / SomnathWiki007; CC BY 4.0)
De laatste scheidingsmethode van dit hoofdstuk wordt chromatografie genoemd. Hieronder zien we een strookje papier met daarop een paar stippen gemaakt met een viltstift. Het strookje is in water geplaatst en het water trekt langzaam door het papier omhoog. Omdat de verschillende stoffen in de stip meer of minder goed oplossen en ook meer of minder goed aan papier adsorberen, zullen de verschillende stoffen in verschillende mate door het water mee omhoog worden getrokken. Als gevolg worden de verschillende stoffen van elkaar gescheiden.
(Afbeelding: RolandKrebs; CC BY 3.0)
Als je de hoogte die een bepaalde stof bereikt deelt door hoe hoog het water komt vanaf de stip, dan vind je de zogenaamde Rf-waarde. In formuletaal ziet dit er als volgt uit:
$$ R_f = \frac{\text{hoogte van stof}}{\text{hoogte van water}} $$Elke stof heeft zijn eigen Rf-waarde en aan de hand van deze waarde kunnen we dus de stof achterhalen. De meeste stoffen komen niet netjes op één hoogte uit, maar vormen een vlek op het papier. Je meet in dat geval de hoogte tot aan het midden van de vlek.
|
Zorg dat je kan redeneren met het scheiden van stoffen met behulp van extraheren, adsorptie en chromatografie
|
|
