Opgavenbundel Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2 · 2019. 11. 16. · Deze bundel bevat...

EN-SK-ACS2

Windesheim 1 LVO NaSK

Opgavenbundel

Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2

Machiel Stolk

Windesheim

© 2012

EN-SK-ACS2


Inhoudsopgave

1. Inleiding 3.

2. UV-VIS 4.

3. IR 8.

4. MS 21.

5. NMR 28.

6. Combinatiespectra 42.

EN-SK-ACS2


1. Inleiding

Deze bundel bevat opgaven voor het vak Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2. (ACS2). In de boeken die voor dit vak gebruikt worden staan weinig opgaven waar geoefend wordt met het interpreteren van spectra. Door de opgaven uit deze bundel te maken leer je hoe je spectra kunt interpreteren en leer je hoe je op basis van spectra de molecuulformule en de structuurformule van een onbekende stof kunt achterhalen. De antwoorden van deze opgaven staan in een aparte bundel getiteld ’Antwoorden opgavenbundel Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2’.

Veel succes bij dit vak!

Machiel Stolk

EN-SK-ACS2


2. UV-VIS spectroscopie 2.1 Conjugatie Twee stoffen met de molecuulformule C5H8 hebben de maximale absorptie bij de volgende golflengten. Stof λmax 1 176 2 211 1-Penteen 178 Leid met behulp van de gegevens uit de bovenstaande tabel de structuurformules van stof 1 en stof 2 af. 2.2 UV VIS spectrum In onderstaande figuur zijn het UV-VIS spectrum en de structuurformule van tetrafenylcyclopentadienon weergegeven.

Het spectrum bevat twee duidelijke absorptiepieken. Deze pieken worden veroorzaakt door overgang van elektronen van de grondtoestand naar een hogere energietoestand. Een van de pieken wordt veroorzaakt door een n𝜋𝜋* overgang en de andere piek wordt veroorzaakt door een 𝜋𝜋 𝜋𝜋* overgang.

a. Leg uit welke overgang bij welke piek hoort.

b. Welke chromoforen zijn verantwoordelijk voor deze pieken? Leg je antwoord uit.

EN-SK-ACS2


2.3 Kiezen Welke van onderstaande moleculen absorbeert licht met de grootste golflengte? Leg je antwoord uit.

2.4 Kleurstof Onderstaand UV-VIS spectrum is van een bekende kleurstof die gebruikt wordt in voeding. Deze kleurstof staat bekend onder het E nummer E133.

Het molecuul absorbeert licht bij een golflengte van 630 nm. Welke kleur heeft deze kleurstof?

EN-SK-ACS2


2.5 Pyridine Pyridine heeft een UV absorptiepiek bij 270 nm. Wanneer pyridine wordt opgelost in verdund zoutzuur verdwijnt deze absorptieband.

a. Hoe komt het dat door oplossen in verdund zoutzuur de absorptiepiek verdwijnt? Leg je antwoord uit met behulp van structuurformules.

b. Welk type overgang vindt plaats bij 270 nm? Leg je antwoord uit.

2.6 β-caroteen In de onderstaande figuur is het UV-VIS spectrum van β-caroteen gegeven en tevens is de structuurformule van dit molecuul getekend.

EN-SK-ACS2


β-caroteen is verantwoordelijk voor de oranje kleur van wortels.

a. Verklaar met behulp van het spectrum waarom wortels oranje zijn.

b. De molaire extinctiecoëfficiënt van β-caroteen is 60000 M-1 cm-1 in het absorptiemaximun bij 430 nm. Bereken met behulp van de wet van Lambert Beer welk percentage van licht van 430 nm wordt geabsorbeerd in een 0,2 mM β-caroteen oplossing in een cuvet met een weglengte van 1 mm.

c. Hoe groot schat je de molaire extinctiecoëfficiënt van caroteen bij 350 nm? Geef aan hoe je de waarde bepaald hebt.

2.7 Meer-componenten analyse In een oplossing, die Cu2+ - en Ni2+-ionen bevat wordt de concentratie van deze ionen spectrofotometrisch bepaald. Alle metingen worden uitgevoerd in een 1,0 cm-cuvet. De geschikte golflengten voor het uitvoeren van deze meer-componentenanalyse zijn respectievelijk 660 en 430 nm. De volgende meetresultaten worden verkregen: Oplossing Extinctie bij 660 nm Extinctie bij 430 nm 0,100 mol Cu2+ /l 0,100 mol Ni2+/l monsteroplossing

0,398 0,266 0,467

0,006 0,183 0,136

Bereken de concentraties Cu2+- en Ni2+- ionen in de monsteroplossing in mol/L. 2.8 Standaard additiemethode Een zogenaamde “single point” standaard additiemethode wordt gebruikt om de hoeveelheid fosfaat-ionen in urine te bepalen. Hiervoor wordt de indicator molybdeen blauw gebruikt. Molybdeen blauw vormt een complex met fosfaat dat licht van met een golflengte van 820 nm absorbeert. 2,00 mL urine wordt behandeld met molybdeen blauw. Het monster wordt daarna verdund tot 100 mL met demiwater. 25,00 mL van deze verdunde oplossing geeft een extinctie van 0,428. Toevoeging van 1,0 mL oplossing met 0,050 mg fosfaat aan 25,00 mL van de verdunde oplossing geeft een extinctie van 0,517.

a. Bereken de concentratie fosfaat-ionen in de urine in mg/ml

b. Wat is het risico dat je loopt bij deze methode?

EN-SK-ACS2


3. IR spectroscopie 3.1 3-broompropyn Hieronder is het infraroodspectrum van 3-broompropyn gegeven.

Geef aan welke vibraties horen bij de pieken bij 3290 cm–1, 2100 cm–1 en 1205 cm–1 (aangegeven met een pijl in het spectrum). 3.2 Alcoholtest Een instrument om het alcoholgehalte in adem te bepalen is de Datamaster II. De apparaat maakt gebruik van infrarood-spectroscopie. Het infraroodspectrum van alcohol in de gasfase is afgebeeld in figuur 2.

Voor alcoholen in de vloeibare fase heeft de O–H strekvibratie een absorptiegebied heeft dat loopt van 3200 cm–1 tot 3525 cm–1. In het afgebeelde spectrum in figuur 2

EN-SK-ACS2


loopt het absorptiegebied van de O–H strekvibratie van ongeveer 3600 cm–1 tot ongeveer 3750 cm–1.

a. Leg uit waarom het absorptiegebied van de O–H strekvibratie in het infraroodspectrum van alcohol in de gasfase afwijkt van het absorptiegebied van de O–H strekvibratie in het infraroodspectrum van alcohol in de vloeistoffase.

Om van verkeersdeelnemers het ademalcoholgehalte te bepalen, gebruikt de Datamaster II het absorptiegebied tussen 2900 cm–1 en 3000 cm–1. Bij twee golflengten in dit gebied wordt de transmissie gemeten. Vervolgens wordt met deze transmissiewaarden twee keer het ademalcoholgehalte berekend. Als de twee berekende gehalten aan elkaar gelijk zijn, is het ademalcoholgehalte van de verkeersdeelnemer daarmee vastgesteld. Sommige stoffen storen deze bepaling, bijvoorbeeld aceton. Mensen met suikerziekte hebben soms aceton in hun uitgeademde lucht. Het infraroodspectrum van aceton in de gasfase is afgebeeld in figuur 3.

b. Leg aan de hand van de figuren 2 en 3 uit waarom voor mensen met onder andere ook aceton in hun uitgeademde lucht het alcoholgehalte door de Datamaster II niet kan worden berekend.

EN-SK-ACS2


3.3 Eugenol of vaniline Gegeven is het volgende IR spectrum:

Dit spectrum hoort bij of de stof eugenol, de geurveroorzaker in kruidnagel, of bij de stof vanilline, de geurstof in vanille.

Toon aan welke stof bij het spectrum hoort.

Eugenol

Vaniline

EN-SK-ACS2


3.4 C7H12 Onderstaand IR spectrum is van een stof met bovenstaande formule. Welke structuurformule hoort bij dit spectrum? Leg je antwoord uit.

EN-SK-ACS2


3.5 Pentaan en penteen Hieronder vind je het IR spectra van 4-methyl-2-pentanol en 4-methyl-1-penteen. Welk spectrum hoort bij welke verbinding? Leg je antwoord uit en noem drie redenen voor je keuze.

EN-SK-ACS2


3.6 Aromaten Hieronder zijn de infraroodspectra (A en B) van twee onbekende aromaten gegeven. De spectra kunnen van de volgende verbindingen zijn: fenol, acetofenon, benzoëzuur en benzylalcohol.

Leg uit welke verbinding bij infraroodspectrum A en welke verbinding bij infraroodspectrum B hoort.

EN-SK-ACS2


3.7 Drie stoffen en drie spectra (1) Leg uit welke van deze drie stoffen bij welk spectrum hoort.

- Difenylacetyleen - 1-Octeen - cis-2-penteen

Spectrum A

EN-SK-ACS2


Spectrum B

Spectrum C:

EN-SK-ACS2


3.8 Drie stoffen en drie spectra (2) Leg uit welke van deze drie stoffen bij welk spectrum hoort. Spectrum A:

Spectrum B:

Butylacetaat

Butyramide

Laurierzuur

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/Butylacetat.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Butyramide.png

EN-SK-ACS2


Spectrum C:

3.9 Deze opgave begin met een artikel, daarna volgen een aantal vragen. Het artikel is een Nederlandse bewerking van een Engelstalig artikel. Het origineel is te vinden op http://www.improbable.com/airchives/paperair/volume1/v1i3/air-1-3-apples.html

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Appels en peren: Een vergelijking

Scott A. Sandford, NASA Ames Research Center, Mountain View, California

Inleiding We kennen allemaal discussies waarin één van de partijen zijn argumenten probeert te versterken door het gespreksonderwerp te vergelijken met een ander onderwerp of situatie, die herkenbaarder is voor de tegenstander. Vaak resulteert deze strategie in het protest dat “je appels met peren vergelijkt!” Deze opmerking wordt in het algemeen gezien als een doorslaggevend argument tegen de vergelijking of analogie, omdat iedereen weet dat je appels niet met peren kan vergelijken. Nadat ik onlangs beschuldigd werd van het vergelijken van appels met peren, bedacht ik mij dat er verschillende problemen zijn met het verwerpen van analogieën door de appels en peren opmerking. Ten eerste, is de opmerking dat je appels met peren vergelijkt zelf een soort van analogie. Want wanneer je een analogie afkraakt door deze te beschuldigen van het vergelijken van appels met peren, ben je zelf ook appels met peren aan het vergelijken. Belangrijker is dat het niet moeilijk is om te laten zien dat appels en peren wel degelijk met elkaar vergeleken kunnen worden (zie figuur 1).

http://www.improbable.com/airchives/paperair/volume1/v1i3/air-1-3-apples.html

EN-SK-ACS2


Figuur 1: een Granny Smith appel en Conference peer

Materiaal en Methode Monsters van de appel en de peer werden bereid door beide vruchten meerdere dagen op 60°C in een oven te laten drogen. De gedroogde vruchten werden in een mortier fijngemalen en gemengd met kaliumbromide. Van beide poeders werd honderd milligram genomen. Deze hoeveelheden werden geperst tot twee cirkelvormige pillen, met een diamter van 1 cm en een dikte van 1 mm. Infrarood transmissie spectra werden opgenomen, met een resolutie van 1 cm-1, met behulp van een Nicolet 740 FTIR spectrophotometer. Figuur 2 toont de infrarood transmissie spectra van een Granny Smith appel en een Conference peer.

Figuur 2: een vergelijking van de 4000- 400 cm-1 (2.5 – 25.5 µm) infrarood transmissie spectra

van een Granny Smith appel en een Conference peer

EN-SK-ACS2


Conclusies Niet alleen was deze vergelijking tussen appels en peren makkelijk te maken, maar het is erg duidelijk uit figuur 2 dat appels en peren erg op elkaar lijken. Dus, het lijkt erop dat de “appels met peren vergelijken” verdediging niet meer klopt. Dat is een bijzonder resultaat. Het zal dramatische gevolgen hebben voor strategieën die gebruikt worden in toekomstige discussies.

Over de auteur Dr. Scott Sandford werkt bij de afdeling astrofysica van het Ames onderzoekscentrum. Hij doet onderzoek naar meteorieten. Hij heeft onder andere veel meteorieten gevonden op Antartica. Dr. Sandford doet ook veel onderzoek naar moleculen in de ruimte, die interessant kunnen zijn voor buitenaards leven. Dr. Sandford is getrouwd en heeft een zoon, Nathan, van 4.5 maanden oud. Hij houdt van kamperen, skiën, en het lezen van science fiction. Zijn homepage vind je hier:

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vragen a en b gaan over figuur 2.

a. De appel en de peer geven tussen 3600 en 3200 cm-1 een grote absorptie. Welke vibratie van welke groep is hiervoor verantwoordelijk?

b. Welke vibratie veroorzaakt het kleine piekje aan de grote bult? De volgende vragen gaan over het artikel als geheel.

c. De IR spectra van beide vruchten lijken nogal op elkaar. Vind je dat dr. Sandford gelijk heeft en dat je niet mag zeggen dat appels en peren niet op elkaar lijken?

d. En wat betekent gelijk hebben hier volgens jou? e. Heeft het onderzoek echt getest wat de wetenschapper dacht dat hij aan het

testen was?

EN-SK-ACS2


4. Massaspectrometrie 4.1 Formules uit ‘Foundations of Spectroscopy’

a. Laat zien dat uit formules (1.1) en (1.2), formule (1.3) kan worden afgeleid.

b. Leg uit wat de invloed van de grootte van het magnetisch veld B en het elektrisch veld V is op de grootte van R.

c. Wat is de functie van de ‘elektrostatic analyser’ in figuur 1.2?

4.2 Zwaveldioxide Het onderstaande massaspectrum is van zwaveldioxide (SO2).

a. Geef de formules van de fragmenten bij de signalen waar een m/z waarde bij

staat.

b. Bij m/z = 66 is een signaal zichtbaar. Leg uit hoe dit komt, en verklaar de intensiteit van deze piek.

EN-SK-ACS2


4.3 C, H en O Onderstaand massaspectrum is van een stof waarvan de moleculen alleen C, H en O atomen bevatten.

Identificeer met behulp van het massaspectrum de stof en geef de structuurformule van deze stof. 4.4 Pieken identificeren Hieronder is het massaspectrum van 2-ethoxybutaan gegeven.

O

EN-SK-ACS2


a. Welke fragmenten veroorzaken de pieken bij m/z = 29, 57, 73 en 87? Geef hun structuurformule en geef de naam van het type reactie waardoor deze fragmenten gevormd worden.

b. De piek bij m/z = 45 wordt veroorzaakt door het ion van een primair alcohol. Geef de structuurformule van dit fragment.

4.5 Keton Onderstaand massaspectrum is van een keton.

Identificeer met behulp van het massaspectrum de stof en geef de structuurformule van deze stof.

4.6 C, H, O en nog iets. Onderstaand massaspectrum is van een stof die, onder andere, C, H en O bevat.

EN-SK-ACS2


Identificeer met behulp van het massaspectrum de stof en geef de structuurformule van deze stof.

4.7 Twee ketonen Hieronder staan de massaspectra van 2 ketonen gegeven Deze ketonen zijn isomeren en hebben als molecuulformule C5H10O.

Identificeer met behulp de massaspectra welke stof bij welk spectrum hoort.

4.8 Twee isomeren Onderstaande massaspectra zijn twee isomeren van de stof C2H2F4

A

EN-SK-ACS2


Identificeer met behulp van het massaspectra welke isomeer bij welk spectrum hoort. 4.9: Wie van de drie? Hieronder staan, in willekeurige volgorde, de massaspectra van de isomeren 1-pentanol (een primair alcohol), 2-pentanol (een secundair alcohol) en 2-methyl-2-butanol (een tertiair alcohol) weergegeven.

B

EN-SK-ACS2


Het fragment-ion bij m/z = 55 komt in alle drie de spectra voor.

a. Welke groepen zijn afgesplitst van het molecuulion om een fragment-ion bij m/z = 55 op te leveren?

b. Leid af welke verbinding bij welk spectrum hoort.

EN-SK-ACS2


4.10 5 structuurformules, 1 massaspectrum

Beargumenteer welk molecuul bij het onderstaande massaspectrum past. Geef minimaal 3 fragmenten bij de verschillende pieken (niet de moleculair ion piek). Geef ook de fragmentatiereacties van deze fragmenten in structuurformules.

A B C

O

O

O

O

D E F

O

O

O

O H

EN-SK-ACS2


5. NMR spectroscopie 5.1:Propaanzuur Het onderstaande H-NMR spectrum is van propaanzuur.

Verklaar met behulp van de structuurformule van propaanzuur de plek, de integraal en de splitting van de signalen.

EN-SK-ACS2


5.2 2-butanol Het onderstaande H-NMR spectrum is van 2-butanol.

Verklaar met behulp van de structuurformule van 2- butanol de plek, de integraal en de splitting van de signalen.

EN-SK-ACS2


5.3 C4H7ClO2 Gegeven is het H-NMR spectrum van een stof met als molecuulformule C4H7ClO2

Leid met behulp van het bovenstaande spectrum de structuurformule voor deze stof af.

EN-SK-ACS2


5.4 Isomeer Het onderstaande H-NMR spectrum is van een isomeer van propaanzuur.

Leid met behulp van het bovenstaande spectrum de structuurformule voor deze stof af.

EN-SK-ACS2


5.5 Benzediol De onderstaande H-NMR spectra zijn van twee isomeren van benzediol.

Leid uit bovenstaande spectra af welke isomeer bij elk spectrum hoort.

EN-SK-ACS2


5.6 Ester Het onderstaande H-NMR spectrum is van een ester.

Leid uit bovenstaand spectrum de structuurformule van deze ester af.

EN-SK-ACS2


5.7 Drie isomeren De onderstaande H-NMR spectra zijn van drie isomeren. Deze isomeren bevatten de volgende atoomsoorten: C, H, N en O.

EN-SK-ACS2


EN-SK-ACS2


5.8 C8H12O4 Het onderstaande H-NMR spectrum is van een stof die als molecuulformule C4H12O4 heeft.

Leid uit het bovenstaande spectrum de structuurformule van deze stof af.

EN-SK-ACS2


5.9 1-broom-2-methylpropaan Het onderstaande 13C-NMR spectrum is van 1-broom-2-methylpropaan.

Verklaar met behulp van de structuurformule van deze stof en de 13C NMR tabel de plek en de hoogte van de signalen.

EN-SK-ACS2


5.10 Twee isomeren Onderstaande 13C NMR spectra zijn van 4-methylbenzeencarbonzuur en van 2,6-dimethyl-2,5-cyclohexadieen-2,4-dion. Beide stoffen zijn isomeren en hebben de molecuulformule C8H8O2

4-methylbenzeencarbonzuur 2,6-dimethyl-2,5-cyclohexadieen-2,4-dion

EN-SK-ACS2



EN-SK-ACS2


5.11 C4H8O2 Het onderstaande 13C-NMR spectrum is van een stof die als molecuulformule C4H8O2 heeft.

Leid uit het bovenstaande spectrum de structuurformule van deze stof af.

EN-SK-ACS2


6. Combinatiespectra Leid, met behulp van onderstaande IR en MS spectra, de molecuulformule en mogelijke structuurformules af van deze koolwaterstoffen af.

6.1

EN-SK-ACS2


6.2

EN-SK-ACS2


6.3

EN-SK-ACS2


Hieronder zijn de IR,, 13C-NMR, en H-NMR spectra van een aantal onbekende koolwaterstoffen gegeven. Deze koolwaterstoffen bevatten naast C en H ook O atomen. Leid uit de onderstaande spectra de structuurformule en de systematische naam van deze stoffen af. 6.4

EN-SK-ACS2


EN-SK-ACS2


6.5

EN-SK-ACS2


EN-SK-ACS2


6.6

EN-SK-ACS2


EN-SK-ACS2


6.7

EN-SK-ACS2


EN-SK-ACS2


6.8

EN-SK-ACS2


Opgavenbundel Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2 · 2019. 11. 16. · Deze bundel bevat...

Documents

Transcript of Opgavenbundel Analytische Chemie en Spectrometrie, deel 2 · 2019. 11. 16. · Deze bundel bevat...