Analytic Chemistry

# Fundamentos de las reacciones redox Las reacciones redox, también conocidas como reacciones de transferencia de electrones, son fundamentales en numerosos procesos químicos y biológicos. ## 1. Definición de oxidación y reducción La oxidación se define como la pérdida de electrones por parte de una especie química (átomo, molécula o ion). Por el contrario, la reducción es la ganancia de electrones por parte de una especie química. Estas dos procesos están intrínsecamente ligados y ocurren simultáneamente en lo que se conoce como reacciones redox [1](#page=1). Las ecuaciones generales para estos procesos acoplados son: **Oxidación:** $A_{red} \rightleftharpoons A_{ox} + n e^-$ **Reducción:** $n e^- + B_{ox} \rightleftharpoons B_{red}$ **Reacción Redox Completa:** $A_{red} + B_{ox} \rightleftharpoons A_{ox} + B_{red}$ > **Tip:** Una mnemotecnia útil para recordar la oxidación y reducción es: "Una partícula se oxida, cuando electrones pierde. En reducción, es al revés, la cantidad de electrones se incrementa." [1](#page=1). ### 1.1 Agentes reductores y oxidantes En una reacción redox, la especie que se oxida (pierde electrones) se denomina **agente reductor** porque proporciona los electrones necesarios para el proceso de reducción. La especie que se reduce (gana electrones) se denomina **agente oxidante** porque "arrastra" los electrones de la especie que se está oxidando [1](#page=1). Es importante destacar que la designación de una sustancia como agente reductor u oxidante no es absoluta, sino relativa. Depende de con qué otro reactivo interactúe [1](#page=1). > **Tip:** La regla general para identificar el ánodo y el cátodo es: "Ánodo = Oxidación" y "Cátodo = Reducción" (AN OX, RED CAT) [1](#page=1) [2](#page=2). ### 1.2 Oxidación y reducción en electrólisis Además de la transferencia directa de electrones entre compuestos, la oxidación y reducción también pueden ocurrir mediante el uso de corriente eléctrica, un proceso conocido como electrólisis. En la electrólisis, la reducción y la oxidación pueden ocurrir espacialmente separadas en los electrodos [2](#page=2). Las reglas para la electrólisis son: * Los aniones (iones negativos) migran hacia el ánodo (electrodo positivo), donde se oxidan [2](#page=2). * Los cationes (iones positivos) migran hacia el cátodo (electrodo negativo), donde se reducen [2](#page=2). La electrólisis puede llevarse a cabo tanto en sales fundidas como en soluciones, y se utiliza en procesos como la producción de metales (ej. aluminio) o la obtención de cloro y sosa cáustica [2](#page=2). ### 1.3 El papel de los números de oxidación Los números de oxidación son cruciales para describir y comprender los procesos redox. Estos números indican el grado de oxidación o reducción de un átomo dentro de un compuesto y ayudan a rastrear los desplazamientos de electrones en las reacciones [2](#page=2). > **Example:** El proceso de electrólisis del agua es un ejemplo visual de cómo la oxidación y la reducción ocurren en electrodos separados [2](#page=2). ### 1.4 Determinación de números de oxidación Los números de oxidación se determinan siguiendo reglas específicas. Estos números ayudan a desglosar formalmente una reacción redox en dos semirreacciones: una de entrega de electrones (oxidación) y otra de aceptación de electrones (reducción). Aunque la reacción real no ocurre en estos pasos separados, este enfoque es útil para el balanceo [3](#page=3). Consideraciones importantes al formular reacciones en solución acuosa: * Los cationes formalmente de alta carga positiva no aparecen libres, sino enlazados con "O²⁻". Ejemplos incluyen el ion nitrato ($NO_3^-$) (N con +V) o el ion permanganato ($MnO_4^-$) (Mn con +VII) [3](#page=3). * El oxígeno de compuestos que formalmente contienen O²⁻ se convierte a $H_2O$ o $OH^-$ dependiendo del pH, ya que el ion O²⁻ es prácticamente inexistente en solución acuosa debido a su alta basicidad [3](#page=3). > **Example:** La reacción $MnO_4^-$ (permanganato) + $8 H^+$ + $5 e^-$ → $Mn^{2+}$ + $4 H_2O$ (reducción) y $Fe^{2+}$ → $Fe^{3+}$ + $e^-$ (oxidación, multiplicada por 5 para igualar electrones) permite balancear la reacción redox completa: $MnO_4^-$ + $8 H^+$ + $5 Fe^{2+}$ → $Mn^{2+}$ + $4 H_2O$ + $5 Fe^{3+}$ [3](#page=3). #### 1.4.1 Equivalente redox El equivalente redox se define como el peso molecular dividido por el número de electrones intercambiados ($M_r / n(e^-)$). El número de equivalentes redox, también conocido como "Normalidad" (N), se calcula multiplicando el número de moles por el número de electrones de intercambio. Por ejemplo, una solución 0.1 M de $KMnO_4$ es 0.5 N, ya que el $MnO_4^-$ en esa semirreacción intercambia 5 electrones [3](#page=3). ## 1.5 Notación de celdas electroquímicas (celdas galvánicas) La capacidad relativa de una especie química para aceptar o ceder electrones, que no es absoluta, puede determinarse experimentalmente y se expresa como potencial redox. Las reacciones redox se pueden dividir en dos semirreacciones, que pueden ser detectadas experimentalmente como procesos anódicos o catódicos en celdas electroquímicas apropiadas [4](#page=4). ### 1.5.1 Celdas galvánicas Luigi Galvani observó en 1780 que los músculos de rana se contraían al entrar en contacto con metales como el cobre y el hierro, creando inadvertidamente un circuito. Alessandro Volta (1745-1827) continuó este trabajo, sentando las bases para las celdas electroquímicas, también conocidas como celdas galvánicas o elementos galvánicos [4](#page=4). > **Tip:** Una celda electroquímica, también llamada elemento electroquímico, es una celda galvánica cuando puede servir como fuente de corriente [4](#page=4). Un ejemplo clásico es la reacción entre zinc (Zn) y cobre (Cu). Si se sumerge un electrodo de Cu en una solución 1 M de $Cu^{2+}$ y un electrodo de Zn en una solución 1 M de $Zn^{2+}$ (idealmente con actividad unitaria), se puede medir una diferencia de potencial de 1.10 voltios entre los dos electrodos [4](#page=4). Las semirreacciones en este caso son: * **Oxidación (ánodo):** $Zn \rightleftharpoons Zn^{2+} + 2 e^-$ * **Reducción (cátodo):** $Cu^{2+} + 2 e^- \rightleftharpoons Cu$ La reacción neta es: $Cu^{2+} + Zn \rightleftharpoons Zn^{2+} + Cu$. Este montaje se conoce como la celda de Daniell. En esta reacción, el Zn se oxida más fácilmente que el H₂ [4](#page=4). --- # Potenciales redox y celdas electroquímicas Claro, aquí tienes un resumen detallado sobre potenciales redox y celdas electroquímicas, listo para tu guía de estudio. ## 2. Potenciales redox y celdas electroquímicas Este tema explora la medición y el comportamiento de las reacciones redox a través de celdas electroquímicas, definiendo potenciales estándar y utilizando la ecuación de Nernst para predecir su comportamiento bajo diversas condiciones. ### 2.1 Celdas electroquímicas (celdas galvánicas) Las celdas electroquímicas, también conocidas como celdas galvánicas o elementos galvánicos, aprovechan las reacciones redox para generar energía eléctrica. Fueron un desarrollo posterior a los experimentos de Luigi Galvani, quien observó la contracción muscular en patas de rana en contacto con metales diferentes. Alessandro Volta construyó sobre estos hallazgos [4](#page=4). Una reacción redox puede dividirse en dos semirreacciones: oxidación y reducción. En una celda galvánica, estas semirreacciones se separan físicamente, permitiendo que los electrones fluyan a través de un circuito externo, produciendo electricidad [4](#page=4). #### 2.1.1 El elemento Daniell Un ejemplo clásico es el elemento Daniell, que consta de un electrodo de zinc en una solución de iones Zn$^{2+}$ y un electrodo de cobre en una solución de iones Cu$^{2+}$. Si las concentraciones de ambos iones son 1 M y las condiciones son estándar, se observa una diferencia de potencial de $1.10$ V [4](#page=4). * **Semirreacción de oxidación (ánodo):** $\text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + 2 \text{e}^-$ [5](#page=5). * **Semirreacción de reducción (cátodo):** $\text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{Cu(s)}$ [5](#page=5). * **Reacción global:** $\text{Cu}^{2+}\text{(aq)} + \text{Zn(s)} \rightarrow \text{Zn}^{2+}\text{(aq)} + \text{Cu(s)}$ [4](#page=4). Una celda galvánica típica incluye: * **Ánodo:** Donde ocurre la oxidación. * **Cátodo:** Donde ocurre la reducción. * **Electrolitos:** Soluciones que contienen los iones relevantes. * **Puente salino o diafragma:** Permite el flujo de iones para mantener la neutralidad eléctrica entre los compartimentos, pero evita la mezcla directa de las soluciones [5](#page=5). #### 2.1.2 Ejemplos de celdas electroquímicas * **Batería de plomo-ácido:** Utilizada en automóviles, con reacciones de carga y descarga que involucran electrodos de plomo y dióxido de plomo en ácido sulfúrico [5](#page=5). * Descarga: $\text{Pb(s)} + \text{SO}_4^{2-}\text{(aq)} \rightarrow \text{PbSO}_4\text{(f)} + 2 \text{e}^-$ (ánodo) y $\text{PbO}_2\text{(f)} + 4 \text{H}^+ + \text{SO}_4^{2-} + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{PbSO}_4\text{(f)} + 2 \text{H}_2\text{O}$ (cátodo) [5](#page=5). * **Pilas de combustible:** Convierten la energía de la oxidación de gases como hidrógeno o metano directamente en energía eléctrica, siendo más eficientes que la combustión directa [5](#page=5) [6](#page=6). * En una pila de combustible alcalina (H$_2$/O$_2$): * Ánodo: $2 \text{H}_2\text{(g)} + 4 \text{OH}^- \rightarrow 4 \text{H}_2\text{O} + 4 \text{e}^-$ [6](#page=6). * Cátodo: $\text{O}_2\text{(g)} + 2 \text{H}_2\text{O} + 4 \text{e}^- \rightarrow 4 \text{OH}^-$ [6](#page=6). * Reacción global: $2 \text{H}_2\text{(g)} + \text{O}_2\text{(g)} \rightarrow 2 \text{H}_2\text{O}$ [6](#page=6). ### 2.2 Potenciales estándar y la ecuación de Nernst Para comparar sistemáticamente los potenciales medidos, se utiliza un sistema de referencia: el potencial estándar de la **celda de hidrógeno estándar (SHE)**, al cual se le asigna un valor de $0.000$ V bajo condiciones estándar ($p(\text{H}_2) = 1.013$ bar, $T = 298$ K, $[ \text{H}^+ ] = 1$ M) [7](#page=7). Las **potenciales de reducción estándar** ($E^\circ$) se tabulan para diversas semirreacciones y representan la tendencia de una especie a ser reducida [8](#page=8). #### 2.2.1 Determinación de potenciales estándar El potencial estándar de una celda galvánica ($\Delta E^\circ$) se calcula como la diferencia entre el potencial de reducción de la semirreacción del cátodo y el potencial de reducción de la semirreacción del ánodo: $$ \Delta E^\circ = E^\circ_{\text{Red}} - E^\circ_{\text{Ox}} $$ [8](#page=8). Donde $E^\circ_{\text{Red}}$ es el potencial estándar de la semirreacción de reducción y $E^\circ_{\text{Ox}}$ es el potencial estándar de la semirreacción de oxidación. #### 2.2.2 La ecuación de Nernst Dado que la mayoría de las reacciones no ocurren bajo condiciones estándar, la **ecuación de Nernst** se utiliza para calcular los potenciales de semirreacción bajo condiciones no estándar. Para una semirreacción general: $$ \text{a Ox} + n \text{e}^- \rightleftharpoons \text{b Red} $$ La ecuación de Nernst es: $$ E = E^\circ + \frac{2.3026 \cdot R \cdot T}{n \cdot F} \log \frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]} $$ [9](#page=9). Donde: * $E$ es el potencial de la semirreacción bajo las condiciones dadas. * $E^\circ$ es el potencial de reducción estándar. * $R$ es la constante de los gases ideales ($8.314 \, \text{J/mol} \cdot \text{K}$). * $T$ es la temperatura en Kelvin. * $n$ es el número de electrones transferidos en la semirreacción. * $F$ es la constante de Faraday ($96'500 \, \text{C/mol}$), que representa la carga de un mol de electrones [9](#page=9). A $25^\circ\text{C}$ (298 K), la ecuación se simplifica a: $$ E = E^\circ + \frac{0.05916}{n} \log \frac{[\text{Ox}]}{[\text{Red}]} $$ [9](#page=9). **Consideraciones para la aplicación de la ecuación de Nernst:** * **Metales:** La concentración del metal sólido es constante y se incluye en $E^\circ$. La ecuación se simplifica a $E = E^\circ + \frac{0.05916}{n} \log [\text{M}^{n+}]$ [9](#page=9). * **Sólidos en sistemas heterogéneos:** La concentración del sólido es constante [9](#page=9). * **Iones del mismo elemento en diferentes estados de oxidación:** Se usan electrodos inertes (ej. Pt) y las concentraciones de todos los iones participantes afectan el potencial [9](#page=9). * **Agua en soluciones acuosas:** Su concentración se considera constante [10](#page=10). **Ejemplo de cálculo con la ecuación de Nernst:** Calcular la diferencia de potencial entre dos electrodos de cobre sumergidos en soluciones de Cu$^{2+}$ 0.1 M y 0.01 M. El $E^\circ$ para $\text{Cu}^{2+} + 2 \text{e}^- \rightarrow \text{Cu}$ es $0.337$ V [8](#page=8). * Para [Cu$^{2+}$] = 0.1 M: $E_1 = 0.337 \text{ V} + \frac{0.05916}{2} \log(0.1) = 0.337 - 0.02958 = 0.3074$ V [10](#page=10). * Para [Cu$^{2+}$] = 0.01 M: $E_2 = 0.337 \text{ V} + \frac{0.05916}{2} \log(0.01) = 0.337 - 0.05916 = 0.27784$ V [10](#page=10). * $\Delta E = E_1 - E_2 \approx 0.307$ V - $0.278$ V = $0.029$ V [10](#page=10). ### 2.3 Aplicaciones de los potenciales redox #### 2.3.1 Medición de pH La medición de pH mediante métodos potenciométricos se basa en la dependencia del potencial con la concentración de H$^+$. Para la semirreacción del hidrógeno: $$ 2 \text{H}^+ + 2 \text{e}^- \rightleftharpoons \text{H}_2 $$ La ecuación de Nernst se aplica: $$ E = E^\circ + \frac{0.05916}{2} \log \frac{p(\text{H}_2)}{[\text{H}^+]^2} $$ Bajo condiciones estándar ($p(\text{H}_2) = 1$ atm, $E^\circ = 0.000$ V), y considerando que $[ \text{H}^+ ] = 10^{-\text{pH}}$: $$ E = 0.000 + \frac{0.05916}{2} \log \frac{1}{(10^{-\text{pH}})^2} = \frac{0.05916}{2} \log (10^{2\text{pH}}) = 0.05916 \cdot \text{pH} $$ [10](#page=10). Esto demuestra que el potencial medido es directamente proporcional al pH. A medida que el pH aumenta (la solución se vuelve más básica), el potencial de reducción del hidrógeno se vuelve más negativo, lo que indica que el H$_2$ se comporta como un agente reductor más fuerte y los iones H$^+$ son peores agentes oxidantes [11](#page=11). #### 2.3.2 Reactividad de metales La "serie de tensiones" (tabla de potenciales de reducción estándar) permite predecir la reactividad de los metales [8](#page=8). * **Metales con $E^\circ < 0$ (metales poco nobles):** Se disuelven en ácidos no oxidantes como el HCl, liberando H$_2$. Por ejemplo, el zinc reacciona con H$^+$: $\text{Zn} + 2 \text{H}^+ \rightarrow \text{Zn}^{2+} + \text{H}_2$ [11](#page=11). * **Metales con $E^\circ > 0$:** No se disuelven en ácidos no oxidantes. Requieren ácidos oxidantes como el HNO$_3$ para disolverse (ej. Ag) [12](#page=12). * **Reacción con agua:** Para pH 7, el potencial del agua es $-0.414$ V. Los metales con un potencial de reducción estándar significativamente más negativo que $-0.414$ V (ej. K) reaccionan con H$_2$O: $2 \text{K} + 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \text{K}^+ + 2 \text{OH}^- + \text{H}_2$ [11](#page=11). * **Pasivación:** Algunos metales (ej. Al) pueden formar una capa de óxido protectora que detiene la reacción posterior [11](#page=11). La basicidad también influye en la reactividad. Por ejemplo, el zinc es un mejor agente reductor en medio básico debido a la formación de complejos estables de hidróxido, como $[ \text{Zn(OH)}_4 ]^{2-}$ [13](#page=13). #### 2.3.3 Influencia de reacciones secundarias Las reacciones redox pueden ser influenciadas por reacciones secundarias como la precipitación o la formación de complejos [13](#page=13). * **Precipitación:** La formación de un precipitado (ej. CuI) puede desplazar el equilibrio de una reacción redox incluso si los potenciales estándar sugieren lo contrario [13](#page=13). * **Formación de complejos:** La formación de complejos puede estabilizar ciertas especies, alterando sus potenciales redox. Por ejemplo, la formación del complejo $[ \text{Fe(CN)}_6 ]^{4-}$ estabiliza Fe$^{II}$ en comparación con Fe$^{III}$, disminuyendo el potencial estándar para la semirreacción [14](#page=14). ### 2.4 Equilibrios redox La relación entre la diferencia de potencial de celda ($\Delta E^\circ$) y la energía libre de Gibbs estándar ($\Delta G^\circ$) es fundamental para comprender los equilibrios redox: $$ \Delta G^\circ = - n \cdot F \cdot \Delta E^\circ $$ [14](#page=14). Donde $n$ es el número de electrones intercambiados y $F$ es la constante de Faraday. La constante de equilibrio ($K_{GI}$) para una reacción redox está relacionada con la $\Delta E^\circ$ por: $$ \Delta E^\circ = \frac{R \cdot T}{n \cdot F} \ln K_{GI} $$ O a $25^\circ\text{C}$: $$ \Delta E^\circ = \frac{0.05916}{n} \log K_{GI} $$ [16](#page=16). * **Regla general:** El agente oxidante más fuerte (mayor $E^\circ$) reacciona con el agente reductor más fuerte (menor $E^\circ$) [16](#page=16). #### 2.4.1 Disproportionación y Komproportionación * **Disproportionación:** Una especie en una única oxidación se oxida y reduce simultáneamente para formar productos en estados de oxidación más altos y más bajos. Ejemplo: $2 \text{Cu}^+ \rightarrow \text{Cu}^{2+} + \text{Cu}$ [17](#page=17) [18](#page=18). * **Komproportionación:** Dos especies de un elemento en diferentes estados de oxidación reaccionan para formar una única especie en un estado de oxidación intermedio [17](#page=17). ### 2.5 Representación de potenciales redox: Diagramas de Frost y Latimer Estas herramientas gráficas y tabulares ayudan a visualizar la estabilidad y reactividad de las diferentes estados de oxidación de un elemento. * **Diagrama de Latimer:** Muestra los potenciales estándar de reducción entre estados de oxidación *adyacentes* de un elemento en forma tabular [18](#page=18). * **Interpretación:** Diferencias de potencial grandes entre estados de oxidación indican que las especies intermedias son agentes oxidantes fuertes o tienden a desproporcionarse. * **Diagrama de Frost:** Representa gráficamente la estabilidad relativa de los estados de oxidación de un elemento en relación con el elemento libre (estado de oxidación 0) [19](#page=19). * Se grafica $N \cdot E^\circ$ (donde $N$ es el número de oxidación) en el eje y frente al número de oxidación en el eje x. * **Interpretación:** 1. Los puntos más bajos representan los estados de oxidación más estables. 2. Valores negativos de $N \cdot E^\circ$ indican mayor estabilidad que el elemento libre. 3. Una especie tiende a la desproporcionación si se encuentra por encima de la línea que une dos estados de oxidación circundantes [20](#page=20). 4. Los estados de oxidación que se encuentran por debajo de una línea que une otros dos tienden a la komproportionación [20](#page=20). Estos diagramas son útiles para predecir la dirección de las reacciones redox y la estabilidad de las especies [20](#page=20). --- # Equilibrios redox y diagramas de estabilidad Este tema aborda la relación entre los potenciales redox y la energía libre, la determinación de la posición de los equilibrios redox y la representación gráfica de la estabilidad de las especies químicas mediante diagramas de Frost y Latimer. ### 3.1 Verknüpfung von Potentialdifferenzen mit der freien Enthalpie (Relación entre diferencias de potencial y entalpía libre) La posición de los equilibrios redox está intrínsecamente ligada a la diferencia de potencial ($\Delta E$) y, por ende, a la variación de la entalpía libre ($\Delta G$). La reacción redox general se puede expresar como: $A_{red} + B_{ox} \rightleftharpoons A_{ox} + B_{red}$ [14](#page=14). En equilibrio, la diferencia de potencial es cero ($\Delta E = 0$). La relación entre el potencial estándar y la constante de equilibrio ($K_{GI}$) se obtiene a partir de la ecuación de Nernst y la relación entre $\Delta G^\circ$ y $K_{GI}$ [14](#page=14): $$ \Delta E^\circ = \frac{RT}{nF} \ln K_{GI} $$ donde: * $R$ es la constante de los gases ideales [14](#page=14). * $T$ es la temperatura en Kelvin [14](#page=14). * $n$ es el número de electrones transferidos [14](#page=14). * $F$ es la constante de Faraday ($96,500 \, C \cdot mol^{-1}$) [14](#page=14). La entalpía libre estándar ($\Delta G^\circ$) y la diferencia de potencial estándar ($\Delta E^\circ$) están relacionadas por la ecuación: $$ \Delta G^\circ = -nF\Delta E^\circ $$ [14](#page=14). Esta relación es fundamental para calcular la espontaneidad de las reacciones redox. Un $\Delta G^\circ$ negativo indica una reacción espontánea, lo que corresponde a un $\Delta E^\circ$ positivo [14](#page=14). **Aplicación:** * **Cálculo de $\Delta E^\circ$ a partir de $\Delta G^\circ$:** Si $\Delta G^\circ$ para la reacción $Cu^{2+} + Zn \rightarrow Zn^{2+} + Cu$ es $-212$ kJ/mol, la diferencia de potencial se calcula como [15](#page=15): $$ \Delta E^\circ = \frac{-212,000 \, J/mol}{2 \cdot 96,500 \, C/mol} \approx 1.1 \, V $$ * **Cálculo de potenciales estándar desconocidos:** Los potenciales estándar, al ser magnitudes intensivas, no se pueden sumar directamente. Sin embargo, las variaciones de entalpía libre ($\Delta G^\circ$), que son magnitudes extensivas, sí se pueden sumar. Por lo tanto, para obtener un potencial estándar desconocido que involucra una combinación de reacciones, se suman las $\Delta G^\circ$ correspondientes y luego se recalcula el $\Delta E^\circ$ [15](#page=15). **Ejemplo:** Para obtener el $\Delta E^\circ$ de $Fe^{3+} + 3e^- \rightarrow Fe$ a partir de $Fe^{3+} + e^- \rightarrow Fe^{2+}$ ($E^\circ = 0.771 \, V$) y $Fe^{2+} + 2e^- \rightarrow Fe$ ($E^\circ = -0.440 \, V$), se procede como sigue [15](#page=15): $\Delta G^\circ_3 = \Delta G^\circ_1 + \Delta G^\circ_2$ $n_3 F \Delta E^\circ_3 = n_1 F \Delta E^\circ_1 + n_2 F \Delta E^\circ_2$ $3 \cdot \Delta E^\circ_3 = 1 \cdot (0.771 \, V) + 2 \cdot (-0.440 \, V)$ $3 \cdot \Delta E^\circ_3 = 0.771 \, V - 0.880 \, V = -0.109 \, V$ $$ \Delta E^\circ_3 = \frac{-0.109 \, V}{3} \approx -0.037 \, V $$ ### 3.2 Lage von Redoxgleichgewichten (Posición de los equilibrios redox) La posición de un equilibrio redox se determina por la diferencia entre los potenciales de los dos sistemas redox involucrados. La reacción procederá en la dirección que maximice esta diferencia. > **Regla general:** El agente oxidante más fuerte (mayor $E^\circ$) reacciona con el agente reductor más fuerte (menor $E^\circ$) [16](#page=16). La constante de equilibrio ($K_{GI}$) para una reacción redox puede calcularse a partir de la diferencia de potencial estándar ($\Delta E^\circ$) [16](#page=16): $$ \Delta E^\circ = \frac{0.06}{n} \log K_{GI} $$ o reordenando: $$ K_{GI} = 10^{(\Delta E^\circ \cdot n) / 0.06} $$ **Ejemplo:** Para la reacción $Fe^{2+} + Ce^{4+} \rightleftharpoons Fe^{3+} + Ce^{3+}$, con $E^\circ(Fe^{3+}/Fe^{2+}) = 0.7 \, V$ y $E^\circ(Ce^{4+}/Ce^{3+}) = 1.4 \, V$ [16](#page=16). $\Delta E^\circ = E^\circ(Ce^{4+}/Ce^{3+}) - E^\circ(Fe^{3+}/Fe^{2+}) = 1.4 \, V - 0.7 \, V = 0.7 \, V$. Para esta reacción, $n=1$. $$ K_{GI} = 10^{(0.7 \, V \cdot 1) / 0.06} = 10^{11.7} $$ Un valor de $K_{GI}$ mucho mayor que 1 indica que el equilibrio se desplaza fuertemente hacia la formación de productos ($Fe^{3+} + Ce^{3+}$) [16](#page=16). ### 3.3 Disproportionierung und Komproportionierung (Disproporción y comproproporción) * **Disproporción:** Es una reacción redox en la que una especie química en un estado de oxidación dado se oxida y se reduce simultáneamente para formar dos especies diferentes en estados de oxidación más altos y más bajos [17](#page=17) [18](#page=18). * **Comproporción:** Es el proceso inverso a la disproporción, donde una especie en un estado de oxidación más alto y otra en un estado de oxidación más bajo reaccionan para formar una especie en un estado de oxidación intermedio [17](#page=17). La tendencia a disproporcionarse o comproporcionarse depende de los potenciales redox de las especies involucradas y del pH del medio. **Ejemplo de disproporción:** $Cu^+$ se disproporciona a $Cu^{2+}$ y $Cu^0$ [18](#page=18). $Cu^{2+} + e^- \rightarrow Cu^+$ ($E^\circ = 0.15 \, V$) $Cu^+ + e^- \rightarrow Cu$ ($E^\circ = 0.53 \, V$) La reacción de disproporción es $2 Cu^+ \rightarrow Cu^{2+} + Cu$. Para que ocurra, el potencial de reducción de la primera semirreacción debe ser menor que el de la segunda semirreacción, lo que se cumple aquí, indicando la espontaneidad de la disproporción. La dependencia del pH se puede analizar utilizando la ecuación de Nernst para especies que involucran $H^+$ u $OH^-$ [17](#page=17). ### 3.4 Darstellung der Standardpotentiale zwischen benachbarten Oxidationsstufen eines Elements: Frost- und Latimer-Diagramme (Representación de potenciales estándar entre estados de oxidación adyacentes de un elemento: diagramas de Frost y Latimer) Estos diagramas son herramientas gráficas y tabulares para visualizar la estabilidad y reactividad de los diferentes estados de oxidación de un elemento. #### 3.4.1 Latimer-Diagramme Un diagrama de Latimer es una representación tabular compacta de los potenciales estándar de reducción entre estados de oxidación adyacentes de un elemento. Los estados de oxidación se listan de mayor a menor (de izquierda a derecha), y los potenciales estándar se indican entre cada par adyacente [18](#page=18). **Ejemplo para cloro en medio ácido:** [18](#page=18). $ClO_3^- \xrightarrow{1.175 \, V} ClO_2 \xrightarrow{1.188 \, V} HClO_2 \xrightarrow{1.674 \, V} HClO \xrightarrow{1.630 \, V} Cl_2 \xrightarrow{1.358 \, V} Cl^-$ * **Interpretación:** Las diferencias de potencial significativas, especialmente en medio ácido, indican que muchas especies de cloro son fuertes agentes oxidantes. Si el potencial a la derecha de una especie es mayor que el potencial a la izquierda, la especie tiende a la disproporción [19](#page=19). #### 3.4.2 Frost-Diagramme (Diagramas de Frost) Los diagramas de Frost (también conocidos como diagramas de potencial redox o diagramas de Frost-Ebsworth) representan gráficamente la estabilidad relativa de los estados de oxidación de un elemento en relación con el elemento libre (estado de oxidación 0) [19](#page=19). * **Eje X:** Estado de oxidación del elemento. * **Eje Y:** Una cantidad proporcional a la energía libre, dada por $N \cdot E^\circ$, donde $N$ es el estado de oxidación y $E^\circ$ es el potencial estándar de reducción asociado con la conversión del elemento libre a ese estado de oxidación [19](#page=19). **Interpretación:** 1. Los puntos más bajos en el diagrama representan los estados de oxidación más estables [19](#page=19). 2. Valores negativos de $N \cdot E^\circ$ indican que el estado de oxidación es más estable que el elemento libre [19](#page=19). 3. Valores positivos indican menor estabilidad en comparación con el elemento libre [19](#page=19). 4. Un estado de oxidación tiende a la disproporción si se encuentra por encima de una línea recta trazada entre dos estados de oxidación adyacentes [20](#page=20). 5. Si un estado de oxidación se encuentra por debajo de dicha línea, los dos estados de oxidación conectados por la línea tienden a la comproproporción hacia ese estado [20](#page=20). **Creación de un diagrama de Frost:** 1. Determinar los potenciales estándar de reducción ($E^\circ$) de cada estado de oxidación en relación con el elemento libre [20](#page=20). 2. Calcular $N \cdot E^\circ$ multiplicando el potencial estándar por el estado de oxidación para obtener las coordenadas $y$ [20](#page=20). 3. Graficar los puntos y unirlos con líneas. **Ejemplo para cloro en medio ácido (pH=0) y básico (pH=14):** [20](#page=20). Se grafican los valores de $N \cdot E^\circ$ calculados a partir de los potenciales redox disponibles para los diferentes estados de oxidación del cloro. > **Tip:** Los diagramas de Frost y Latimer son herramientas muy útiles para predecir la reactividad y la posible ocurrencia de reacciones de disproporción o comproproporción para diferentes elementos bajo distintas condiciones de pH. --- ## Errores comunes a evitar - Revise todos los temas a fondo antes de los exámenes - Preste atención a las fórmulas y definiciones clave - Practique con los ejemplos proporcionados en cada sección - No memorice sin entender los conceptos subyacentes

| Término | Definición | |------|------------| | Reacción redox | Una reacción química que implica la transferencia de electrones entre especies químicas, resultando en cambios en sus números de oxidación. | | Oxidación | El proceso por el cual una especie química pierde electrones, lo que resulta en un aumento de su número de oxidación. | | Reducción | El proceso por el cual una especie química gana electrones, lo que resulta en una disminución de su número de oxidación. | | Agente reductor | Una sustancia que dona electrones en una reacción redox, causando la reducción de otra sustancia y siendo él mismo oxidado. | | Agente oxidante | Una sustancia que acepta electrones en una reacción redox, causando la oxidación de otra sustancia y siendo él mismo reducido. | | Número de oxidación | Un número asignado a un átomo en una molécula o ion que representa el número de electrones que ha ganado o perdido. | | Electrodo | Un conductor eléctrico que forma parte de un circuito electroquímico, donde ocurren las reacciones de oxidación (ánodo) o reducción (cátodo). | | Ánodo | El electrodo en una celda electroquímica donde ocurre la oxidación (pérdida de electrones). | | Cátodo | El electrodo en una celda electroquímica donde ocurre la reducción (ganancia de electrones). | | Celda electroquímica | Un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica (celda galvánica) o viceversa (celda electrolítica) mediante reacciones redox. | | Celda galvánica | Una celda electroquímica que genera electricidad a partir de una reacción química espontánea. | | Celda electrolítica | Una celda electroquímica que utiliza energía eléctrica para impulsar una reacción química no espontánea. | | Electrolisis | El proceso de descomposición de una sustancia mediante el paso de una corriente eléctrica. | | Potencial de reducción estándar (Eº) | La tendencia de una especie química a ganar electrones y reducirse en condiciones estándar (25°C, 1 atm de presión, 1 M de concentración). | | Ecuación de Nernst | Una ecuación que relaciona el potencial de una celda electroquímica con las concentraciones de los reactivos y productos. | | pH | Una medida de la acidez o alcalinidad de una solución, definida como el logaritmo negativo de la concentración de iones hidrógeno. | | Disproporcionación | Una reacción redox en la que una especie química se oxida y se reduce simultáneamente. | | Komproportionierung | Una reacción redox en la que dos especies de un mismo elemento en diferentes estados de oxidación reaccionan para formar un único producto con un estado de oxidación intermedio. | | Diagrama de Frost | Una representación gráfica de la estabilidad relativa de los estados de oxidación de un elemento. | | Diagrama de Latimer | Una representación tabular de los potenciales estándar de reducción entre estados de oxidación adyacentes de un elemento. | | Entalpía libre de Gibbs (ΔGº) | Una medida de la energía libre disponible para realizar trabajo en un sistema a temperatura y presión constantes, y un indicador de la espontaneidad de una reacción. |

# Structuuraspecten van de materie Dit hoofdstuk biedt een diepgaande analyse van de structuur van materie, beginnend bij de basissamenstelling van atomen en uitbreidend naar de complexiteit van elektronenconfiguraties. ## 1. Structuuraspecten van de materie ### 2.1 Zuivere stof – moleculen en atomen Een zuivere stof wordt gekenmerkt door specifieke fysische en chemische eigenschappen. Deze eigenschappen, zoals aggregatietoestandsovergangen bij constante druk en temperatuur, zijn kenmerkend voor de deeltjes waaruit de stof is opgebouwd. Deze deeltjes kunnen atomen zijn, zoals bij edelgassen, of moleculen, die bestaan uit twee of meer gebonden atomen [10](#page=10) [11](#page=11). * **Voorbeeld:** Neongas bestaat uit neonatomen (Ne). Gedestilleerd water bestaat uit watermoleculen (H₂O), opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom [11](#page=11). Experimenteel kan worden aangetoond dat verbindingen uit atoomgroeperingen bestaan. Elektrolyse van water (H₂O) levert waterstofgas (H₂) en zuurstofgas (O₂) op, die verder ontleed kunnen worden tot individuele waterstofatomen (H) en zuurstofatomen (O) [11](#page=11). ### 2.2 Enkelvoudige stof – Samengestelde stof #### 2.2.1 Enkelvoudige stof Een zuivere stof waarvan de molecule slechts uit één atoomsoort bestaat, wordt een enkelvoudige stof genoemd [12](#page=12). * **Voorbeelden:** Kwik (Hg), Neon (Ne), Waterstofgas (H₂), Chloorgas (Cl₂) [12](#page=12). #### 2.2.2 Samengestelde stof Een zuivere stof waarvan de molecule uit twee of meer verschillende atoomsoorten bestaat, wordt een samengestelde stof genoemd [12](#page=12). * **Voorbeelden:** Water (H₂O), Zwavelzuur (H₂SO₄) [12](#page=12). #### 2.2.3 Opmerkingen * **Zuivere stof vs. Mengsel:** Een mengsel is een verzameling van twee of meer zuivere stoffen. Lucht is een voorbeeld van een mengsel van stikstof, zuurstof, edelgassen, koolstofdioxide en water [13](#page=13). * **Enkelvoudige stof vs. Element:** "Element" is een synoniem voor "atoomsoort", aangeduid met een chemisch symbool, en niet voor een stof zelf [13](#page=13). * **Isotopen:** Van een element kunnen meerdere variëteiten bestaan, genaamd isotopen, die dezelfde plaats in het periodiek systeem innemen [13](#page=13). ### 2.3 Atomen en moleculen Fysische, chemische en biologische verschijnselen zijn veranderingen in de structuur van materie. Het periodiek systeem van de elementen, oorspronkelijk ontwikkeld door Mendeljev, schept eenheid in atomen en vormt de basis van de chemie. Levende organismen zijn opgebouwd uit cellen, die bestaan uit moleculen, welke weer zijn gevormd uit atomen [13](#page=13) [14](#page=14). #### 2.3.1 Samenstelling van een atoom Het atoom, oorspronkelijk beschouwd als ondeelbaar, bestaat uit een kern en een elektronenwolk daaromheen. De kern bevat nucleonen, bestaande uit protonen en neutronen. Elektronen bevinden zich in de wolk rond de kern [14](#page=14). * **Lading:** De eenheidslading is de lading van één elektron (1 e.l.e.) [15](#page=15). * Elektron (e⁻): -1 e.l.e [15](#page=15). * Proton (p⁺): +1 e.l.e [15](#page=15). * Neutron (n): 0 e.l.e [15](#page=15). Een atoom is elektrisch neutraal doordat het aantal protonen in de kern gelijk is aan het aantal elektronen rond de kern [15](#page=15). * **Massa:** De massa van een atoom bevindt zich voornamelijk in de kern. De atomaire massa-eenheid (u) is gedefinieerd als 1/12e van de massa van een koolstofatoom met 12 nucleonen, wat overeenkomt met $1,66 \times 10^{-24}$ gram [16](#page=16). * Elektron (e⁻): ≈ 0 u [16](#page=16). * Proton (p⁺): ≈ 1 u [16](#page=16). * Neutron (n): ≈ 1 u [16](#page=16). #### 2.3.2 Atoomnummer Z en massagetal A Alle atoomsoorten zijn gerangschikt in het periodiek systeem der elementen (PSE). Een element wordt gekenmerkt door een specifiek aantal protonen in de kern [16](#page=16) [20](#page=20). * **Atoomnummer (Z):** Het aantal protonen in de kern van een atoom. Wordt voor het che misch symbool geplaatst, bv. $^8$O [20](#page=20). * **Aantal neutronen (N):** Het aantal neutronen in de kern [20](#page=20). * **Massagetal (A):** De som van het aantal protonen (Z) en neutronen (N) in de kern. Wordt voor en boven het chemisch symbool geplaatst om een specifiek atoom te kenmerken: $^A_Z$X. Dus $A = Z + N$ [20](#page=20). * **Voorbeeld:** Het heliumatoom $^4_2$He (of He⁴) bestaat uit 2 protonen, 2 neutronen en 2 elektronen. Het koolstofatoom $^12_6$C (of C¹²) bestaat uit 6 protonen, 6 neutronen en 6 elektronen [21](#page=21). #### 2.3.3 Isotopen Isotopen zijn atomen van hetzelfde element die verschillen in het aantal neutronen. Ze bezitten dezelfde chemische eigenschappen maar kunnen verschillen in fysische eigenschappen. Isotopen kunnen stabiel of radioactief zijn [23](#page=23). * **Voorbeeld:** Waterstof heeft drie isotopen: protium ($^1_1$H), deuterium ($^2_1$H of D), en tritium ($^3_1$H of T) [23](#page=23). #### 2.3.4 Relatieve atoommassa (RAM) * **Werkelijke atoommassa:** De absolute massa van een individueel atoom. De massa van een $C^{12}$-atoom is 12 u [25](#page=25). * **Relatieve atoommassa (nuclide):** Een dimensieloos getal dat aangeeft hoeveel maal de massa van een specifiek atoom (nuclide) groter is dan de eenheid u. Dit getal is gelijk aan het massagetal voor een specifieke isotoop [26](#page=26). * **Werkelijke atoommassa van een element:** De gemiddelde absolute massa van de atomen van een element, rekening houdend met de natuurlijke abundantie van zijn isotopen [26](#page=26). * **Relatieve atoommassa (RAM) van een element:** De gemiddelde relatieve massa van de atomen van een element. Dit is het getal dat in het periodiek systeem wordt vermeld. Voor het element zwavel is RAM(S) = 32,06 [26](#page=26). #### 2.3.5 Relatieve molecuulmassa (RMM) De relatieve molecuulmassa (RMM) is een dimensieloos getal dat aangeeft hoeveel maal de massa van een gemiddelde molecule groter is dan de eenheid u. Het wordt berekend door de relatieve atoommassa's (RAM) van alle atomen in de molecule op te tellen, vermenigvuldigd met hun respectievelijke indices [27](#page=27). * **Formule:** RMM = $\sum$ RAM [27](#page=27). * **Voorbeeld:** Voor water (H₂O) is RMM(H₂O) = 2 $\cdot$ RAM(H) + RAM(O) = (2 $\cdot$ 1) + (1 $\cdot$ 16) = 18 [27](#page=27). #### 2.3.6 Mol – molaire massa * **De mol:** Een hoeveelheid die $6,02 \times 10^{23}$ specifieke deeltjes (atomen, moleculen, ionen, etc.) bevat. Dit getal is het getal van Avogadro ($N_A$) [28](#page=28). * 1 mol Na-atomen bevat $6,02 \times 10^{23}$ Na-atomen [28](#page=28). * 1 mol Cl₂-gas bevat $6,02 \times 10^{23}$ Cl₂-moleculen [28](#page=28). * 1 mol Cl₂-gas bevat $2 \times 6,02 \times 10^{23}$ Cl-atomen [28](#page=28). * **Molaire massa (M):** Het aantal gram dat één mol van een stof bevat. De eenheid is g/mol. De molaire massa van een stof is numeriek gelijk aan zijn relatieve molecuulmassa [29](#page=29). * **Formules:** * Hoeveelheid stof ($n$ in mol) = massa ($m$ in g) / molaire massa ($M$ in g/mol) $\implies n = m/M$ [29](#page=29). * Hoeveelheid stof ($n$ in mol) = molariteit (mol/L) $\cdot$ volume (L) [29](#page=29). * **Voorbeeld:** M(H₂S) = 2 $\cdot$ RAM(H) + RAM(S) = 2 $\cdot$ 1 + 32,06 = 34,06 g/mol. M(Hg) = 200,6 g/mol [30](#page=30). #### 2.3.7 Moleculeformules Moleculeformules geven de aard en het aantal atomen in een molecule weer. De atoomsoorten worden naast elkaar geschreven, waarbij het meest metallische element meestal vooraan staat. Indices geven het aantal atomen van een soort aan. Haakjes worden gebruikt voor groepen atomen [30](#page=30). * **Voorbeelden:** NaCl, Na₃PO₄, Ca(OH)₂, Ca₃(PO₄)₂ [30](#page=30). * De RMM van een verbinding wordt berekend door de RAM's van de elementen te vermenigvuldigen met hun indices en deze op te tellen. Voor Ca(OH)₂: RMM = 1 $\cdot$ RAM(Ca) + 2 $\cdot$ RAM(O) + 2 $\cdot$ RAM(H) = 1 $\cdot$ 40 + 2 $\cdot$ 16 + 2 $\cdot$ 1 = 74. De molaire massa M van Ca(OH)₂ is dus 74 g/mol [31](#page=31). ### 2.4 Oefeningen * *Er zijn diverse oefeningen opgenomen in het document die betrekking hebben op het invullen van atoomnummers, massagetallen, het berekenen van relatieve molecuulmassa's en molaire massa's, en het bepalen van het aantal mol en moleculen.* [31](#page=31) [32](#page=32). ### 2.5 Elektronen in schillen en orbitalen Verschillende atoommodellen zijn ontwikkeld, waaronder die van Bohr en de moderne atoomtheorie van Schrödinger en Heisenberg [32](#page=32). #### Atoommodel van Thomson Thomson beschreef het atoom als negatief geladen deeltjes (elektronen) ingebed in een positief geheel [32](#page=32). #### Visie van Rutherford Rutherford stelde dat elektronen rond de kern bewegen en door hun bewegingsenergie niet op de kern vallen. Echter, volgens de wetten van de elektriciteit zouden bewegende ladingen energie uitstralen, vertragen en op de kern neerstorten, wat niet overeenkomt met de realiteit [33](#page=33). #### Visie van Bohr Bohr's postulaten gaan uit van ondeelbare energiehoeveelheden (kwanta) [33](#page=33). 1. Elektronen hebben een constante energie-inhoud zolang er geen externe invloed is [33](#page=33). 2. Slechts bepaalde energie-inhouden kunnen door elektronen worden opgeslagen [33](#page=33). 3. Elektronen kunnen naar hogere energieniveaus overgaan door energie op te nemen [33](#page=33). 4. Bij terugval naar lagere energieniveaus straalt een elektron het energieverschil uit [33](#page=33). Bohr verdeelde elektronen over zeven schillen (K, L, M, N, O, P, Q), waarbij het maximaal aantal elektronen per schil beperkt is tot $2n^2$, waarbij $n$ het rangnummer van de schil is. Hogere rangnummers corresponderen met hogere energie [34](#page=34). * Schil K ($n=1$): max. 2 elektronen [34](#page=34). * Schil L ($n=2$): max. 8 elektronen [34](#page=34). * Schil M ($n=3$): max. 18 elektronen [34](#page=34). * Schil N ($n=4$): max. 32 elektronen [34](#page=34). #### 2.5.1 De moderne atoomtheorie Het model van Bohr werd uitgebreid door Sommerfeld, die suggereerde dat elektronen op cirkelvormige of elliptische banen konden bewegen binnen schillen. Grote energieniveaus (schillen, bepaald door hoofdkwantumgetal $n$) kunnen worden onderverdeeld in subniveaus (bepaald door nevenkwantumgetal $l$). Het magnetisch kwantumgetal ($m_l$) beschrijft de oriëntatie van een orbitaal in een magnetisch veld. Het spinkwantumgetal ($m_s$) beschrijft de spin van het elektron [35](#page=35). Het onzekerheidsbeginsel van Heisenberg stelt dat de plaats en snelheid van een deeltje niet tegelijkertijd exact gekend kunnen worden. Een orbitaal is een ruimtelijk gebied waar een elektron 90% van de tijd doorbrengt [35](#page=35) [36](#page=36). ##### 2.5.1.1 Het hoofdkwantumgetal n Dit getal bepaalt de energie-inhoud en de gemiddelde afstand van een elektron tot de kern. Het komt overeen met de schillen van Bohr en kan gehele waarden aannemen groter dan 0 ($n = 1, 2, 3, \dots$). Een hogere $n$-waarde betekent een hogere energie en een grotere afstand tot de kern [36](#page=36) [37](#page=37). ##### 2.5.1.2 Het nevenkwantumgetal l Dit getal, afhankelijk van $n$, bepaalt de vorm van de orbitaal. De mogelijke waarden van $l$ zijn $0, 1, 2, \dots, (n-1)$ [37](#page=37). * $l=0$: s-orbitaal (bolvormig) [37](#page=37). * $l=1$: p-orbitaal (haltevormig) [37](#page=37). * $l=2$: d-orbitalen [38](#page=38). * $l=3$: f-orbitalen [38](#page=38). De energievolgorde van orbitalen is $E_s < E_p < E_d < E_f$ [38](#page=38). ##### 2.5.1.3 Het magnetisch kwantumgetal $m_l$ Dit getal beschrijft de oriëntatie van een orbitaal ten opzichte van een willekeurige richting en is gebonden aan $l$. De mogelijke waarden van $m_l$ lopen van $+l$ tot $-l$, inclusief 0: $m_l = \pm l, \pm (l-1), \dots, 0$ [38](#page=38). * Voor $l=0$ (s-orbitaal): $m_l = 0$ (één oriëntatie) [38](#page=38). * Voor $l=1$ (p-orbitalen): $m_l = +1, 0, -1$ (drie oriëntaties: $p_x, p_y, p_z$) [39](#page=39). * Voor $l=2$ (d-orbitalen): $m_l = +2, +1, 0, -1, -2$ (vijf oriëntaties) [39](#page=39). * Voor $l=3$ (f-orbitalen): $m_l = +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3$ (zeven oriëntaties) [39](#page=39). ##### 2.5.1.4 Het spinkwantumgetal $m_s$ Dit kwantumgetal beschrijft de spin van een elektron rond zijn eigen as en kan slechts twee waarden aannemen: $+ \frac{1}{2}$ of $- \frac{1}{2}$. Elektronen met dezelfde spin worden aangeduid met pijltjes in dezelfde richting (bv. $\uparrow \uparrow$), en met tegengestelde spin met pijltjes in tegengestelde richting (bv. $\uparrow \downarrow$) [40](#page=40). ##### 2.5.1.5 Uitsluitingsprincipes van Pauli Het uitsluitingsprincipe van Pauli stelt dat in een atoom geen twee elektronen dezelfde waarden voor alle vier de kwantumgetallen ($n, l, m_l, m_s$) kunnen hebben [41](#page=41). Hieruit volgt dat eenzelfde orbitaal maximaal twee elektronen kan bevatten, en deze moeten een tegengestelde spin hebben. Twee elektronen in dezelfde orbitaal vormen een elektronenpaar (doublet). Een elektron dat alleen een orbitaal bezet, is een ongepaard elektron [42](#page=42). #### 2.5.2 Elektronenconfiguratie De elektronenconfiguratie beschrijft de verdeling van elektronen over de orbitalen in een atoom [42](#page=42). * **Regel van de minimale energie:** Atomen streven naar de laagst mogelijke energietoestand, dus elektronen vullen de orbitalen op volgens stijgende energie [42](#page=42). * **Diagonaalregel:** De opvulling van energieniveaus verloopt niet strikt per schil, maar volgens een specifieke volgorde die de relatieve energie van de orbitalen weerspiegelt (bv. 4s vult vóór 3d) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Regel van Hund:** In het laatste te bezetten subniveau bezetten elektronen zoveel mogelijk ongepaarde orbitalen met dezelfde spin [44](#page=44). ##### 2.5.3 Voorstelling elektronenconfiguraties Elektronenconfiguraties worden genoteerd door de bezette orbitalen te vermelden met het aantal elektronen als exponent, bv. $2p^3$. Een verkorte notatie gebruikt het symbool van het dichtstbijzijnde edelgas tussen haakjes. De volgorde van notatie na het edelgas is meestal op basis van stijgend hoofdkwantumgetal [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47). ### 2.6 Elektronenconfiguratie en periodiek systeem Het periodiek systeem is ingedeeld in s-, p-, d- en f-blokken, gebaseerd op het orbitaal waarin het laatste elektron wordt ingevuld. Hoofdgroepelementen bevinden zich in het s- en p-blok [48](#page=48) [49](#page=49). * **Perioden:** Horizontale rijen in het periodiek systeem, corresponderen met het aantal schillen waarover de elektronen verspreid zijn [49](#page=49). * **Groepen:** Verticale kolommen, elementen in een groep hebben vergelijkbare chemische eigenschappen. Het groepsnummer (voor A-groepen) komt overeen met het aantal valentie-elektronen [49](#page=49). * **Valentie-elektronen:** Elektronen in de buitenste opgevulde schil, bepalen de chemische eigenschappen van een element [49](#page=49). De hoofdgroepen worden onderscheiden: Ia (alkalimetalen), IIa (aardalkalimetalen), IIIa (boorgroep), IVa (koolstofgroep), Va (stikstofgroep), VIa (zuurstofgroep/chalcogenen), VIIa (halogenen), en O (edelgassen). Edelgassen hebben acht elektronen in de buitenste schil (behalve He met twee), wat hen inert maakt (stabiele octetconfiguratie) [50](#page=50). --- # De chemische binding Hier is een gedetailleerde samenvatting van "De chemische binding", opgesteld als studiegids voor je examen: # 3. De chemische binding Dit hoofdstuk verklaart de verschillende manieren waarop atomen met elkaar verbonden zijn, inclusief ion-, covalente en metaalbindingen, de mechanismen, eigenschappen en voorspelling van deze bindingen, evenals inter- en intramoleculaire krachten [54](#page=54). > **Tip:** Edelgassen hebben een stabiele octetconfiguratie. Andere atomen streven ernaar deze te bereiken door bindingen aan te gaan. De drijvende kracht achter het vormen van bindingen is het bereiken van een stabielere atoomcombinatie [54](#page=54). ## 3.1 De ionbinding Een ionbinding is een binding tussen positieve en negatieve ionen, ontstaan door elektronenoverdracht van het ene atoom op het andere [55](#page=55). ### 3.1.1 Voorkomen en kenmerken van een ionbinding * **Metaalatomen** hebben een neiging om elektronen af te staan en vormen **positieve ionen (kationen)** [55](#page=55). * Groep 1 elementen staan gemakkelijk 1 valentie-elektron af, vormend een éénwaardig positief ion [55](#page=55). * Groep 2 en 3 elementen vormen respectievelijk twee- en driewaardig positieve ionen [55](#page=55). * Voorbeelden: * $Na \rightarrow Na^+ + e^-$ [55](#page=55). * $Mg \rightarrow Mg^{2+} + 2 e^-$ [56](#page=56). * $Al \rightarrow Al^{3+} + 3 e^-$ [56](#page=56). * **Niet-metalen** nemen elektronen op en vormen **negatieve ionen (anionen)** [56](#page=56). * Voorbeelden: * $Cl + e^- \rightarrow Cl^-$ [56](#page=56). * $O + 2 e^- \rightarrow O^{2-}$ [56](#page=56). * Positieve en negatieve ionen trekken elkaar aan door **elektrische aantrekkingskrachten**, wat resulteert in een ionbinding [55](#page=55) [56](#page=56). ### 3.1.2 Definitie van een ionverbinding Een ionverbinding is een verbinding die bestaat uit positieve en negatieve ionen die door elektrische aantrekkingskrachten worden samengehouden [57](#page=57). * Ionverbindingen ontstaan door de reactie van metalen (elektronendonors) met niet-metalen (elektronenacceptors) [57](#page=57). * Bijvoorbeeld, de vorming van NaCl: * $2 Na \rightarrow 2 Na^+ + 2 e^-$ [57](#page=57). * $Cl_2 + 2 e^- \rightarrow 2 Cl^-$ [57](#page=57). * $\rule{5cm}{0.15mm}$ * $2 Na + Cl_2 \rightarrow 2 NaCl$ [57](#page=57). ### 3.1.3 Schrijven van ionbindingen De namen van veelvoorkomende ionen zijn cruciaal voor het opstellen van formules en namen van ionverbindingen [58](#page=58). * **Tabel 9a. Anionen en negatief geladen polyatomische ionen** [59](#page=59). * Eénmaal negatief: $F^-, Br^-, Cl^-, I^-$ [59](#page=59). * Tweemaal negatief: $O^{2-}, S^{2-}$ [59](#page=59). * Negatief geladen polyatomische ionen: $OH^-, NO_2^-, NO_3^-, MnO_4^-, CN^-, ClO^-, ClO_2^-, ClO_3^-, ClO_4^-, CH_3COO^-, CO_3^{2-}, SO_3^{2-}, SO_4^{2-}, PO_4^{3-}$ [59](#page=59). * **Tabel 9b. Kationen en positief geladen polyatomische ionen** [60](#page=60). * Eénmaal positief: $H^+, K^+, Li^+, Ag^+, Na^+, NH_4^+, Cu^+$ [60](#page=60). * Tweemaal positief: $Mg^{2+}, Ca^{2+}, Ba^{2+}, Zn^{2+}, Cu^{2+}, Pb^{2+}$ [60](#page=60). * **Regels voor het schrijven van ionformules:** 1. Schrijf de ionen of iongroepen naast elkaar met hun lading (positief links, negatief rechts) [61](#page=61). 2. De som van de positieve en negatieve ladingen moet nul zijn. Gebruik het kleinste gemene veelvoud van de ladingen om de juiste verhoudingen te bepalen [61](#page=61). 3. De factoren waarmee vermenigvuldigd wordt, worden de indexen in de formule [61](#page=61). 4. Bij iongroepen met een index wordt de groep tussen haakjes geplaatst, bijv. $(NH_4)_2SO_4$ [61](#page=61). #### 3.1.3.1 Stoichiometrische of samengestelde namen De naam van een ionverbinding wordt gevormd door de naam van het kation gevolgd door de naam van het anion (zonder de "-ion" uitgang) [61](#page=61). * **Tabel 10. Numerieke voorvoegsels voor eenvoudige verbindingen** [62](#page=62). * 1: mono, 2: di, 3: tri, 4: tetra, 5: penta, 6: hexa, 7: hepta, 8: octa, 9: nona, 10: deca, 11: undeca, 12: dodeca [62](#page=62). * Voorvoegsels worden weggelaten als er geen twijfel mogelijk is over de lading van het positieve kation [62](#page=62). * Bij twijfel (bv. bij overgangsmetalen) worden de voorvoegsels expliciet vermeld of wordt het oxidatiegetal gebruikt (met Romeinse cijfers) [62](#page=62). * Voorbeeld: $Cu_2SO_4$ is koper(I)sulfaat of dikopersulfaat [62](#page=62). * Voorbeeld: $Fe(OH)_3$ is ijzer(III)hydroxide of ijzertrihydroxide [62](#page=62). ### 3.1.5 Mechanisme van de vorming van een ionbinding Bij de vorming van positieve ionen worden de elektronen weggenomen uit het orbitaal met de hoogste energie (buitenste schil) [66](#page=66). * **Voorbeeld: Ijzer (Fe)** [66](#page=66). * Fe atoom configuratie: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2 3d^6$ of $[Ar 3d^6 4s^2$ [66](#page=66). * $Fe^{2+}$: 2 elektronen uit de 4e schil verwijderd $\rightarrow [Ar 3d^6$ [66](#page=66). * $Fe^{3+}$: 2 elektronen uit de 4e schil en 1 uit het 3d-orbitaal verwijderd $\rightarrow [Ar 3d^5$ [66](#page=66). > **Denkvraag:** Bij een positieve lading verandert het aantal protonen in de kern niet, maar het aantal elektronen vermindert. Bij een negatieve lading vermindert het aantal protonen niet, maar het aantal elektronen neemt toe [66](#page=66). ## 3.2 De covalente binding Bij een covalente binding worden elektronenparen gemeenschappelijk gesteld tussen een beperkt aantal atoomkernen. Atomen van niet-metalen vormen moleculen die door covalente bindingen worden samengehouden [55](#page=55) [67](#page=67). * Er is geen overdracht van elektronen, maar een gemeenschappelijk elektronenpaar wordt gedeeld tussen twee atomen [67](#page=67). * De atoomorbitalen overlappen, waardoor de elektronendichtheid tussen de kernen toeneemt [67](#page=67) [68](#page=68). * Volgens het uitsluitingsprincipe van Pauli hebben de twee elektronen van de binding tegengestelde spins [67](#page=67). * De sterkte van de binding is te wijten aan de aantrekking van de twee kernen op de negatieve elektronenwolk [68](#page=68). ### 3.2.1 $\sigma$-binding bij covalente bindingen Wanneer atoomorbitalen overlappen, vormen ze moleculeorbitalen. Als de moleculeorbitaal om de bindingsas roteert en een cylindrische symmetrie vertoont, wordt dit een $\sigma$-moleculeorbitaal en de binding een $\sigma$-binding genoemd [68](#page=68). * Zowel s- als p-orbitalen kunnen overlappen tot $\sigma$-moleculeorbitalen [68](#page=68) [69](#page=69). * Maximale overlapping treedt op wanneer de symmetrie-assen van de orbitalen samenvallen [69](#page=69). ### 3.2.2 Eenvoudige voorstelling van covalente bindingen De elektronenstipformule van een molecule toont het atoom symbool omgeven door stippen (ongepaarde elektronen) en streepjes (gepaarde elektronen of bindingen) [70](#page=70). * Een streepje tussen twee atoom symbolen stelt een covalente binding (moleculeorbitaal) voor [70](#page=70). * Meervoudige bindingen (dubbel en drievoudig) zijn ook mogelijk [70](#page=70). * Voorbeeld: $N_2$ met een drievoudige binding [70](#page=70). ### 3.2.3 Soorten covalente bindingen * **Normale covalente binding:** Twee atomen stellen elk een elektron beschikbaar dat gemeenschappelijk wordt gesteld [70](#page=70) [71](#page=71). * $A \cdot + \cdot B \rightarrow A - B$ [71](#page=71). * **Datieve of coördinatief covalente binding (donor-acceptor binding):** Een volledig gevuld orbitaal van het ene atoom overlapt met een leeg atoomorbitaal van het andere atoom. Dit vereist atomen met minimaal 5 elektronen in de buitenste schil [71](#page=71). * Voorbeeld: $NH_3 + H^+ \rightarrow NH_4^+$ [71](#page=71). ### 3.2.4 Formele lading De formele lading is een fictieve lading die aan een atoom in een Lewisstructuur wordt toegekend als het aantal valentie-elektronen in zijn omgeving verschilt van het aantal in de ongebonden toestand [71](#page=71). * **Formule formele lading:** $formele\ lading = +(groepsnummer) - (aantal\ bindingen) - (vrije\ e^-)$ [72](#page=72). * De som van de formele ladingen in een molecule is nul; in een ion is deze gelijk aan de lading van het ion [72](#page=72). * Formele ladingen worden aangeduid met een cirkeltje bij het betreffende atoom in de Lewisformule [72](#page=72). ### 3.2.5 Bepaling van de Lewisformule 1. **Valentie-elektronen:** Tel het aantal valentie-elektronen van alle atomen. Voeg de lading toe voor negatieve ionen, trek deze af voor positieve ionen [72](#page=72). 2. **Octetstructuur:** Bepaal het totaal aantal elektronen dat nodig is om elk atoom een octet (of 2 voor H) te geven [72](#page=72). 3. **Bindingselektronen:** Verschil tussen stap 2 en stap 1 [73](#page=73). 4. **Aantal covalente bindingen:** Aantal bindingselektronen gedeeld door twee [73](#page=73). 5. **Structuur:** Schik de atomen, met het minst elektronegatieve (vaak het eerste genoemde, behalve H) als centraal atoom [73](#page=73). 6. **Teken bindingen:** Plaats de berekende covalente bindingen (streepjes). Gebruik dubbele of drievoudige bindingen indien nodig [73](#page=73). 7. **Niet-gedeelde elektronen:** Vul resterende elektronen (stap 1 - stap 3) toe als vrije elektronenparen, zodat elk atoom een octet heeft [73](#page=73). 8. **Formele ladingen:** Bereken en duid de formele ladingen aan [73](#page=73). * De beste Lewisstructuur heeft minimale formele ladingen en plaatst negatieve ladingen op de meest elektronegatieve elementen [73](#page=73). ### 3.2.6 Resonantie (mesomerie) Resonantie treedt op wanneer er meerdere gelijkwaardige Lewisstructuren voor een molecule mogelijk zijn. De werkelijke structuur is een hybride van deze structuren, met gedelokaliseerde elektronen over meerdere atoomkernen [76](#page=76) [77](#page=77). * Resonantie wordt aangeduid met een dubbelpijlsteken ($\leftrightarrow$) tussen de grensstructuren [77](#page=77). ### 3.2.7 Elektronegativiteit EN - Polariteit van covalente bindingen #### 3.2.7.1 Het begrip elektronegativiteit Elektronegativiteit (EN) is een maat voor het vermogen van een atoom in een molecule om de elektronen van een covalente binding naar zich toe te trekken [78](#page=78). * Hoe groter de EN, hoe sterker de affiniteit voor bindingselektronen [79](#page=79). * EN-waarden variëren van 0.7 (Cs) tot 4.0 (F) [79](#page=79). * De EN stijgt van links naar rechts in een periode en van onder naar boven in een groep van het periodiek systeem (uitgezonderd edelgassen) [79](#page=79). * Metalen hebben over het algemeen een lage EN, niet-metalen een hoge EN [80](#page=80). #### 3.2.7.2 Polariteit van bindingen Er is een geleidelijke overgang tussen pure ionbindingen en pure covalente bindingen [81](#page=81). * **Pure ionbinding:** Volledige elektronenoverdracht (bv. CsF) [81](#page=81). * **Pure covalente binding:** Gelijkmatige verdeling van bindingselektronen tussen identieke atomen (bv. $Cl_2, H_2$) [81](#page=81). * **Polair covalente binding:** Ongelijke verdeling van bindingselektronen door een verschil in elektronegativiteit. De binding heeft hierdoor een ionair karakter [81](#page=81). * Hoe groter het $\Delta EN$, hoe polarer de binding [81](#page=81). * Een $\Delta EN$ van 1.7 wordt beschouwd als 50% ionair [81](#page=81). * Een $\Delta EN > 1.7$ wordt als ionair beschouwd [82](#page=82). ### 3.2.8 Het oxidatiegetal (O.G.) Het oxidatiegetal is de fictieve lading die aan een atoom wordt toegekend op basis van de elektronegativiteit van de eraan gebonden atomen [82](#page=82). * **In binaire ionverbindingen:** Het O.G. is gelijk aan de lading van het ion [82](#page=82). * Voorbeeld: In NaCl zijn de O.G.'s van Na +I en Cl -I [82](#page=82). * **In covalente verbindingen en samengestelde ionen:** 1. Schrijf de Lewisstructuur [82](#page=82). 2. Verdeel bindingselektronen naar het meest elektronegatieve atoom [83](#page=83). 3. Bereken O.G. = (groepsnummer) - (aantal elektronen bij het atoom na verschuiving) [83](#page=83). * **Praktische regels:** * Som van O.G.'s in een molecule = 0 [83](#page=83). * Som van O.G.'s in een ion = lading van het ion [83](#page=83). * O.G. in enkelvoudige stoffen = 0 [83](#page=83). * O.G. van H is meestal +I (behalve $H_2$) [84](#page=84). * O.G. van O is meestal -II (behalve $H_2O_2$ en $O_2$) [84](#page=84). * Elementen van groep Ia hebben O.G. +I, groep IIa hebben O.G. +II in ionverbindingen [84](#page=84). ### 3.2.9 Bindingsenergie en bindingslengte * **Bindingsenergie:** Energie nodig om een mol bindingen te breken in de gasfase (kJ/mol) [84](#page=84). * **Bindingslengte:** Afstand bij evenwicht tussen gebonden kernen [84](#page=84). * Sterkere bindingen zijn korter. Meervoudige bindingen zijn sterker en korter (bv. C-C, C=C, C≡C) [84](#page=84) [85](#page=85). ### 3.2.10 De V.S.E.P.R.-theorie De Valence Shell Electron Pair Repulsion (V.S.E.P.R.) theorie voorspelt de ruimtelijke structuur van moleculen en ionen [85](#page=85). * Elektronenparen in de valentieschil stoten elkaar af en gaan zo ver mogelijk van elkaar zitten [85](#page=85). * Zowel bindende als niet-bindende (vrije) elektronenparen bepalen de ruimtelijke rangschikking [85](#page=85). * **Typen structuren (AX$_n$E$_m$):** * AX$_2$: lineair (bv. $CO_2$) [85](#page=85). * AX$_3$: driehoekig vlak (bv. $BCl_3$) [86](#page=86). * AX$_2$E: angulair (bv. $SO_2$) [86](#page=86). * AX$_4$: tetraëder (bv. $CH_4$) [86](#page=86). * AX$_3$E: driehoekig piramidaal (bv. $NH_3$) [86](#page=86). * AX$_2$E$_2$: angulair (bv. $H_2O$) [86](#page=86). * AX$_5$: trigonaal bipiramidaal (bv. $PCl_5$) [86](#page=86). * AX$_4$E: vervormd tetraëder (bv. $TeCl_4$) [87](#page=87). * AX$_3$E$_2$: T-vormig (bv. $ClF_3$) [87](#page=87). * AX$_2$E$_3$: lineair (bv. $XeF_2$) [87](#page=87). * AX$_6$: octaëder (bv. $SF_6$) [87](#page=87). * AX$_5$E: vierkantig piramidaal (bv. $IF_5$) [87](#page=87). * AX$_4$E$_2$: vlak vierkantig (bv. $ICl_4^-$) [87](#page=87). ### 3.2.11 Hybridisatie Hybridisatie is het mengen van atoomorbitalen om nieuwe, equivalente hybride-orbitalen te vormen die betere overlapping mogelijk maken voor covalente bindingen [88](#page=88) [89](#page=89). * **sp-hybridisatie:** 1 s-orbitaal + 1 p-orbitaal $\rightarrow$ 2 sp-hybride-orbitalen (hoek 180°, lineair) [90](#page=90). * **sp$^2$-hybridisatie:** 1 s-orbitaal + 2 p-orbitalen $\rightarrow$ 3 sp$^2$-hybride-orbitalen (hoek 120°, vlak driehoek) [91](#page=91). * **sp$^3$-hybridisatie:** 1 s-orbitaal + 3 p-orbitalen $\rightarrow$ 4 sp$^3$-hybride-orbitalen (hoek 109.5°, tetraëder) [92](#page=92) [93](#page=93). > **Belangrijke informatie:** Hybride-orbitalen kunnen zowel bezet zijn met elektronenparen als met ongepaarde elektronen [95](#page=95). ### 3.2.12 Polariteit van covalente moleculen Een polaire molecule heeft een positieve en een negatieve pool. De polariteit van een molecule is een gevolg van polaire bindingen en de geometrie [95](#page=95). * **Diatomische moleculen:** * Opgebouwd uit 2 verschillende atomen: altijd polair (bv. HCl) [95](#page=95). * Opgebouwd uit 2 gelijke atomen: niet polair (bv. $Cl_2$) [96](#page=96). * **Moleculen met meer dan twee atomen:** Als de dipolen van de bindingen elkaar opheffen door symmetrie, is de molecule apolair (bv. $BeF_2, BF_3, CCl_4$). Als ze elkaar niet opheffen, is de molecule polair (bv. $H_2O$, CHCl$_3$) [96](#page=96) [97](#page=97). ## 3.3 Metaalbinding Metaalatomen hebben een neiging om elektronen af te geven, waarbij positieve metaalionen achterblijven in een kristalrooster. Deze ionen worden bij elkaar gehouden door een "zee" van gedelokaliseerde valentie-elektronen [55](#page=55) [99](#page=99). * De sterkte van de metaalbinding hangt af van het aantal valentie-elektronen en de aantrekking door de kernen [99](#page=99). * **Eigenschappen van metalen:** metaalglans, goede geleiders voor warmte en elektriciteit, hoog smeltpunt, grote hardheid, rekbaar en vervormbaar [100](#page=100). ## 3.4 Krachten en bindingen in en tussen moleculen ### 3.4.1 In een molecule: intramoleculaire krachten Dit zijn de sterke bindingen die atomen binnen een molecule samenhouden [100](#page=100). 1. **Ionbinding:** In ionaire stoffen, opgebouwd uit een kristalrooster van positieve en negatieve ionen die elkaar elektrostatisch aantrekken . 2. **Covalente binding:** Niet-metaalatomen gebonden door een netwerk van covalente bindingen, als een grote molecule beschouwd . 3. **Metaalbinding:** Positieve metaalionen in een elektronenzee . ### 3.4.2 Tussen moleculen: intermoleculaire krachten Dit zijn zwakkere krachten die tussen moleculen werken, continu gevormd en afgebroken . 1. **London dispersiekrachten:** Tussen apolaire moleculen, veroorzaakt door tijdelijke dipolen door elektronbeweging. Grotere moleculen worden gemakkelijker gepolariseerd en vertonen sterkere Londonkrachten . 2. **Dipoolkrachten (Keesomkrachten):** Tussen polaire moleculen, door elektrostatische aantrekking tussen tegengestelde polen. De sterkte hangt af van de polariteit . 3. **Waterstofbruggen:** Sterke dipoolkrachten tussen moleculen met H gebonden aan kleine atomen met hoge EN (O, N, F). Het H-atoom (met $\delta^+$ lading) trekt het vrije elektronenpaar van het EN-element van een andere molecule aan . * Voorwaarden voor waterstofbruggen: zeer polaire moleculen met een grote $\delta^+$ lading op H, en een klein, sterk elektronegatief atoom (O, N, F) . * Ze spelen een rol bij kookpunten en smeltpunten, verklaren de hoge kookpunten van $NH_3, H_2O, HF$ vergeleken met andere hydriden in dezelfde groep . ## 3.6 Overzicht Hoofdstuk 3 ### Tabel 13. Overzicht kenmerken van bindingen . | Bindingstype | Ionbinding | Covalente binding | Metaalbinding | | :--------------------- | :---------------------------------------- | :------------------------------------------------------- | :------------ | | Binding tussen | metaalion en niet-metaalion | twee niet-metalen | metalen | | Voorbeeld | NaCl | $H_2O$ | Fe-rooster | | Roostertype | ionrooster | moleculerooster | metaalrooster | | Sterkte roosterkrachten | zeer sterk | zwakker | sterk | | Polariteit moleculen | polair | polair of apolair (bepaald door $\Delta EN$ en geometrie) | apolair | | Geleider (zuivere toestand) | geen geleider | slechte geleider (behalve grafiet) | goede geleider | **Chemische binding:** * **Intramoleculair:** Ionbinding, covalente binding, metaalbinding. * **Intermoleculair:** Van der Waals (London), dipool-dipool, waterstofbrug, ion-molecule. **Covalente binding:** * Gemeenschappelijk elektron voor octet. * Lewisstructuren (VSEPR - ruimtelijke weergave). * EN (elektronegativiteit) en polariteit binding. * Hybridisaties (enkel: sp, sp$^2$, sp$^3$). --- # De chemische functies Dit deel behandelt de classificatie van anorganische verbindingen in chemische functies zoals zuren, basen en zouten, en de kenmerken van oxiden en hun gedrag in waterige oplossingen, inclusief elektrolyten en oplosbaarheid . ### 4.1 De zuurfunctie (zuren) Een zuur is een verbinding die protonen (H+) kan afgeven in de aanwezigheid van een protonenacceptor. In water fungeert H2O als protonenacceptor, waarbij een waterstofion (H+) zich bindt aan H2O om H3O+ te vormen . #### 4.1.1 Binaire zuren Binaire zuren bestaan uit waterstof en een zuurrest die geen zuurstofatomen bevat. De naamgeving bestaat uit de kationnaam (waterstof) gevolgd door de anionnaam zonder de "-ion" uitgang . * Voorbeelden: HF (waterstoffluoride), HCl (waterstofchloride), H2S (waterstofsulfide) . #### 4.1.2 Oxozuren of ternaire zuren Oxozuren bevatten waterstof, een ander element (X) en zuurstof. Ze kunnen worden beschouwd als bestaande uit OH-groepen en een niet-metaal, waarbij het waterstofatoom via een O-atoom aan het niet-metaal is gebonden . De benaming van oxozuren volgt twee systemen: 1. **Ingeburgerde naam**: Gebaseerd op de elementnaam met de uitgang "-zuur" . * Voorbeelden: H2SO4 (zwavelzuur), H3PO4 (fosforzuur), HNO3 (salpeterzuur) . 2. **Naam van het binaire type**: Kationnaam plus een anionnaam zonder de "-ion" uitgang . Veranderingen in het oxidatiegetal van het centrale atoom leiden tot naamswijzigingen: * Lager oxidatiegetal: uitgang "-igzuur" (ingeburgerd) of "-iet" (binair type) . * Nog lager oxidatiegetal: voorvoegsel "hypo-" . * Hoger oxidatiegetal: voorvoegsel "per-" . * Voorbeelden: HClO (hypochlorigzuur / waterstofhypochloriet), HClO3 (chloorzuur / waterstofchloraat), HClO4 (perchloorzuur / waterstofperchloraat), HNO2 (salpeterigzuur / waterstofnitriet), H2SO3 (zwaveligzuur / waterstofsulfiet) . **Toepassingen van zuren:** * HCl: maagzuur, verwijderen van kalk en cement . * H2S: vrijgekomen bij afbraak van S-houdende verbindingen (darmgas, vulkanen) . * HNO3 en H3PO4: grondstoffen voor meststoffen . * H2SO4: accuzuur . * HCN: zeer giftige stof . * H3PO4: aanwezig in cola . * H2CO3: aanwezig in bruisdranken . **Belangrijkste zuren en hun zuurresten:** * H3BO3 (boorzuur) - boraat . * H2CO3 (koolzuur) - carbonaat . * HNO3 (salpeterzuur) - nitraat . * H3PO4 (fosforzuur) - fosfaat . * H2SO4 (zwavelzuur) - sulfaat . * HClO4 (perchloorzuur) - perchloraat . * HClO3 (chloorzuur) - chloraat . ### 4.2 De basefunctie (basen) Basen zijn verbindingen die protonen kunnen opnemen in aanwezigheid van een protonendonor; ze zijn protonenacceptoren. Hydroxidebasen splitsen in water OH--ionen af, die een H+ kunnen opnemen . #### 4.2.1 Hydroxidebasen Deze bestaan uit een metaalkation en één of meer OH--ionen. De benaming is de naam van het kation gevolgd door "hydroxide" . * Voorbeelden: NaOH (natriumhydroxide), KOH (kaliumhydroxide), Ba(OH)2 (bariumhydroxide) . #### 4.2.2 Aminebasen Aminebasen bevatten een stikstofatoom dat een proton kan opnemen. Bij het oplossen van NH3 in water neemt een klein deel van de NH3-moleculen een H+ van H2O op, wat leidt tot de vorming van NH4+ en OH- . * Reactie: $NH_3 + H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-$ . **Belangrijke informatie: zuren en basen** * Een zuur is een protonendonor; in waterig midden veroorzaakt het H3O+-ionen . * Een base is een protonenacceptor; in waterig midden veroorzaakt het OH--ionen . **Toepassingen van basen:** * NaOH: ontstoppingsmiddel, afbijten van verf, bereiding van zepen . * KOH: bereiding van zepen . * Ca(OH)2 (gebluste kalk): bekalken van bodem, mortel en plaaster . * Al(OH)3: bindmiddel voor kleurstoffen, uitvlokkingsmiddel bij waterzuivering . * NH3: bron van N in meststoffen, koelmiddel . ### 4.3 De zoutfunctie Zouten zijn ionverbindingen tussen een metaalion en een zuurrest-ion. Ze ontstaan door de vervanging van de 'zure' waterstofatomen in een zuur door een ander kation . * Voorbeelden: KCl (kaliumchloride), Na2SO4 (natriumsulfaat), Ca3(PO4)2 (calciumfosfaat) . **Zure zouten** zijn zouten waarin niet alle 'zure' waterstofatomen zijn vervangen . * Voorbeelden: NaHSO4 (natriumwaterstofsulfaat), NaHCO3 (natriumwaterstofcarbonaat) . **Toepassingen van zouten:** * Silicaten: belangrijk deel van de aardkorst (bv. aluminiumsilicaat in klei) . * Kunstmeststoffen: bestaan vaak uit zouten (nitraat-, fosfaatverbindingen) . * Bakpoeder: bevat natriumwaterstofcarbonaat, wat CO2 produceert . **Dubbelzouten** zijn verbindingen met meerdere metaalionen gebonden aan een 2- of 3-waardige zuurrest . * Voorbeelden: Dolomiet (CaCO3.MgCO3), Patentkali (K2SO4.MgSO4) . ### 4.4 Oxiden Oxiden zijn binaire verbindingen tussen een metaal of niet-metaal en zuurstof. Ze zijn verwant aan zuren, basen en zouten . #### 4.4.1 Zure oxiden Dit zijn zuurstofverbindingen met niet-metalen die in water oplossen en oxozuren vormen. Ze worden ook wel "zuuranhydriden" genoemd . * Voorbeelden: CO2 (koolstofdioxide), SO3 (zwaveltrioxide), SO2 (zwaveldioxide) . * Reacties: $CO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2CO_3$, $SO_3 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_4$ . #### 4.4.2 Basische oxiden Dit zijn zuurstofverbindingen van metalen. Ze lossen in water op tot hydroxidebasen . * Voorbeelden: Na2O (natriumoxide), MgO (magnesiumoxide), CaO (calciumoxide) . * Splitsing van natriumoxide: $Na_2O + H_2O \rightarrow 2Na^+ + 2OH^-$ . Basische oxiden lossen meestal op in zuren. Een zuur oxide en een basisch oxide kunnen reageren tot een zout . * Reactie: $Na_2O + SO_3 \rightarrow Na_2SO_4$ . #### 4.4.3 Amfotere oxiden Amfotere oxiden en hydroxiden kunnen reageren als zuren in een basisch milieu en als basen in een zuur milieu . * Voorbeelden van elementen die amfotere oxiden vormen: Al, Pb, Cr, Zn . * Voorbeeld: ZnO en Zn(OH)2 gedragen zich amfoteer . * $ZnO + 2 HCl \rightarrow ZnCl_2 + H_2O$ . * $ZnO + 2 NaOH \rightarrow Na_2ZnO_2 + H_2O$ . **Toepassingen van oxiden:** * SO2: behandeling van rozijnen voor langere bewaring . * SO2, CO2, NxOy: verantwoordelijk voor zure regen bij verbranding van fossiele brandstoffen . * CO2: aanwezig in spuitwater, limonades . * Fe2O3: roestvorming . * SiO2: bestanddeel van glas en zand . * Al2O3: beschermend laagje op aluminium . ### 4.5 Enkele belangrijke kenmerken van verbindingen #### 4.5.1 Sterke elektrolyten Sterke elektrolyten zijn verbindingen die (bijna) volledig in ionen splitsen in waterige oplossingen. Dit wordt beschouwd als een aflopende reactie . * Voorbeelden van sterke elektrolyten: * Sterke zuren: HCl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4 . * Sterke basen: NaOH, KOH, Ba(OH)2, Ca(OH)2 . * Zouten: nagenoeg alle zouten, inclusief weinig oplosbare zouten (het opgeloste deel splitst volledig) . #### 4.5.2 Zwakke elektrolyten Bij zwakke elektrolyten dissocieert slechts een klein aantal opgeloste moleculen in ionen. De dissociatie wordt gekenmerkt door een homogeen dynamisch evenwicht, aangeduid met ⇌ . * Voorbeelden van zwakke elektrolyten: * Zwakke zuren: H2CO3, H3PO4, HCN, HF, HNO2, H2S, CH3COOH (azijnzuur) . * Zwakke basen: NH3 . **Toepassing:** Elektrolyten geleiden elektrische stroom in waterige oplossing . #### 4.5.3 De oplosbaarheid van verbindingen De oplosbaarheid in water is een belangrijke eigenschap. Weinig oplosbare stoffen vormen een neerslag . **Goed oplosbaar:** * De meest voorkomende zuren en zure oxiden . * Alle NO3- . * Alle Na+, K+, NH4+ . * Alle Cl-, Br-, I- (uitgezonderd Ag+, Pb2+) . * Alle SO42- (uitgezonderd Ag+, Pb2+, Ca2+, Ba2+) . **Zeer weinig oplosbaar:** * Alle OH- (uitgezonderd NH4+, Ia, Ca2+, Ba2+) . * Alle O2- . * Alle PO43- (uitgezonderd NH4+, Ia) . * Alle CO32- . * Alle SO32- . * Alle S2- . Sulfiden en anionen van andere zwakke zuren reageren in water . * $S^{2-} + H_2O \rightarrow HS^- + OH^-$ . * $CO_3^{2-} + H_2O \rightarrow HCO_3^- + OH^-$ . ### 4.6 Oefeningen *(Hieronder worden de oefeningen uit het document vermeld, zonder de oplossingen, zoals gevraagd door de instructies.)* 1. Geef de benaming en de chemische functie van de volgende verbindingen. Welke zijn goed of slecht oplosbaar in water? a. ZnSO4 b. CaO c. HNO3 d. KBr e. Al2O3 f. NaOH g. H2S h. NH4Cl i. P2O5 j. NH3 k. Mg(OH)2 l. CaCO3 m. Na2O n. AgNO3 o. Ca3(PO4)2 p. NO2 q. HClO r. FeS s. PbO t. HCl . 2. Geef de moleculeformule en de chemische functie van de volgende verbindingen. Geef oplosbaarheid aan in een waterige oplossing. a. calciumhydroxide b. natriumfluoride c. fosforzuur d. ammoniumsulfaat e. zilverbromide f. zwavelzuur g. natriumcarbonaat h. bariumsulfaat . 3. Van welk zuur en van welke base zijn de volgende zouten afgeleid? a. Na2SO4 b. NH4NO3 c. CaCO3 d. NaF e. KBr . ### 4.7 Overzicht Hoofdstuk 4 * **Chemische functies:** 1. **Zuurfunctie**: protonendonor (H+ afgeven) . * Binaire zuren: 2 atoomsoorten (H en zuurrest zonder O) . * Oxozuren: 3 atoomsoorten (H, O en X) . 2. **Basefunctie**: protonenacceptor (H+ opnemen); OH- afsplitsen . * Hydroxidebasen: metaalkation + OH- . * Aminebasen: N-atoom dat H+ kan opnemen . 3. **Zoutfunctie**: H+ in een zuur vervangen door een ander kation . 4. **Oxiden**: * Zure oxiden: niet-metalen en O . * Basische oxiden: metalen en O . * Amfotere oxiden: reageren als zuur in basisch milieu of als base in zuur milieu . * **Sterke en zwakke elektrolyten**: 1. **Sterke elektrolyten**: splitsen volledig in ionen (aflopende reactie) . 2. **Zwakke elektrolyten**: splitsen gedeeltelijk in ionen (evenwichtsreactie) . * **Oplosbaarheid van verbindingen**: * Goed oplosbaar: meeste zuren en zure oxiden, alle NO3-, alle Na+, K+, NH4+ . --- # Stoichiometrie Dit hoofdstuk introduceert de kwantitatieve aspecten van chemische reacties, waarbij we leren hoe we reactievergelijkingen opstellen, balanceren en berekeningen uitvoeren met betrekking tot concentraties, beperkende reagentia en oplossingen . ### 5.1 Voorstelling van de chemische reactievergelijking Een chemische reactie is een proces waarbij stoffen veranderen door het verbreken en vormen van bindingen tussen atomen. In tegenstelling tot fysische processen, die enkel de cohesiekrachten tussen moleculen beïnvloeden, leidt een chemische reactie tot verbindingen met nieuwe eigenschappen . Een reactievergelijking heeft zowel een kwalitatieve als een kwantitatieve betekenis. Kwalitatief geeft het de specifieke reagentia en reactieproducten aan. Kwantitatief drukt het de stoichiometrische verhoudingen uit, oftewel de hoeveelheden in mol of moleculen van elk reagens dat verbruikt wordt . #### 5.1.1 Het opstellen en balanceren van reactievergelijkingen De formules van de reagentia staan in het linkerlid en de formules van de reactieproducten in het rechterlid van de reactievergelijking. Het aantal atoomsoorten en het aantal atomen van elke soort blijft behouden tijdens de reactie. Om dit te weerspiegelen, worden eenvoudige gehele voorgetallen, ook wel stoichiometrische coëfficiënten genoemd, gebruikt . **Atoombabalans-methode:** Deze methode berust op het oplossen van een stelsel vergelijkingen om de coëfficiënten te vinden . * **Visueel aanpassen:** Bij eenvoudige reacties kunnen de coëfficiënten vaak visueel bepaald worden . * **Systematisch opstellen van balansen:** Voor elke atoomsoort wordt een balansvergelijking opgesteld, leidend tot een stelsel vergelijkingen dat opgelost moet worden. Men kan een waarde willekeurig vastleggen om de oplossing te vinden . > **Tip:** Controleer na het opstellen van een reactievergelijking altijd de atoombalans door het aantal atomen van elke soort in het linker- en rechterlid te tellen. Ze moeten gelijk zijn . **Voorbeeld 1:** CO2 + NaOH → Na2CO3 + H2O Door de atoombalansen op te stellen (C, O, Na, H) en bijvoorbeeld x=1 te stellen, vinden we de gebalanceerde vergelijking: CO2 + 2 NaOH → Na2CO3 + H2O . **Voorbeeld 2:** H2SO4 + Al(OH)3 → Al2(SO4)3 + H2O Met een atoombalans voor Al, O, H en S, en door b=1 te stellen, komen we uit op fractionele coëfficiënten. Door alle coëfficiënten met 2 te vermenigvuldigen, verkrijgen we de kleinste gehele coëfficiënten: 3 H2SO4 + 2 Al(OH)3 → Al2(SO4)3 + 6 H2O . De atoombalansmethode is toepasbaar als het aantal coëfficiënten niet groter is dan het aantal atoomsoorten plus één . #### 5.1.2 Molaire volume van gassen Voor gasvormige reagentia of producten kan de hoeveelheid vaak in volume gemeten worden in plaats van in mol of gram. In normvoorwaarden (temperatuur T = 273 K, druk P = 101300 Pa) bedraagt het molaire volume van een ideaal gas 22,4 liter per mol . $$V_{0m} (\text{gas}) = 22,4 \text{ l/mol}$$ . ### 5.2 Uitdrukken van concentraties Chemische reacties vinden vaak plaats in oplossing, waarvoor specifieke afspraken gelden met betrekking tot concentratietermen . * **Opgeloste stof:** De substantie die wordt opgelost . * **Oplosmiddel:** De substantie waarin wordt opgelost . * **Oplossing:** Het mengsel van opgeloste stof en oplosmiddel . Als het oplosmiddel niet gespecificeerd is, wordt aangenomen dat het water (H2O) is. De opgeloste stof is doorgaans de substantie in de kleinste hoeveelheid . #### 5.2.1 Massa/volume procent (% m/v) Massa/volume procent (% m/v) geeft het aantal massa-eenheden opgeloste stof aan per 100 volume-eenheden oplossing . > **Voorbeeld:** Een 3% m/v NaCl-oplossing in 100 ml waterige oplossing betekent dat er 3 g NaCl is opgelost en aangevuld met water tot een totaal volume van 100 ml . #### 5.2.2 Molariteit (cn) Molariteit (cn) geeft het aantal mol opgeloste stof aan per liter oplossing. De molariteit wordt berekend met de volgende formules : $$c_n = \frac{m}{M \cdot V} = \frac{n}{V}$$ . waarbij: * $c_n$ = molariteit (mol/l) * $m$ = massa af te wegen (g) * $M$ = molaire massa (g/mol) * $V$ = volume van de oplossing (l) * $n$ = aantal mol (mol) Om de massa af te wegen voor een oplossing met een specifieke concentratie en volume, wordt de formule gebruikt: $$m = c_n \cdot M \cdot V$$ . > **Voorbeeld:** Een oplossing die 10,6 g Na2CO3 bevat per liter, heeft een molariteit van 0,1 mol/l . #### 5.2.3 Normaliteit (N) Normaliteit (N) geeft het aantal gramequivalenten opgeloste stof aan per liter oplossing. Een gramequivalent is een eenheid van hoeveelheid stof, vergelijkbaar met de mol . $$N = a \cdot c_n$$ . waarbij: * $N$ = normaliteit (geq/l) * $a$ = werkzame bestanddelen (geq/mol) * $c_n$ = concentratie (molariteit) (mol/l) **Gramequivalent in zuur-basereacties:** * **Zuur:** Het aantal mol van een zuur dat bij volledige dissociatie 1 mol H+ (of H3O+) levert . * Voorbeeld: 1 mol HCl = 1 gramequivalent HCl . * Voorbeeld: 1 mol H2CO3 = 2 gramequivalenten H2CO3, omdat het 2 mol H+ kan leveren . * **Base:** Het aantal mol van een base dat bij volledige dissociatie 1 mol OH- levert . * Voorbeeld: 1 mol NaOH = 1 gramequivalent NaOH . * Voorbeeld: 1 mol NH3 = 1 gramequivalent NH3 . * Voorbeeld: 1 mol Ca(OH)2 = 2 gramequivalenten Ca(OH)2, omdat het 2 mol OH- kan leveren . > **Voorbeeld:** Een oplossing van 0,5 geq/l H2SO4 bevat 0,5 gramequivalent zwavelzuur per liter. Dit komt overeen met 24,52 g H2SO4 en heeft een molariteit van 0,25 mol/l, omdat H2SO4 2 werkzame bestanddelen heeft . #### 5.2.4 Massa/massa procent (% m/m) Massa/massa procent (% m/m) geeft het aantal massa-eenheden opgeloste stof aan per 100 dezelfde massa-eenheden oplossing . > **Voorbeeld:** Een 5% m/m KNO3-oplossing bevat 5 g KNO3 in 100 g oplossing, gemaakt door 5 g KNO3 af te wegen en aan te vullen met water tot een totaal gewicht van 100 g . #### 5.2.5 Volume/volume procent (% v/v) Volume/volume procent (% v/v) geeft het aantal volume-eenheden opgeloste stof aan per 100 dezelfde volume-eenheden oplossing . > **Voorbeeld:** Een 6% v/v CH3OH-oplossing bevat 6 ml methanol in 100 ml oplossing, gemaakt door 6 ml CH3OH af te meten en aan te vullen met water tot een totaal volume van 100 ml . ### 5.3 Stappenplan: kwantitatieve oefeningen bij reactievergelijking Bij kwantitatieve berekeningen met reactievergelijkingen is het cruciaal te onthouden dat de molhoeveelheden volgens de voorgetallen reageren . * **Stap 1:** Stel de reactievergelijking op en zorg ervoor dat deze gebalanceerd is met gehele voorgetallen . * **Stap 2:** Druk de hoeveelheid van alle stoffen uit in mol of mol/l. Berekeningen met massa, molaire massa en volume kunnen hiervoor nodig zijn . * Hoeveelheid stof $n \text{ (mol)} = \frac{\text{massa } m \text{ (g)}}{\text{molaire massa } M \text{ (g/mol)}}$ . * Hoeveelheid stof $n \text{ (mol)} = \text{molariteit } c_n \text{ (mol/l)} \cdot \text{volume } V \text{ (l)}$ . * **Stap 3:** Bepaal het aantal mol van de gevraagde stof. Hierbij moet rekening gehouden worden met een mogelijke beperkende stof . 1. Noteer de beginhoeveelheden ('voor') in mol of mol/l. 2. Werk in de stap 'tijdens' met de juiste stoichiometrische verhoudingen. Laat zoveel mogelijk reageren. Reagentia worden afgetrokken (-), reactieproducten worden opgeteld (+). 3. In de stap 'na' wordt de som van 'voor' en 'tijdens' berekend, resulterend in de hoeveelheid in mol of mol/l. * **Stap 4:** Bereken de gevraagde hoeveelheid (bv. in gram) vanuit de molhoeveelheid van de gevraagde stof, met behulp van de omgekeerde formules uit Stap 2 . > **Studeeraanwijzing:** Gebruik het stappenplan als hulpmiddel om oefeningen efficiënt te maken, niet om het stappenplan zelf te reproduceren . ### 5.4 De kwantitatieve informatie van de reactievergelijking De reactievergelijking, met haar stoichiometrische coëfficiënten, specificeert de molhoeveelheden reagentia die nodig zijn om een bepaalde hoeveelheid reactieproduct te vormen. Na omrekening kan de vergelijking ook aangeven hoeveel gram reagens nodig is . > **Voorbeeld:** Bij de reactie $2 \text{ KClO}_3 \rightarrow 2 \text{ KCl} + 3 \text{ O}_2$, reageren 2 mol KClO3 tot 2 mol KCl en 3 mol O2. Als er 0,22 mol KClO3 beschikbaar is, wordt 0,22 mol KCl en 0,33 mol O2 gevormd . | | KClO3 | KCl | O2 | | :--------- | :------ | :---- | :---- | | **Voor** | 0,22 | 0 | 0 | | **Tijdens**| -0,22 | +0,22 | +0,33 | | **Na** | - | 0,22 | 0,33 | ### 5.5 Een reagens in ondermaat Als een reagens in ondermaat aanwezig is, worden de hoeveelheden gevormd product berekend op basis van de hoeveelheid van dit beperkende reagens . > **Voorbeeld:** Bij de reactie NH3 + HCl → NH4Cl, reageert 1 mol NH3 (17 g) met 1 mol HCl (36,5 g) tot 1 mol NH4Cl (53,5 g). Als er 0,5 mol NH3 en 1 mol HCl aanwezig is, wordt slechts 0,5 mol NH4Cl gevormd, en blijft er 0,5 mol HCl over . | | NH3 | HCl | NH4Cl | | :---- | :---- | :---- | :---- | | **Voor** | 0,5 | 1 | 0 | | **Tijdens**| -0,5 | -0,5 | +0,5 | | **Na** | 0 | 0,5 | 0,5 | ### 5.6 Reacties in oplossing Reacties in oplossing worden vaak uitgedrukt in concentratie-eenheden . > **Voorbeeld:** Bij de reactie HCl + NaOH → NaCl + H2O, neutraliseren 1 mol/l HCl en 1 mol/l NaOH elkaar volledig om 1 mol/l NaCl te vormen . | | HCl | NaOH | NaCl | H2O | | :---- | :------ | :------ | :------ | :------ | | **Voor** | 1 mol/l | 1 mol/l | 0 | 0 | | **Tijdens**| -1 mol/l| -1 mol/l| +1 mol/l| +1 mol/l| | **Na** | 0 | 0 | 1 mol/l | 1 mol/l | Een volledige neutralisatie van een zuur en een base vindt plaats wanneer een gelijk aantal gramequivalenten aanwezig is. De formule hiervoor is : $$c_{n,\text{zuur}} \cdot a_{\text{zuur}} \cdot V_{\text{zuur}} = c_{n,\text{base}} \cdot a_{\text{base}} \cdot V_{\text{base}}$$ . waarbij: * $V_{\text{zuur}}$, $V_{\text{base}}$ = volume van het zuur/de base (l) * $c_{n,\text{zuur}}$, $c_{n,\text{base}}$ = concentratie van het zuur/de base (mol/l) * $a_{\text{zuur}}$, $a_{\text{base}}$ = werkzame bestanddelen (geq/mol) > **Voorbeeld:** Bij de reactie $1 \text{ H}_2\text{CO}_3 + 2 \text{ NaOH} \rightarrow 1 \text{ Na}_2\text{CO}_3 + 2 \text{ H}_2\text{O}$, neutraliseren 1 liter 1 mol/l H2CO3 (2 geq/l) en 2 mol/l NaOH (2 geq/l) elkaar volledig . | | H2CO3 | NaOH | Na2CO3 | H2O | | :--------- | :------ | :------ | :------ | :------ | | **Voor** | 1 mol/l | 2 mol/l | 0 | 0 | | **Tijdens**| -1 mol/l| -2 mol/l| +1 mol/l| +2 mol/l| | **Na** | 0 | 0 | 1 mol/l | 2 mol/l | ### 5.7 Oefeningen (Dit gedeelte bevat diverse oefeningen die hier niet volledig gereproduceerd kunnen worden, maar de student kan deze gebruiken om de stof toe te passen.) [138-139](#page=138-139) ### 5.8 Overzicht Hoofdstuk 5 **Chemische reacties:** * Reagentia → reactieproducten * Atoombbalans: evenveel atomen van elke soort links als rechts. * Voorgetallen (geheel) of stoichiometrische coëfficiënten . **Concentratie-eenheden:** * **Massa per volume-eenheid:** * Massa/volume procent (g/100 ml) . * Molariteit (mol/l) . * Normaliteit (geq/l) . * **Massa per massa-eenheid:** * Massa/massa procent (g/100 g) . * **Volume per volume-eenheid:** * Volume/volume procent (ml/100 ml) . * **Verhouding van molaire fracties** . **Belangrijke formules:** * Massa afwegen: $m = c_n \cdot M \cdot V$ . * Molariteit naar normaliteit: $N = c_n \cdot a$ . * Titraties: $c_{n,\text{zuur}} \cdot a_{\text{zuur}} \cdot V_{\text{zuur}} = c_{n,\text{base}} \cdot a_{\text{base}} \cdot V_{\text{base}}$ . --- # De zuurtegraad (pH) Dit hoofdstuk introduceert het concept van pH als een maat voor de zuurgraad of basiciteit van een waterige oplossing en beschrijft hoe de pH wordt berekend voor sterke en zwakke zuren en basen, inclusief buffers . ### 6.1 pH van waterige oplossingen De zuurtegraad, of pH, is een maat voor de concentratie van waterstofionen in een oplossing. Een waterstofion (H+) is altijd gebonden aan een watermolecuul (H2O), waardoor het vaak wordt geschreven als H3O+. De concentratie wordt uitgedrukt in mol per liter, aangeduid als [H3O+. De pH is gedefinieerd als de negatieve logaritme van de waterstofionenconcentratie . * **Definitie pH:** $pH = - \log [H^+]$ waarbij [H+] de concentratie in mol/l is . * **Definitie pOH:** $pOH = - \log [OH^-]$ waarbij [OH-] de concentratie in mol/l is . * **Relatie pH en pOH:** $pH + pOH = 14$ . * **Ionproduct van water:** $[H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}$ bij 25 °C . Oplossingen kunnen als zuur, neutraal of basisch worden geclassificeerd op basis van hun pH: * **Zuur:** pH < 7, hogere protonenconcentratie [H+] . * **Neutraal:** pH = 7, gelijke concentraties H+ en OH- . * **Basisch:** pH > 7, lagere protonenconcentratie [H+] . > **Tip:** Hoe hoger de concentratie H3O+ ionen, hoe lager de pH en hoe zuurder de oplossing . **Tabel 15:** Overzicht van verschillende voedingsmiddelen met hun pH . ### 6.2 pH van sterke zuren en basen #### 6.2.1 pH van een sterk zuur Sterke zuren dissociëren volledig in water. Dit betekent dat de concentratie van H+-ionen gelijk is aan de oorspronkelijke concentratie van het sterke zuur (cz) . * **Formule pH van een sterk zuur:** $pH = - \log c_z$ met $c_z$ in mol/l . > **Leertip:** Sterke zuren omvatten HI, HBr, H2SO4, en HNO3. Let op dat H2SO4 slechts bij de eerste dissociatiestap een sterk zuur is; de tweede stap levert een zwak zuur (HSO4-) . **Voorbeeld:** Bereken de pH van een oplossing van 10⁻⁵ mol/l HCl. Oplossing: $pH = - \log [H^+] = - \log [10^{-5} \text{ mol/l}] = 5$ . #### 6.2.2 pH van een sterke base Sterke basen dissociëren volledig in water, wat leidt tot een specifieke concentratie van OH- ionen . * **Formule pOH van een sterke base:** $pOH = - \log c_b$ met $c_b$ in mol/l . * **Formule pH van een sterke base:** $pH = 14 - pOH$ . Dit kan ook geschreven worden als: $pH = 14 + \log c_b$ . **Voorbeeld:** Bereken de pH van een oplossing met [OH⁻] = 0,03 mol/l. Oplossing: $pOH = - \log 0,03 \text{ mol/l} = 1,5$ . $pH = 14 - pOH = 14 - 1,5 = 12,5$ . ### 6.3 Zuurconstante Ka Zwakke zuren en basen kenmerken zich door evenwichtsreacties in water. De zuurconstante (Ka) beschrijft het evenwicht van de dissociatie van een zwak zuur (Z) in water : $Z + H_2O \rightleftharpoons B + H_3O^+$ . * **Zuurconstante Ka:** $K_a = \frac{[B \cdot [H^+]}{[Z]}$ met alle concentraties in mol/l . * **pKa:** $pK_a = - \log K_a$ . > **Betekenis Ka:** Hoe groter de Ka, hoe verder het evenwicht naar rechts verschuift, wat resulteert in meer gevormde ionen en dus een sterker zuur . Bij polyprotonische zuren (zuren met meer dan één afsplitsbaar H+ ion, zoals H3PO4 of H2SO4), is voornamelijk de primaire ionisatietrap belangrijk . * Voorbeeld azijnzuur ($CH_3COOH$): $pKa = 4,75$, dus $Ka = 10^{-4,75} = 1,8 \cdot 10^{-5}$ mol/l. Mierenzuur (HCOOH) met pKa = 3,8 is een sterker zuur dan azijnzuur . ### 6.4 Baseconstante of basiditeitsconstante Kb De baseconstante (Kb) beschrijft het evenwicht van de reactie van een zwakke base (B) met water: $B + H_2O \rightleftharpoons Z + OH^-$ . * **Baseconstante Kb:** $K_b = \frac{[OH^-] \cdot [Z]}{[B]}$ . * **pKb:** $pK_b = - \log K_b$ . > Hoe groter de Kb, hoe sterker de base . ### 6.5 Verband tussen Ka en Kb Er is een direct verband tussen de zuurconstante (Ka) van een zuur en de baseconstante (Kb) van zijn geconjugeerde base . * **Relatie Ka en Kb:** $K_a \cdot K_b = [H^+] \cdot [OH^-] = K_w = 10^{-14}$ (bij 25 °C) . * **Relatie pKa en pKb:** $pKa + pKb = 14$ . Dit verband maakt het mogelijk om de pKb van een geconjugeerde base af te leiden uit de pKa van het zuur, en vice versa . > **Tip:** Sterkere zuren hebben een kleinere pKa, en sterkere basen hebben een kleinere pKb . ### 6.6 pH van zwakke zuren en basen #### 6.6.1 pH van een zwak zuur Bij zwakke zuren (HZ) dissocieert slechts een deel van de protonen, wat resulteert in een evenwicht tussen het ongedissocieerde zuur en de gevormde ionen . * **Formule pH van een zwak zuur:** $pH = \frac{1}{2} pK_a - \frac{1}{2} \log c_z$ met $c_z$ in mol/l . > **Leertip:** Zwakke zuren omvatten H2S, CH3COOH, H2CO3, H3PO4, en HCOOH . #### 6.6.2 pH van een zwakke base Voor zwakke basen wordt de pH berekend via de pKb. * **Formule pH van een zwakke base:** $pH = 14 - \frac{1}{2} pK_b + \frac{1}{2} \log c_b$ met $c_b$ in mol/l . **Voorbeeld:** Bereken de pH van een 0,02 mol/l NH3-oplossing met $K_b = 1,8 \cdot 10^{-5}$ mol/l. Oplossing: $pK_b = - \log (1,8 \cdot 10^{-5}) \approx 4,74$ . $pH = 14 - \frac{1}{2} (4,74) + \frac{1}{2} \log (0,02 \text{ mol/l})$ . $pH \approx 14 - 2,37 + \frac{1}{2} (-1,70) \approx 14 - 2,37 - 0,85 = 10,78$ . ### 6.7 Buffer Een bufferoplossing is een mengsel dat de pH schommelt met toevoeging van zuren of basen. Een buffer bestaat typisch uit een zwak zuur en zijn geconjugeerde base (bv. azijnzuur en natriumacetaat) . > **Belangrijke informatie:** Een buffer werkt het best rond zijn pKa-waarde. Een goed bruikbare buffer bevindt zich in het pH-gebied van $pK_a \pm 1$ . * **Formule pH van een bufferoplossing (Henderson-Hasselbalch):** $pH = pK_a + \log \frac{c_b}{c_z} = pK_a + \log \frac{[\text{base}]}{[\text{zuur}]}$ met $c_b$ en $c_z$ in mol/l . ### 6.8 Extra oefeningen Hoofdstuk 6 Diverse oefeningen worden aangeboden om de berekening van de pH van verschillende oplossingen te oefenen, waaronder sterke en zwakke zuren, sterke en zwakke basen, en bufferoplossingen . ### 6.9 Overzicht Hoofdstuk 6 Dit deel vat de belangrijkste concepten en formules samen die behandeld zijn in het hoofdstuk . **Algemene Relaties:** * Zuurconstante: $K_z = K_a = \frac{[B \cdot [H^+]}{[Z]}$ . * Baseconstante: $K_b = \frac{[OH^-] \cdot [Z]}{[B]}$ . * Waterconstante: $K_w = [H^+] \cdot [OH^-] = 10^{-14}$ . * Verbanden: $K_a \cdot K_b = 10^{-14}$ . * pH/pOH: $pH = - \log [H^+]$, $pOH = - \log [OH^-]$, $pH + pOH = 14$ . * pKa/pKb: $pKa = - \log K_a$, $pKb = - \log K_b$, $pKa + pKb = 14$ . **pH-berekeningen:** * **Sterke zuren:** $pH = - \log c_z = - \log [H^+]$ . * **Sterke basen:** Via $pOH = - \log c_b$ en $pH = 14 - pOH$ . * **Zwakke zuren:** $pH = \frac{1}{2} pK_a - \frac{1}{2} \log c_z$ . * **Zwakke basen:** $pH = 14 - \frac{1}{2} pK_b + \frac{1}{2} \log c_b$ . * **Bufferoplossingen:** $pH = pK_a + \log \frac{c_b}{c_z}$ . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |---|---| | Atoom | Het kleinste deeltje van een element dat nog de chemische eigenschappen van dat element behoudt. Het bestaat uit een kern (met protonen en neutronen) en elektronen die daaromheen bewegen. | | Molecuul | Een groep van twee of meer atomen die chemisch aan elkaar gebonden zijn. Moleculen vormen de basis van chemische verbindingen en hebben specifieke eigenschappen. | | Isotopen | Varianten van hetzelfde chemische element die hetzelfde aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen in hun atoomkern. Dit resulteert in verschillende massagetallen. | | Relatieve atoommassa (RAM) | Een getal dat aangeeft hoeveel keer de massa van een gemiddeld atoom van een element groter is dan 1/12 van de massa van een koolstof-12 atoom. Het is een dimensieloos getal. | | Relatieve moleculemassa (RMM) | De som van de relatieve atoommassa's van alle atomen in een molecule, uitgedrukt in atomaire massa-eenheden. Het is een dimensieloos getal. | | Mol | Een hoeveelheid stof die een specifiek aantal deeltjes bevat, namelijk het getal van Avogadro ($6.022 \times 10^{23}$ deeltjes per mol). Het aantal deeltjes kan atomen, moleculen, ionen of andere entiteiten zijn. | | Molaire massa (M) | De massa van één mol van een stof, uitgedrukt in gram per mol (g/mol). Het is numeriek gelijk aan de relatieve molecuulmassa of atoommassa. | | Ionbinding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief geladen metaalionen (kationen) en negatief geladen niet-metaalionen (anionen), die het gevolg is van een volledige elektronoverdracht. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij atomen elektronenparen delen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken, meestal tussen niet-metalen. Dit delen van elektronen creëert moleculen. | | Metaalbinding | Een chemische binding die kenmerkend is voor metalen, waarbij metaalkationen in een rooster worden bij elkaar gehouden door een "zee" van gedeelde, gedelocaliseerde valentie-elektronen. | | Elektronegativiteit (EN) | Een maat voor het vermogen van een atoom in een molecule om de bindingselektronen naar zich toe te trekken. Het is cruciaal voor het bepalen van de polariteit van een binding. | | Oxidatiegetal (O.G.) | Een fictieve lading die aan een atoom wordt toegekend in een verbinding, gebaseerd op de aanname van ionaire bindingen en de elektronegativiteit van de gebonden atomen. | | pH | Een schaal die de zuurgraad of basiciteit van een waterige oplossing aangeeft. Het is de negatieve logaritme van de waterstofionenconcentratie ($pH = -log[H^+]$). | | Zuurconstante (Ka) | Een evenwichtsconstante die de sterkte van een zwak zuur aangeeft in een waterige oplossing. Een hogere Ka waarde duidt op een sterker zuur. | | Buffer | Een oplossing die een significante verandering in pH weerstaat bij toevoeging van kleine hoeveelheden zuur of base. Buffers bestaan typisch uit een zwak zuur en zijn geconjugeerde base, of een zwakke base en zijn geconjugeerde zuur. | | Stoichiometrie | Het tak van de chemie dat zich bezighoudt met de kwantitatieve relaties tussen reagentia en producten in chemische reacties, gebaseerd op de wetten van behoud van massa en de verhoudingen in molecuulformules en reactievergelijkingen. | | Molariteit (cn) | Een eenheid van concentratie die het aantal mol opgeloste stof per liter oplossing aangeeft (mol/L). | | Normaliteit (N) | Een eenheid van concentratie die het aantal gram-equivalenten opgeloste stof per liter oplossing aangeeft (geq/L). |

# Les généralités sur les solutions aqueuses Ce chapitre introduit les concepts fondamentaux des solutions aqueuses, en commençant par la structure et les propriétés de la molécule d'eau, pour ensuite aborder les différentes manières d'exprimer la concentration des solutés et les phénomènes de dissolution [1](#page=1). ### 1.1 Étude structurale de l'eau #### 1.1.1 Structure de la molécule d'eau La molécule d'eau, de formule $H_2O$, possède une structure coudée avec un angle de liaison $ \hat{HOH} = 104,5^\circ $. La longueur de la liaison $O-H$ est de $d = 0,96 \text{ Å}$. Cette géométrie confère à la molécule un moment dipolaire de $ \mu = 1,85 \text{ D} $ (où $1 \text{ D} \simeq 3,33 \times 10^{-30} \text{ C}\cdot\text{m}$), ce qui en fait une molécule polaire [2](#page=2). #### 1.1.2 La liaison hydrogène La liaison hydrogène est une force intermoléculaire attractive significative, plus forte que les forces de Van der Waals, avec une longueur d'environ 2,5 à 3 Å. Elle résulte d'interactions électrostatiques et est environ 20 fois plus puissante qu'une liaison de Van der Waals, mais 20 fois moins forte qu'une liaison covalente [2](#page=2). #### 1.1.3 Les trois états de l'eau L'eau peut exister sous forme solide, liquide et gazeuse. La présence de liaisons hydrogène intermoléculaires est responsable d'anomalies dans ses propriétés physiques, notamment une élévation des températures de fusion et d'ébullition par rapport à d'autres composés hydrogénés de type $H_2X$ [2](#page=2). > **Exemple:** La figure 1.3 illustre l'évolution des températures de fusion et d'ébullition pour $H_2O, H_2S, H_2Se, H_2Te$, montrant que l'eau a des températures anormalement élevées [2](#page=2). ### 1.2 Concentrations Une solution est formée par la dissolution d'un ou plusieurs solutés dans un solvant, généralement l'eau. Le soluté peut être sous forme solide, liquide ou gazeuse, et être moléculaire ou ionique [3](#page=3). #### 1.2.1 Concentration massique La concentration massique ($c$) exprime la masse de soluté par litre de solution. Sa formule est : $$c = \frac{m}{V}$$ où $m$ est la masse du soluté en grammes (g) et $V$ est le volume de la solution en litres (L). La concentration massique s'exprime en g⋅L⁻¹ [3](#page=3). #### 1.2.2 Concentration molaire (molarité) La concentration molaire ($C$), ou molarité, correspond à la quantité de matière (en moles) de l'espèce chimique dissoute par litre de solution. Elle se calcule par : $$C = \frac{n}{V}$$ où $n$ est la quantité de matière en moles (mol) et $V$ est le volume de la solution en litres (L). L'unité est mol⋅L⁻¹ [3](#page=3). Si $M$ est la masse molaire du soluté, la relation entre la concentration massique et la concentration molaire est : $$c = C \times M$$ où $c$ est en g⋅L⁻¹, $C$ en mol⋅L⁻¹, et $M$ en g⋅mol⁻¹ [3](#page=3). #### 1.2.3 Concentration molale (molalité) La concentration molale, ou molalité, représente la quantité de matière d'espèce chimique dissoute par unité de masse de solvant. Elle s'exprime en mol⋅kg⁻¹ [3](#page=3). #### 1.2.4 Concentration pondérale La concentration pondérale indique la masse de l'espèce chimique dissoute par unité de masse de solvant. Son unité est g⋅kg⁻¹ [4](#page=4). #### 1.2.5 Fraction molaire Pour une espèce chimique $A_i$ dissoute, sa fraction molaire ($f_i$) est définie comme le rapport de la quantité de matière de cette espèce ($n_i$) à la somme des quantités de matière de toutes les espèces chimiques présentes dans la solution (y compris le solvant) : $$f_i = \frac{n_i}{\sum_i n_i}$$ Cette fraction est sans unité [4](#page=4). ### 1.3 Dissolution d'un gaz dans un liquide Lors de l'équilibre entre un gaz et un liquide dans un système clos, une quantité de gaz se dissout dans le liquide. Le coefficient de solubilité ($s$) est défini comme le rapport de la concentration du gaz dans le liquide ($c_1$, masse du gaz dissoute par unité de volume de liquide) à la concentration du gaz dans la phase gazeuse surmontant le liquide ($c_2$, masse de vapeur par unité de volume de gaz) [4](#page=4): $$s = \frac{c_1}{c_2}$$ À l'équilibre, le volume de gaz dissous ($v$) dans les conditions standard est donné par la loi de Henry : $$v = s P_i V$$ où $P_i$ est la pression partielle du gaz en atmosphères et $V$ est le volume du liquide en litres [4](#page=4). ### 1.4 Miscibilité des liquides Lorsque deux liquides sont miscibles (soluté avec solvant), le mélange est caractérisé par son titre plutôt que par sa concentration. Le titre d'une solution ($\tau$) est le rapport de la masse du soluté à la masse totale de la solution, exprimé en pourcentage [4](#page=4): $$\tau = 100 \times \frac{m_{\text{soluté}}}{m_{\text{solution}}}$$ où $m_{\text{solution}} = m_{\text{soluté}} + m_{\text{solvant}}$ [4](#page=4). --- # Les électrolytes : forts et faibles Cette section définit les électrolytes et distingue les électrolytes forts, qui se dissocient totalement dans l'eau, des électrolytes faibles, dont la dissociation est partielle, en introduisant les concepts de taux de dissociation, de concentration molaire particulaire (osmolarité) et de concentration équivalente. ### 2.1 Définition d'un électrolyte Un électrolyte est une solution qui permet le passage du courant électrique. L'étude de ces solutions a conduit à postuler l'existence d'ions se déplaçant sous l'action d'un champ électrique, impliquant un transport de matière dans la solution: les cations (ions positifs) se déplacent vers la cathode et les anions (ions négatifs) se déplacent vers l'anode [5](#page=5). ### 2.2 Électrolytes forts #### 2.2.1 Définition Un électrolyte fort est un électrolyte qui se dissocie totalement dans l'eau [6](#page=6). #### 2.2.2 Exemples * La dissolution du chlorure de sodium (NaCl) entraîne une dissociation totale des cristaux solides : `$$ \text{NaCl(s)} \xrightarrow{\text{(eau)}} \text{Na}^+\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} $$` [6](#page=6). * La dissolution de la soude (NaOH), de la potasse (KOH) et du chlorure d'hydrogène gazeux (HCl) entraîne une réaction totale : `$$ \text{NaOH(s)} \xrightarrow{\text{(eau)}} \text{Na}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} $$` [6](#page=6). `$$ \text{KOH(s)} \xrightarrow{\text{(eau)}} \text{K}^+\text{(aq)} + \text{OH}^-\text{(aq)} $$` [7](#page=7). `$$ \text{HCl(g)} \xrightarrow{\text{(eau)}} \text{H}^+\text{(aq)} + \text{Cl}^-\text{(aq)} $$` [7](#page=7). Dans un électrolyte fort, on ne trouve que des ions majoritaires (apportés par la dissolution du cristal ou de la molécule) et les molécules du solvant [7](#page=7). ### 2.3 Électrolytes faibles #### 2.3.1 Taux de dissociation ($\alpha$) Dans le cas d'un électrolyte faible, l'ionisation ou la dissociation du soluté n'est pas totale, elle est partielle. La solution contient donc des ions, des molécules du soluté et des molécules du solvant [7](#page=7). ##### Définition du taux de dissociation Le taux de dissociation ($\alpha$) d'un électrolyte faible est défini comme : `$$ \alpha = \frac{\text{nombre de molécules dissociées}}{\text{nombre total initial de molécules introduites dans le solvant}} $$` (1.6) [7](#page=7). ##### Exemple de l'acide acétique Si l'on ajoute de l'acide acétique ($CH_3COOH$) dans l'eau, il s'ensuit une ionisation partielle : `$$ \text{CH}_3\text{COOH} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^-\text{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)} $$` [7](#page=7). À cet équilibre chimique est associée une constante d'équilibre, ou constante d'acidité ($K$): `$$ K = \frac{[\text{CH}_3\text{COO}^-\text{(aq)}][\text{H}_3\text{O}^+\text{(aq)}]}{[\text{CH}_3\text{COOH}]} $$` [7](#page=7). En considérant une concentration initiale $C$ du soluté, l'état final est : * $CH_3COOH$: $C(1-\alpha)$ * $CH_3COO^-(aq)$: $C\alpha$ * $H_3O^+(aq)$: $C\alpha$ La constante d'acidité peut alors s'écrire en fonction de $\alpha$: `$$ K = \frac{(C\alpha)^2}{C(1-\alpha)} = \frac{C\alpha^2}{1-\alpha} $$` [7](#page=7). ##### Interprétation du taux de dissociation Pour un soluté $AB$ se dissociant dans l'eau selon $AB + H_2O \rightleftharpoons A^-(aq) + B^+(aq)$, avec une concentration initiale $C$: * État final : $AB$ à $C(1-\alpha)$, $A^-(aq)$ à $C\alpha$, $B^+(aq)$ à $C\alpha$. * La constante d'équilibre $K$ est : `$$ K = \frac{[A^-(aq)][B^+(aq)]}{[AB]} = \frac{C\alpha^2}{1-\alpha} $$` (1.7) [8](#page=8). L'interprétation de $\alpha$ est la suivante : * $\alpha = 0$: la dissociation est nulle. * $0 < \alpha < 1$: la dissociation est partielle, et on note $AB \rightleftharpoons A^-(aq) + B^+(aq)$. * $\alpha = 1$: la dissociation est totale, et on note $AB \rightarrow A^-(aq) + B^+(aq)$. ##### Détermination du taux de dissociation ($\alpha$) * Si $\alpha \ll 1$ ( $\alpha$ est négligeable devant 1), on peut simplifier $K \simeq C\alpha^2$, d'où $\alpha \simeq \sqrt{\frac{K}{C}}$. * Si $\alpha$ n'est pas négligeable devant 1, il faut résoudre l'équation du second degré en $\alpha$: $C\alpha^2 + K\alpha - K = 0$. #### 2.3.2 Concentration molaire particulaire ou osmolarité ($\omega$) ##### Définition La concentration molaire particulaire, ou osmolarité ($\omega$), est définie comme le nombre de moles particulaires (molécules et ions) dissoutes par litre de solution [8](#page=8). Pour le soluté $AB$ dissous dans l'eau, avec une concentration initiale $C$ et un taux de dissociation $\alpha$: * La concentration de $AB$ à l'état final est $C(1-\alpha)$. * La concentration de $A^-(aq)$ est $C\alpha$. * La concentration de $B^+(aq)$ est $C\alpha$. L'osmolarité $\omega$ est la somme des concentrations de toutes les espèces présentes : `$$ \omega = C(1-\alpha) + C\alpha + C\alpha = C(1+\alpha) $$` (1.8) [8](#page=8). > **Tip:** L'osmolarité est une mesure importante pour comprendre les propriétés colligatives des solutions, telles que la pression osmotique. ##### Exemple On dissout 0,1 mole d'un acide faible ($AH$) dans 1 litre d'eau, avec un coefficient de dissociation $\alpha = 0,08$. La concentration molaire de la solution est $C = \frac{0,1 \text{ mol}}{1 \text{ L}} = 0,1 \text{ mol.L}^{-1}$. L'osmolarité est : `$$ \omega = C(1+\alpha) = 0,1 \times (1 + 0,08) = 0,108 \text{ osmol.L}^{-1} $$`, soit 108 mosmol.L$^{-1}$ [9](#page=9). La constante d'équilibre $K$ peut être calculée : `$$ K = \frac{C\alpha^2}{1-\alpha} = \frac{0,1 \times (0,08)^2}{1 - 0,08} = \frac{0,00064}{0,92} \approx 6,96 \times 10^{-4} $$` [9](#page=9). #### 2.3.3 Concentration équivalente ($C_{eq}$) ##### Définition Pour une espèce ionique donnée, la concentration équivalente représente le nombre de moles particulaires par litre de solution : `$$ C_{\text{eq}}(i) = C_i \cdot |z_i| $$` (1.9) [9](#page=9). où : * $C_i$ est la concentration molaire de l'ion $i$ en mol.L$^{-1}$. * $z_i$ est la valence de l'ion $i$. Pour une solution contenant $N$ ions, sa concentration équivalente totale est : `$$ C_{\text{eq}} = \sum_{i} |z^+_i| C^+_i + \sum_{j} |z^-_j| C^-_j $$` (1.10) [9](#page=9). ##### Remarque sur la neutralité électrique Une solution étant électriquement neutre, on a : `$$ \sum_{i} z^+_i C^+_i = \sum_{j} |z^-_j| C^-_j $$` Par conséquent : `$$ C_{\text{eq}} = 2 \sum_{i} z^+_i C^+_i = 2 \sum_{j} |z^-_j| C^-_j $$` (1.11) [9](#page=9). > **Tip:** La concentration équivalente est particulièrement utile pour comparer la contribution de différents ions aux propriétés électriques d'une solution, notamment en biochimie et en physiologie. ##### Exemple Considérons une solution de $Na_2SO_4$ préparée en dissolvant 14,2 g de $Na_2SO_4$ dans 500 mL d'eau. La masse molaire de $Na_2SO_4$ est de 142 g.mol$^{-1}$. La quantité de matière de $Na_2SO_4$ est : `$$ n(\text{Na}_2\text{SO}_4) = \frac{14,2 \text{ g}}{142 \text{ g.mol}^{-1}} = 0,1 \text{ mol} $$` [10](#page=10). La concentration de la solution en soluté est : `$$ C = \frac{0,1 \text{ mol}}{0,5 \text{ L}} = 0,2 \text{ mol.L}^{-1} $$` [10](#page=10). La dissociation de $Na_2SO_4$ s'écrit : `$$ \text{Na}_2\text{SO}_4 \rightarrow 2\text{Na}^+\text{(aq)} + \text{SO}_4^{2-}\text{(aq)} $$` [10](#page=10). Les concentrations molaires des ions sont : * $[Na^+(aq)] = 2 \times 0,2 \text{ mol.L}^{-1} = 0,4 \text{ mol.L}^{-1}$ * $[SO_4^{2-}(aq)] = 1 \times 0,2 \text{ mol.L}^{-1} = 0,2 \text{ mol.L}^{-1}$ [10](#page=10). Les valences sont : * $z^+ = +1$ pour $Na^+$ * $z^- = -2$ pour $SO_4^{2-}$ Les concentrations équivalentes des ions sont : * $C_{\text{eq}}(Na^+(aq)) = 0,4 \text{ mol.L}^{-1} \times |+1| = 0,4 \text{ eq.L}^{-1}$ * $C_{\text{eq}}(SO_4^{2-}(aq)) = 0,2 \text{ mol.L}^{-1} \times |-2| = 0,4 \text{ eq.L}^{-1}$ [10](#page=10). La concentration équivalente totale de la solution est : `$$ C_{\text{eq}} = C_{\text{eq}}(Na^+(aq)) + C_{\text{eq}}(SO_4^{2-}(aq)) = 0,4 + 0,4 = 0,8 \text{ eq.L}^{-1} $$` [10](#page=10). #### 2.3.4 Coefficient d'ionisation de Van't Hoof ($i$) ##### Définition Le coefficient d'ionisation de Van't Hoof ($i$) est défini comme le rapport entre le nombre de particules (molécules et ions) et le nombre total initial de molécules introduites dans le solvant : `$$ i = \frac{\text{nombre de particules (molécules et ions)}}{\text{nombre total initial de molécules introduites dans le solvant}}} = \frac{\omega}{C} $$` (1.12) [10](#page=10). où $\omega$ est en osmol.L$^{-1}$ et $C$ en mol.L$^{-1}$. ##### Autre expression du coefficient d'ionisation Si $\nu$ représente le nombre d'ions formés par molécule de soluté dissocié, alors $\omega = C(1-\alpha) + \nu C\alpha = C[1+\alpha(\nu-1)]$. Par conséquent : `$$ i = \frac{\omega}{C} = 1 + \alpha(\nu-1) $$` (1.13) [10](#page=10). > **Tip:** Le coefficient de Van't Hoff permet de relier l'osmolarité à la concentration molaire, en tenant compte du degré de dissociation et du nombre d'ions produits. ### 2.4 Loi de dilution d’Ostwald La loi de dilution d'Ostwald stipule que si l'on effectue des dilutions (c'est-à-dire que la concentration $C$ tend vers zéro), le taux de dissociation $\alpha$ tend vers 1. Autrement dit, un électrolyte faible tend à se comporter comme un électrolyte fort lorsque sa concentration devient infiniment petite. Cette loi est dérivée de la relation $K = \frac{C\alpha^2}{1-\alpha}$. Lorsque $C \to 0$, $K/C \to \infty$, ce qui implique $\alpha^2/(1-\alpha) \to \infty$, donc $\alpha \to 1$ [11](#page=11). --- # Les propriétés acido-basiques des solutions aqueuses Ce chapitre explore les définitions des acides et bases selon Brönsted, les réactions acido-basiques, les propriétés de l'eau, le concept de pH, et les méthodes de calcul pour différentes solutions [12](#page=12). ### 2.1 Acides et bases en solution aqueuse #### 2.1.1 Acides et bases selon Brönsted Selon la théorie de Brönsted et Lowry un acide est une espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons ($H^+$) tandis qu'une base est une espèce chimique capable de capter un ou plusieurs protons ($H^+$) [12](#page=12) [13](#page=13) . * Un monoacide ne peut céder qu'un proton, et une monobase ne peut en capter qu'un [12](#page=12). * Un polyacide ou une polybase peut céder ou capter plusieurs protons [12](#page=12). La réaction générale d'un acide est : $AH \rightleftharpoons A^{-} + H^{+}$ (2.1) [13](#page=13). ou pour un acide cationique : $BH^{+} \rightleftharpoons B + H^{+}$ (2.2) [13](#page=13). Dans ces réactions, l'espèce $A^{-}$ ou $B$ qui résulte de la réaction inverse est susceptible de capter un proton $H^+$. Ainsi, un acide et une base vont par paire, formant un couple acide/base conjugués. À tout acide $AH$ (ou $BH^+$) correspond sa base conjuguée $A^{-}$ (ou $B$). Les couples acide/base sont notés $AH/A^{-}$ et $BH^{+}/B$ [13](#page=13). **Exemples de couples acide/base:** [13](#page=13). * $CH_3COOH / CH_3COO^{-}$ * $NH_4^+ / NH_3$ * $H_2SO_4 / HSO_4^-$ puis $HSO_4^- / SO_4^{2-}$ Une espèce qui peut agir à la fois comme acide et comme base est dite **amphotère** ou **ampholyte**. Par exemple, $HSO_4^-$ est amphotère car il est une base pour le couple $H_2SO_4/HSO_4^-$ et un acide pour le couple $HSO_4^-/SO_4^{2-}$ [13](#page=13). > **Tip:** Familiarize yourself with common acid-base couples to quickly identify conjugate pairs and predict reaction outcomes. **Quelques couples acide/base notables:** [13](#page=13). | Acide | Base | | :------------- | :----------- | | $HF$ | $F^{-}$ | | $HCN$ | $CN^{-}$ | | $CO_2, H_2O$ | $HCO_3^-$ | | $HCO_3^-$ | $CO_3^{2-}$ | | $C_6H_5COOH$ | $C_6H_5COO^-$ | | $H_3O^+$ | $H_2O$ | | $H_2O$ | $HO^-$ | #### 2.1.2 Réactions acides-bases Une réaction acido-basique est un transfert de proton ($H^+$) d'un acide vers une base. La réaction générale impliquant deux couples acide/base est [14](#page=14): $acide_1 + base_2 \rightleftharpoons base_1 + acide_2$ (2.3) [14](#page=14). Dans cette réaction, l'acide 1 (provenant du couple $acide_1/base_1$) cède un proton à la base 2 (provenant du couple $acide_2/base_2$) [14](#page=14). **Exemple:** [14](#page=14). Réaction entre l'acide acétique ($CH_3COOH$) et l'ammoniac ($NH_3$) : * Couple 1 : $CH_3COOH / CH_3COO^-$ ($CH_3COOH \rightleftharpoons CH_3COO^- + H^+$) * Couple 2 : $NH_4^+ / NH_3$ ($NH_3 + H^+ \rightleftharpoons NH_4^+$) Réaction globale : $CH_3COOH \text{ (acide}_1) + NH_3 \text{ (base}_2) \rightleftharpoons CH_3COO^- \text{ (base}_1) + NH_4^+ \text{ (acide}_2)$ [14](#page=14). #### 2.1.3 Les couples de l'eau L'eau ($H_2O$) est une espèce amphotère, agissant à la fois comme acide et comme base [14](#page=14). * En tant qu'acide, l'ion hydronium ($H_3O^+$) cède un proton pour former de l'eau : $H_3O^+ \rightleftharpoons H_2O + H^+$ (2.4) [14](#page=14). Le couple est $H_3O^+ / H_2O$, où $H_2O$ est la base conjuguée de $H_3O^+$. * En tant que base, l'ion hydroxyde ($HO^-$) capte un proton pour former de l'eau : $HO^- + H^+ \rightleftharpoons H_2O$ (2.5) [14](#page=14). Le couple est $H_2O / HO^-$, où $H_2O$ est l'acide conjugué de $HO^-$. #### 2.1.4 L'autoprotolyse de l'eau - Produit ionique de l'eau L'eau pure subit une auto-ionisation partielle, qui peut être représentée comme une réaction acido-basique entre deux molécules d'eau : $H_2O + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + HO^-$ (2.6) [14](#page=14). La constante thermodynamique d'équilibre de cette réaction est le **produit ionique de l'eau**, notée $K_e$ : $K_e = [H_3O^+][HO^-]$ (2.7) [15](#page=15). $K_e$ est une constante sans dimension qui dépend uniquement de la température [15](#page=15). On définit également le $pK_e$ : $pK_e = -\log K_e$, soit $K_e = 10^{-pK_e}$ (2.8) [15](#page=15). | Température (°C) | $K_e$ | $pK_e$ | | :--------------- | :------------------ | :----- | | 0 | $0.12 \times 10^{-14}$ | 14.9 | | 25 | $1.0 \times 10^{-14}$ | 14.0 | | 50 | $5.5 \times 10^{-14}$ | 13.3 | | 80 | $25 \times 10^{-14}$ | 12.6 | $K_e$ est une fonction croissante de la température [15](#page=15). ### 2.2 pH d'une solution aqueuse #### 2.2.1 Définition Le **pH** est une grandeur sans unité qui quantifie le caractère acide ou basique d'une solution. Pour les solutions aqueuses diluées (concentration molaire très inférieure à 1 mol/L), le pH est défini par [15](#page=15): $pH = -\log[H_3O^+]$, soit $[H_3O^+] = 10^{-pH}$ (2.9) [15](#page=15). #### 2.2.2 Solutions acides et basiques * **Eau pure :** Dans l'eau pure, $[H_3O^+] = [HO^-]$. En utilisant la relation du produit ionique de l'eau, on obtient : $[H_3O^+] = [HO^-] = \sqrt{K_e}$ $pH = -\log\sqrt{K_e} = -\frac{1}{2}\log K_e = \frac{1}{2}pK_e$ (Pour l'eau pure) (2.10) [16](#page=16). À 25°C, $pK_e = 14.0$, donc $pH = 7.0$. * **Milieu acide :** Dans un milieu acide, $[H_3O^+] > [HO^-]$. En utilisant $K_e = [H_3O^+][HO^-]$ : $[HO^-] = K_e / [H_3O^+]$. Ainsi, $[H_3O^+] > K_e / [H_3O^+]$, ce qui implique $[H_3O^+]^2 > K_e$. En prenant les logarithmes : $2\log[H_3O^+] > \log K_e$, ou encore : $pH < \frac{1}{2}pK_e$ (En milieu acide) (2.11) [16](#page=16). À 25°C, une solution est acide si $pH < 7.0$. * **Milieu basique :** Dans un milieu basique, $[H_3O^+] < [HO^-]$. De manière similaire : $pH > \frac{1}{2}pK_e$ (En milieu basique) (2.12) [16](#page=16). À 25°C, une solution est basique si $pH > 7.0$.  (Figure 2.1, illustration du pH des solutions neutres, acides et basiques) [16](#page=16). #### 2.2.3 pH de quelques liquides biologiques | Liquide biologique | pH | | :--------------------------- | :------------------- | | Sang artériel | $7.38 - 7.42$ | | Sang veineux | $7.35 - 7.42$ | | Salive | $6.2 - 7.2$ | | Suc gastrique | $1.6 - 1.8$ | | Suc pancréatique | $8.0$ | | Liquide céphalo-rachidien | $7.2 - 7.9$ | #### 2.2.4 pKa d'un couple acide/base Considérons un acide $AH$ réagissant avec l'eau : $AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$ (2.13) [17](#page=17). * **Acide fort:** Un acide fort se dissocie totalement dans l'eau. Le coefficient de dissociation $\alpha = 1$ [18](#page=18). * **Acide faible:** Un acide faible ne s'ionise que partiellement dans l'eau ($\alpha < 1$). Sa "force" est évaluée par la constante d'acidité ($K_a$) [17](#page=17). La constante d'acidité ($K_a$) pour l'équilibre (2.13) est : $K_a = \frac{[A^-][H_3O^+]}{[AH]}$ (2.14) [17](#page=17). $K_a$ ne dépend que de la température [17](#page=17). On définit également le $pK_a$ : $pK_a = -\log K_a$, soit $K_a = 10^{-pK_a}$ (2.15) [17](#page=17). **Relation entre pH et pKa :** Pour un couple $AH/A^-$, la réaction d'ionisation de l'acide est : $AH + H_2O \rightleftharpoons A^- + H_3O^+$. La constante d'acidité est : $K_a = \frac{[A^-][H_3O^+]}{[AH]}$ [17](#page=17). De cette relation, on tire : $[H_3O^+] = K_a \frac{[AH]}{[A^-]}$ En prenant les logarithmes : $\log[H_3O^+] = \log K_a + \log\frac{[AH]}{[A^-]}$ Soit : $pH = pK_a + \log\frac{[A^-]}{[AH]}$ (2.16) [18](#page=18). #### 2.2.5 Diagramme de prédominance On considère qu'une espèce acide $A$ est prédominante devant l'espèce basique $B$ lorsque $[A > 10[B]$. En utilisant la relation (2.16) [18](#page=18): * $pH = pK_a$ lorsque $[A = [B]$ * $pH < pK_a - 1$ lorsque $[A > 10[B]$ (A prédomine) * $pH > pK_a + 1$ lorsque $[B > 10[A]$ (B prédomine) Ces relations permettent de construire le diagramme de prédominance (Figure 2.2) indiquant les domaines où chaque espèce est majoritaire [18](#page=18).  (Figure 2.2, Diagramme de prédominance) [18](#page=18). #### 2.2.6 pH de quelques solutions ##### Solutions acides * **Acides forts :** Ces acides se dissocient totalement dans l'eau ($\alpha = 1$) [18](#page=18). Pour un monoacide de concentration molaire $C_a$, on a $C_a = [H_3O^+]$. $pH = -\log C_a$ (Pour des solutions diluées) (2.17) [18](#page=18). Pour un diacide $AH_2$ de concentration molaire $C_a$, la dissociation peut produire 2 protons : $AH_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_3O^+ + A^{2-}$. Dans ce cas, $[H_3O^+] = 2C_a$. $pH = -\log(2C_a)$ (pour un diacide de concentration molaire $C_a$) [19](#page=19). * **Acides faibles :** Ces acides se dissocient partiellement ($\alpha < 1$). Pour un acide $AH$ de concentration molaire $C_a$ [19](#page=19): $AH + H_2O \rightleftharpoons H_3O^+ + A^-$ L'équilibre final est $C_a - h$ pour $AH$, $h$ pour $H_3O^+$ et $h$ pour $A^-$, où $h = [H_3O^+]$. $K_a = \frac{h^2}{C_a - h}$ [19](#page=19). Si la dissociation est faible ($h \ll C_a$), on peut négliger $h$ devant $C_a$: $K_a \approx \frac{h^2}{C_a}$, donc $h = [H_3O^+] = \sqrt{K_a C_a}$ (2.18) [19](#page=19). $pH = -\log(\sqrt{K_a C_a}) = \frac{1}{2}(pK_a - \log C_a)$ (Pour un acide faiblement dilué) (2.19) [19](#page=19). Le coefficient de dissociation $\alpha$ est : $\alpha = \frac{[H_3O^+]}{C_a} = \frac{10^{-pH}}{C_a} = \sqrt{\frac{K_a}{C_a}}$ (2.20) [19](#page=19). ##### Solutions basiques Soit $C_b$ la concentration molaire de la solution. * **Bases fortes :** Le pH est donné par : $pH = 14 + \log C_b$ (Pour des solutions diluées) (2.21) [20](#page=20). Le coefficient de dissociation $\alpha = 1$ [20](#page=20). Pour une dibase telle que $B(OH)_2$ de concentration molaire $C_b$: $pH = 14 + \log(2C_b)$ (pour une dibase de concentration molaire $C_b$) [20](#page=20). * **Bases faibles :** Pour une base faible $B$ de concentration $C_b$: $B + H_2O \rightleftharpoons BH^+ + HO^-$ L'équilibre final est $C_b - [HO^-]$ pour $B$, $[HO^-]$ pour $BH^+$, et $[HO^-]$ pour $HO^-$. Le $pK_b$ est lié au $pK_a$ par $pK_b = 14 - pK_a$ [20](#page=20). Pour une base faiblement diluée : $pH = 14 - \frac{1}{2}(pK_b - \log C_b)$ (2.22) [20](#page=20). Le coefficient de dissociation $\alpha$ est : $\alpha = \frac{[HO^-]}{C_b} = \frac{10^{pH - 14}}{C_b} = \sqrt{\frac{K_b}{C_b}}$ (2.23) [20](#page=20). > **Tip:** Remember that $pK_a$ is a measure of acid strength. A lower $pK_a$ indicates a stronger acid. Similarly, a lower $pK_b$ indicates a stronger base. **À RETENIR: Acides faibles** [20](#page=20). Pour un acide faible $AH$ de concentration $C_a$, constante d'acidité $K_a$, et coefficient de dissociation $\alpha$: $\alpha = \frac{[H_3O^+]}{C_a}$, soit $[H_3O^+] = \alpha C_a$ $K_a = \frac{[A^-][H_3O^+]}{[AH]} = \frac{\alpha^2 C_a}{1-\alpha}$ $pH = -\log[H_3O^+] = -\log(\alpha C_a)$ Si la dissociation est faible ($\alpha \ll 1$): $K_a \approx \alpha^2 C_a$ $\alpha \approx \sqrt{\frac{K_a}{C_a}}$ $[H_3O^+] \approx \sqrt{K_a C_a}$ $pH \approx \frac{1}{2}(pK_a - \log C_a)$ --- # Réactions acido-basiques, systèmes tampons et troubles acido-basiques Voici un résumé détaillé des réactions acido-basiques, systèmes tampons et troubles acido-basiques, préparé pour un examen. ## 4 Réactions acido-basiques, systèmes tampons et troubles acido-basiques Cette section aborde les principes des titrages acido-basiques, le fonctionnement et l'importance des solutions tampons, en particulier dans les milieux biologiques, l'utilisation du diagramme de Davenport pour visualiser les états acido-basiques, et la classification des troubles acido-basiques. ### 4.1 Réactions acido-basiques : courbes de titrages Le dosage, ou titrage, en solution aqueuse permet de déterminer la concentration d'un acide ou d'une base [21](#page=21). #### 4.1.1 Principe du dosage Le principe du dosage repose sur la réaction complète et rapide entre une espèce à doser et une autre espèce de concentration connue. Pour un acide AH de concentration inconnue $C_a$, on le fait réagir avec une base forte, telle que $HO^-$, de concentration connue $C_b$. La réaction support est : $AH + HO^- \longrightarrow A^- + H_2O$ (2.24) [21](#page=21). À l'équivalence, les quantités de matière des réactifs sont égales: $n_a = n_b$, ce qui se traduit par $C_a \cdot v_a = C_b \cdot v_b$. La concentration de l'acide est alors $C_a = C_b \frac{v_b}{v_a}$ (2.25) [21](#page=21). Les conditions nécessaires pour un dosage efficace sont : * Réaction totale et rapide [21](#page=21). * Passage au point d'équivalence facilement observable [21](#page=21). * Saut de pH observable au pH-mètre [21](#page=21). * Changement de couleur observable avec des indicateurs colorés [21](#page=21). #### 4.1.2 Exemple : réaction entre un acide faible et une base forte Lors du titrage d'un acide faible $AH$ (concentration $C$, constante d'acidité $K_a$) par une base forte $HO^-$, la réaction est : $AH + HO^- \longrightarrow A^- + H_2O$ La constante de cette réaction est $K = \frac{[A^-]}{[AH][HO^-]} = \frac{K_a}{K_e} \cdot K_w$. Si $K_a \le 10^{11}$ (à 25°C, $K_e = 10^{-14}$), alors $K \ge 10^3$, ce qui indique une réaction quantitative [22](#page=22). Pour $0 < x < 1$ (où $x$ est la fraction molaire de base forte ajoutée par mole d'acide), le pH est donné par la relation d'Henderson-Hasselbalch : $pH = pK_a + \log\left(\frac{x}{1-x}\right)$ (2.26) [22](#page=22). Le graphe du pH en fonction de $x$ présente un saut de pH au point d'équivalence, et une région où le pH varie peu autour de $x=0.5$, correspondant au point de demi-équivalence où $pH = pK_a$ [22](#page=22). ### 4.2 Les systèmes tampons #### 4.2.1 Solutions tampons Une solution tampon est une solution qui résiste aux variations de pH lors de l'ajout d'une petite quantité d'acide ou de base forte, ou lors de dilution. Ce phénomène est observable sur la courbe de dosage d'un acide faible, où le pH varie peu autour du point de demi-équivalence ($pH = pK_a$) [23](#page=23). Une solution tampon est donc une solution dont le pH est "stabilisé" et dont la composition est proche de celle obtenue à la demi-équivalence lors du titrage d'un acide faible par une base forte, ou d'une base faible par un acide fort [23](#page=23). > **Tip:** Les solutions tampons sont essentielles dans de nombreux processus biologiques et réactions chimiques car elles maintiennent un pH relativement constant, nécessaire au bon fonctionnement des systèmes [24](#page=24). #### 4.2.2 Intérêt des solutions tampons La plupart des réactions biologiques et de nombreuses réactions d'analyse et de synthèse nécessitent des milieux tamponnés pour fonctionner de manière optimale. Deux couples acide/base sont particulièrement importants dans les milieux biologiques [24](#page=24): * **Le tampon bicarbonate:** Il est constitué du couple $CO_2, H_2O / HCO_3^-(aq)$ (parfois noté $H_2CO_3 / HCO_3^-(aq)$). Son $pK_a$ est d'environ 6.4 à 25°C et 6.1 à 37°C. Le pH normal du sang (entre 7.38 et 7.45) est maintenu par ce système, où la concentration en ions bicarbonate $[HCO_3^-(aq)]$ est supérieure à celle du dioxyde de carbone dissous $[CO_2, H_2O]$, comme le montre la relation $pH = pK_a + \log\left(\frac{[HCO_3^-(aq)]}{[CO_2, H_2O]}\right)$ [24](#page=24). * **Le tampon phosphate:** Il met en jeu le couple $H_2PO_4^-(aq) / HPO_4^{2-}(aq)$. Il constitue le principal système tampon intracellulaire [24](#page=24). ### 4.3 Diagramme de Davenport et troubles acido-basiques #### 4.3.1 Diagramme de Davenport Le tampon bicarbonate est le principal système tampon de l'organisme. À 37°C, la relation d'Henderson-Hasselbalch pour ce couple est [24](#page=24): $pH = 6.1 + \log\left(\frac{[HCO_3^-(aq)]}{[CO_2]}\right)_d$ (2.27) [24](#page=24). où $[CO_2]_d$ représente la concentration de $CO_2$ dissous [24](#page=24). La concentration de $CO_2$ dans le sang est liée à la pression partielle de $CO_2$ ($P_{CO_2}$) dans les poumons. La relation (2.27) peut être réécrite en tenant compte du coefficient de Henry ($a$) [25](#page=25): $[HCO_3^-(aq)] = a \cdot P_{CO_2} \cdot 10^{pH - 6.1}$ (2.28) [25](#page=25). où $a = 0.03 \text{ mmol} \cdot L^{-1} \cdot mmHg^{-1}$ si $P_{CO_2}$ est en mmHg [25](#page=25). Le diagramme de Davenport représente graphiquement la concentration des ions hydrogénocarbonate $[HCO_3^-(aq)]$ en fonction du pH [25](#page=25). * Une famille de courbes isobares montre l'évolution de $[HCO_3^-(aq)]$ pour une $P_{CO_2}$ constante: $[HCO_3^-(aq)] = 0.03 \cdot P_{CO_2} \cdot 10^{pH - 6.1}$ [25](#page=25). * Une famille de droites d'équilibration du $CO_2$ montre la relation pour des variations de $P_{CO_2}$: $[HCO_3^-(aq)] = -\beta \cdot pH + b$. $\beta = \frac{\partial[HCO_3^-(aq)]}{\partial pH}$ représente le pouvoir tampon des systèmes fermés [25](#page=25). > **Tip:** Les diagrammes de Davenport sont des outils visuels puissants pour comprendre l'équilibre acido-basique dans l'organisme, reliant le pH, la concentration en bicarbonate et la pression partielle en dioxyde de carbone. **Définitions importantes dans le diagramme de Davenport :** * **Point normal (N):** Représente un état acido-basique normal avec $[HCO_3^-(aq)] = 24 \text{ mmol} \cdot L^{-1}$ et $pH = 7.40$ [26](#page=26). * **Isobare normale:** L'isobare passant par le point normal [26](#page=26). * **Droite normale d'équilibration (DNE):** La droite d'équilibration passant par le point normal [26](#page=26). #### 4.3.2 Les troubles acido-basiques Les troubles acido-basiques correspondent à une anomalie de la concentration en acides. On distingue deux types principaux : * **Troubles d'origine respiratoire:** Anomalie de la concentration en acides volatils, affectant directement la pression partielle en $CO_2$ ($P_{CO_2}$) [26](#page=26). * **Alcalose respiratoire:** Si $pH \gt 7.4$, accompagnée d'une $P_{CO_2} \lt 36 \text{ mmHg}$ (défaut d'acides volatils) [26](#page=26). * **Acidose respiratoire:** Si $pH \lt 7.4$, accompagnée d'une $P_{CO_2} \gt 42 \text{ mmHg}$ (excès d'acides volatils) [26](#page=26). [Figure 2.6 montrant les zones d'acidose et d'alcalose respiratoires sur un diagramme de Davenport [26](#page=26). * **Troubles d'origine métabolique:** Anomalie de la concentration en acides fixes, entraînant une variation de la concentration en $HCO_3^-$ [26](#page=26). * **Alcalose métabolique:** Pour une $P_{CO_2}$ constante, si $[HCO_3^-(aq)] \gt 24 \text{ mmol} \cdot L^{-1}$ (défaut d'acides fixes) [27](#page=27). * **Acidose métabolique:** Pour une $P_{CO_2}$ constante, si $[HCO_3^-(aq)] \lt 24 \text{ mmol} \cdot L^{-1}$ (excès d'acides fixes) [27](#page=27). [Figure 2.7 montrant les zones d'acidose et d'alcalose métaboliques sur un diagramme de Davenport [27](#page=27). L'ensemble de ces troubles, y compris les états mixtes, est représenté sur la figure 2.8 [28](#page=28). [Figure 2.8 montrant la classification complète des troubles acido-basiques sur un diagramme de Davenport [28](#page=28). --- # Mécanique des fluides : statique et dynamique Ce chapitre explore les propriétés fondamentales des fluides, la statique des fluides incompressibles (hydrostatique) avec les concepts de pression et le théorème d'Archimède, ainsi que la dynamique des fluides idéaux et réels, incluant l'équation de continuité, l'équation de Bernoulli, la viscosité, les écoulements laminaires et turbulents, et la loi de Poiseuille. ### 5.1 Généralités sur les fluides Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable, composé de molécules mobiles qui n'ont pas de forme propre et prennent celle du récipient qui les contient. Cela inclut les liquides et les gaz. La mécanique des fluides, une branche de la mécanique des milieux continus, étudie les gaz et les liquides à l'équilibre et en mouvement. Elle se divise en deux parties: la statique des fluides (fluides au repos, incluant l'hydrostatique et l'aérostatique) et la dynamique des fluides (fluides en mouvement, incluant l'hydrodynamique et l'aérodynamique). Ses applications sont vastes, couvrant l'ingénierie navale, l'aéronautique, l'hémodynamique, la météorologie, la climatologie et l'océanographie [30](#page=30). #### 5.1.1 Propriétés d'un fluide Les fluides possèdent plusieurs propriétés pour décrire leur état physique : * **Masse volumique ($\rho$)**: Définie par la masse ($m$) par unité de volume ($V$) [30](#page=30). $$ \rho = \frac{m}{V} $$ * **Densité**: Pour les liquides, la référence est l'eau, dont la masse volumique est de 1000 kg·m⁻³ ou 1 g·cm⁻³ [30](#page=30). * **Viscosité ($\eta$)**: Caractérise les frottements internes du fluide et sa résistance à l'écoulement. Un fluide de grande viscosité s'écoule difficilement, tandis qu'un fluide de faible viscosité s'écoule facilement [30](#page=30) [31](#page=31). * Un fluide avec $\eta \approx 0$ est dit parfait ou idéal (sans frottement) [31](#page=31). * Un fluide avec $\eta \neq 0$ est dit réel (avec frottement) [31](#page=31). * **Poids volumique ($\gamma$)**: Poids ($P$) par unité de volume [30](#page=30). $$ \gamma = \frac{P}{V} $$ où $P = mg$. * **Compressibilité ($\chi$)**: Quantifie la variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquée. Les gaz sont considérés comme compressibles ($\chi$ élevé), tandis que les liquides sont considérés comme incompressibles ($\chi$ faible) [31](#page=31). ### 5.2 Statique des fluides idéals incompressibles (Hydrostatique) L'hydrostatique étudie l'équilibre des fluides au repos et leur interaction avec les surfaces solides. Les forces de frottement, liées à la viscosité, sont négligées car il n'y a pas d'écoulement, ce qui rend l'étude valable aussi pour les fluides réels [31](#page=31). #### 5.2.1 Pression d'un fluide La pression ($p$) est une grandeur physique traduisant les échanges de quantité de mouvement et définie comme l'intensité de la force ($F$) qu'exerce un fluide par unité de surface ($S$). Elle peut aussi être vue comme l'énergie ($E$) contenue dans une unité de volume ($V$) [31](#page=31). $$ p = \frac{F}{S} $$ La force $F$ est perpendiculaire à la surface $S$ [32](#page=32). * **Unité de pression** : Le Pascal (Pa) est l'unité SI. D'autres unités équivalentes existent : * 1 Pa = 1 N/m² = 1 J/m³ [32](#page=32). * 1 bar = 10⁵ Pa [32](#page=32). * 1 atm = 1.013 bar = 101325 Pa [32](#page=32). * 1 atm = 760 mm Hg [32](#page=32). * 1 mm Hg = 133 Pa [32](#page=32). * **Types de pressions** : Les mesures de pression peuvent être relatives à différents points de référence. * **Pression absolue ($p_{abs}$)**: Mesurée par rapport au vide absolu (pression nulle). Elle est toujours positive [32](#page=32). * **Pression différentielle ($p_{dif}$ ou $\Delta p$)**: Mesurée entre deux points ($p_2 - p_1$) ou par rapport à une pression de référence ($p_{abs} - p_{ref}$) [32](#page=32). * **Pression atmosphérique ambiante ($p_{amb}$ ou $p_{atm}$)**: Mesurée avec un baromètre par rapport au vide absolu [32](#page=32). * **Pression effective ($p_{eff}$) ou pression relative ($p_{rel}$)**: Mesurée par rapport à la pression ambiante ($p_{eff} = p_{abs} - p_{atm}$). Elle peut être positive ou négative ("pression vacuum") [32](#page=32). * **Pression à l'air libre**: Dans les problèmes, un réservoir ou un point à l'air libre a une pression égale à la pression atmosphérique du problème [32](#page=32). * **Mesure des pressions**: Le baromètre mesure la pression atmosphérique, le manomètre mesure les pressions relatives positives (système Bourdon, électroniques), et le vacuomètre mesure les pressions négatives (dépression) [32](#page=32). #### 5.2.2 Théorème de Pascal : Transmission des pressions Un liquide statique et incompressible transmet intégralement et dans toutes les directions toute variation de pression subie [33](#page=33). > **Exemple** : Presse hydraulique > Une force $F_1$ appliquée sur un piston de surface $S_1$ crée une pression $p_1 = F_1/S_1$. Selon le principe de Pascal, cette pression est transmise intégralement au piston de surface $S_2$, exerçant une force $F_2 = p_1 S_2 = (F_1/S_1) S_2$. Si $S_2 > S_1$, une petite force $F_1$ peut soulever une charge importante $F_2$ [33](#page=33). > $$ p_1 = \frac{F_1}{S_1} $$ > $$ p_2 = p_1 $$ > $$ F_2 = p_2 S_2 = \frac{F_1}{S_1} S_2 $$ #### 5.2.3 Loi fondamentale de l'hydrostatique Pour un fluide au repos, soumis au champ de pesanteur, la variation de pression $\Delta P$ entre deux points situés à des altitudes différentes $h$ (avec $h = z_2 - z_1$) est donnée par : $$ \Delta P = P_2 - P_1 = -\rho g h $$ où $\rho$ est la masse volumique du fluide et $g$ est l'accélération due à la gravité. La pression augmente linéairement en fonction de la profondeur [34](#page=34) [35](#page=35). * **Différence de pression dans un fluide** : La relation fondamentale de l'hydrostatique permet de calculer la différence de pression entre deux points A et B : $$ p_B - p_A = -\rho g (z_B - z_A) $$ Si on définit $h = z_B - z_A$ comme la différence d'altitude : $$ p_B - p_A = -\rho g h $$ Une convention courante utilise $h$ comme la profondeur négative, donc $h = -(z_B - z_A)$ si $z_B$ est plus haut que $z_A$, menant à $p_B - p_A = \rho g h$ pour la différence de pression positive dans la direction descendante [35](#page=35). * **Conséquences** : * Dans un fluide statique incompressible, la pression est identique en tout point d'un même plan horizontal (les plans horizontaux sont des isobares) [35](#page=35). * La différence de pression entre deux points est proportionnelle à leur différence d'altitude [35](#page=35). #### 5.2.4 Théorème d'Archimède Tout corps plongé dans un fluide statique subit une force verticale dirigée vers le haut, appelée poussée d'Archimède ($\Pi$). Cette poussée est égale au poids du volume de fluide déplacé, qui est égal au volume immergé du corps [35](#page=35). $$ \Pi = \rho_{\text{fluide}} \cdot V_{\text{liquide déplacé}} \cdot g = \rho_{\text{fluide}} \cdot V_{\text{immergé}} \cdot g $$ Le vecteur poussée d'Archimède est dirigé vers le haut [36](#page=36). > **Exemple**: Un ballon plongé dans l'eau ressent une force qui tend à le faire remonter, c'est la poussée d'Archimède [35](#page=35). > Le volume de fluide déplacé est égal au volume immergé du corps ($V_{\text{liquide déplacé}} = V_{\text{immergé}}$). Le poids du fluide déplacé est donc [36](#page=36): > $$ P_{\text{fluide déplacé}} = m_{\text{liquide déplacé}} \cdot g = \rho_{\text{fluide}} \cdot V_{\text{liquide déplacé}} \cdot g $$ > La poussée d'Archimède est l'opposé du poids du fluide déplacé : > $$ \Pi = - P_{\text{fluide déplacé}} = -\rho_{\text{fluide}} \cdot V_{\text{immergé}} \cdot g $$ > Le signe moins indique la direction opposée au vecteur gravité, donc vers le haut [36](#page=36). * **Flottabilité** : La flottabilité d'un objet dépend de la comparaison entre son poids ($P_{\text{objet}}$) et la poussée d'Archimède ($\Pi$). * Si $\rho_{\text{objet}} > \rho_{\text{fluide}}$, alors $P_{\text{objet}} > \Pi$, et l'objet coule [36](#page=36). * Si $\rho_{\text{objet}} < \rho_{\text{fluide}}$, alors $P_{\text{objet}} < \Pi$, et l'objet flotte [36](#page=36). > **Exemple 1**: Calcul de la pression $P_3$ d'un gaz dans un tube en U contenant du mercure ($\rho_{Hg}$ = 13600 kg/m³) et de l'essence ($\rho_{\text{essence}}$ = 700 kg/m³), avec $P_{atm}$ = 10⁵ Pa [37](#page=37). > **Exemple 2**: Une sphère de rayon R flotte à moitié dans l'eau de mer ($\rho_{mer}$ = 1025 kg/m³). Calculer son poids et la fraction de volume immergé dans l'huile ($\rho_{huile}$ = 800 kg/m³) [37](#page=37). En résumé, la statique des fluides repose sur trois principes: la pression varie linéairement avec la profondeur, toute variation de pression est transmise intégralement (Pascal), et un corps plongé subit une poussée verticale vers le haut égale au poids du fluide déplacé (Archimède) [37](#page=37). ### 5.3 Dynamique des fluides idéals incompressibles (Hydrodynamique) Cette section étudie les fluides en mouvement, en considérant des fluides idéaux qui s'écoulent sans interaction (toutes les molécules ont la même vitesse) [38](#page=38). #### 5.3.1 Définitions * **Écoulement permanent (stationnaire)**: Les grandeurs (pression, température, vitesse) caractérisant l'écoulement restent constantes en tout point au cours du temps [38](#page=38). * **Écoulement laminaire**: Écoulement rectiligne, avec des filets parallèles sans mélange [38](#page=38). * **Ligne de courant**: Courbe suivant laquelle se déplace un élément de fluide en régime stationnaire [38](#page=38). * **Tube de courant**: Ensemble de lignes de courant s'appuyant sur une courbe fermée [38](#page=38). * **Filet de courant**: Tube de courant s'appuyant sur un petit élément de surface $\Delta S$ [38](#page=38). * **Débit (Q)**: Quantité de fluide traversant une section $S$ par unité de temps [38](#page=38). * **Débit massique** ($\frac{dm}{dt}$): [38](#page=38). * **Débit volumique** ($Q_V$) : $$ Q_V = \frac{dV}{dt} $$ Il peut aussi être exprimé en fonction de la section $S$ et de la vitesse $v$ : $$ Q_V = S \cdot v $$ (Attention à ne pas confondre $V$ le volume et $v$ la vitesse) [39](#page=39). * La relation entre débit massique et volumique est : $$ \frac{dm}{dt} = \rho \cdot Q_V $$ #### 5.3.2 Équation de continuité (Conservation de la masse) Pour un fluide incompressible ($\rho$ constante) en régime stationnaire, le débit volumique est constant le long d'un tube de courant : $$ Q_{V1} = Q_{V2} $$ $$ S_1 v_1 = S_2 v_2 $$ Cela implique que lorsque la section $S$ augmente, la vitesse $v$ diminue, et vice-versa [39](#page=39). #### 5.3.3 Équation de Bernoulli (Conservation d'énergie) Pour un fluide parfait et incompressible en écoulement permanent, l'équation de Bernoulli exprime la conservation de l'énergie mécanique totale ($E_T$), également appelée "charge", le long d'une ligne de courant. Cette charge est la somme de l'énergie cinétique ($E_C$), de l'énergie potentielle de pesanteur ($E_{pz}$) et de l'énergie potentielle de pression ($E_{pp}$) [39](#page=39). $$ E_C + E_{pz} + E_{pp} = E_T $$ L'équation de Bernoulli en termes de pression est : $$ P + \frac{1}{2} \rho v^2 + \rho g z = \text{constante} $$ où : * $P$ est la pression statique. * $\frac{1}{2} \rho v^2$ est la pression cinétique (ou dynamique). * $\rho g z$ est la pression hydrostatique (liée à l'altitude $z$). Entre deux instants ou points 1 et 2 sur une ligne de courant : $$ P_1 + \frac{1}{2} \rho v_1^2 + \rho g z_1 = P_2 + \frac{1}{2} \rho v_2^2 + \rho g z_2 $$ [39](#page=39) [40](#page=40). * **Conclusions de l'équation de Bernoulli** : * Une augmentation de la vitesse en un point s'accompagne d'une diminution de la pression en ce point [40](#page=40). * Si $v = 0$ (fluide au repos), on retrouve la relation fondamentale de l'hydrostatique: $P + \rho g z = \text{constante}$ [40](#page=40). * Pour un écoulement horizontal ($z_1 = z_2$), l'équation devient: $P_1 + \frac{1}{2} \rho v_1^2 = P_2 + \frac{1}{2} \rho v_2^2$ [40](#page=40). > **Types de pression mesurées par rapport à l'écoulement** : > * Pression latérale: $P$ [40](#page=40). > * Pression terminale (stagnation): $P + \frac{1}{2} \rho v^2$ [40](#page=40). > * Pression d'aval: $P - \frac{1}{2} \rho v^2$ [40](#page=40). **Conditions d'application de l'équation de Bernoulli** : * Fluide incompressible ($\rho$ constante) [40](#page=40). * Fluide parfait (non visqueux, sans frottement) [40](#page=40). * Écoulement laminaire (sans turbulence) [40](#page=40). * Écoulement permanent (vitesse constante en chaque point) [40](#page=40). > **Application**: La pression dans un fluide en mouvement ne dépend pas seulement de l'altitude mais aussi de la vitesse d'écoulement [40](#page=40). #### 5.3.4 Applications de l'équation de Bernoulli * **Formule de Torricelli** : Pour un récipient ouvert avec un orifice de sortie, où la section de sortie $S_B$ est beaucoup plus petite que la section d'entrée $S_A$ ($S_A >> S_B$), on peut considérer $v_A \approx 0$. Les pressions en A et B sont égales à la pression atmosphérique $p_0$. L'application de Bernoulli conduit à la vitesse de sortie $v_B$ : $$ v_B = \sqrt{2 g h} $$ où $h$ est la hauteur du liquide au-dessus de l'orifice. Plus la hauteur est grande, plus la vitesse de sortie est élevée [41](#page=41). * **Effet Venturi** : Dans une canalisation, lorsque la section diminue (étranglement), la vitesse du fluide augmente et sa pression diminue. * L'équation de continuité $S_A v_A = S_B v_B$ avec $S_A > S_B$ implique $v_A < v_B$ [41](#page=41). * L'équation de Bernoulli appliquée à une canalisation horizontale ($z_A = z_B$) donne $P_A + \frac{1}{2} \rho v_A^2 = P_B + \frac{1}{2} \rho v_B^2$. Comme $v_A < v_B$, on a $P_A > P_B$ [41](#page=41). * La diminution de pression accompagnant l'augmentation de vitesse est l'effet Venturi [41](#page=41). > **Application**: Une sténose (rétrécissement) dans un vaisseau sanguin entraîne une augmentation de la vitesse du sang et une diminution de la pression dans cette zone [42](#page=42). ### 5.4 Dynamique des fluides réels Dans les fluides réels, la viscosité joue un rôle important. #### 5.4.1 Viscosité Pour un fluide réel, un écoulement laminaire se fait sous forme de lames parallèles glissant les unes sur les autres avec frottement. La force de viscosité ($f$) est proportionnelle à l'aire de contact ($S$) et au gradient de vitesse ($\partial v / \partial y$) selon la loi de Newton [43](#page=43): $$ \frac{f}{S} = \eta \frac{\partial v}{\partial y} $$ où $\eta$ est le coefficient de viscosité du fluide en Pa·s. L'unité de viscosité est le Poiseuille (Pl): 1 Pl = 1 Pa·s [44](#page=44). #### 5.4.2 Écoulements laminaires et turbulents La viscosité d'un fluide entraîne une perte de charge (diminution de pression) entre les extrémités d'un tube horizontal. La pression diminue proportionnellement à la distance parcourue par le fluide [44](#page=44). Un fluide peut présenter deux régimes d'écoulement : laminaire ou turbulent. La transition dépend du nombre de Reynolds ($Re$), un nombre sans dimension : $$ Re = \frac{\rho v D}{\eta} $$ où : * $\rho$ est la masse volumique du fluide (kg·m⁻³) [44](#page=44). * $v$ est la vitesse d'écoulement (m·s⁻¹) [44](#page=44). * $D$ est le diamètre du tube (m) [44](#page=44). * $\eta$ est la viscosité dynamique du fluide (kg·m⁻¹·s⁻¹) [44](#page=44). La transition du régime laminaire au régime turbulent s'observe typiquement pour $Re_c \approx 2000$ [45](#page=45). #### 5.4.3 Écoulements laminaires : Loi de Poiseuille Un écoulement est laminaire si les couches de fluide glissent les unes sur les autres sans se mélanger. Pour un écoulement laminaire d'un fluide dans une conduite cylindrique horizontale de longueur $L$ et de rayon $R$, la vitesse $v(r)$ à une distance $r$ de l'axe est [45](#page=45): $$ v(r) = \frac{\Delta P}{4 \eta L} (R^2 - r^2) $$ C'est un profil de vitesse parabolique. La vitesse est nulle à la paroi (adhérence) et maximale sur l'axe. La vitesse moyenne $\bar{v}$ est [45](#page=45): $$ \bar{v} = \frac{v_{\text{max}}}{2} $$ Le débit volumique ($Q_V$) est donné par la formule de Poiseuille : $$ Q_V = \bar{v} S = \frac{\pi \Delta P R^4}{8 \eta L} $$ où $\Delta P = P_1 - P_2$ est la différence de pression entre les extrémités du tube. Pour un tube horizontal, $\Delta P / L$ représente la perte de charge par unité de longueur [45](#page=45). #### 5.4.4 Résistance à l'écoulement La résistance à l'écoulement ($R$) est définie comme : $$ R = \frac{\Delta P}{Q_V} = \frac{8 \eta L}{\pi R^4} = \frac{128 \eta L}{\pi D^4} $$ où $D$ est le diamètre du tube [46](#page=46). * **Conduits en série** : Les résistances s'ajoutent : $R_T = \sum R_i$. * **Conduits en parallèle** : L'inverse de la résistance totale est la somme des inverses des résistances : $\frac{1}{R_T} = \sum \frac{1}{R_i}$. > **Application**: Modèle de la circulation pulmonaire. Les réseaux artériel et veineux, ainsi que le lit capillaire pulmonaire, peuvent être modélisés en utilisant les principes de résistance à l'écoulement et de dynamique des fluides réels [46](#page=46). --- # Hémodynamique et applications L'hémodynamique est l'étude des propriétés physiques de la circulation sanguine en mouvement dans le système cardiovasculaire, appliquant les principes de la mécanique des fluides [47](#page=47). ### 6.1 Principes fondamentaux de l'hémodynamique L'hémodynamique est régie par les lois de la mécanique des fluides, bien que le sang, en tant que fluide diphasique non newtonien, présente des caractéristiques complexes par rapport aux fluides purs. La viscosité sanguine est influencée par la présence de cellules, notamment les globules rouges, ce qui affecte le rapport pression/débit et la résistance vasculaire selon la loi de Poiseuille. Le sang peut circuler en régime laminaire (physiologique) ou turbulent [47](#page=47). ### 6.2 Le système cardiovasculaire Le système cardiovasculaire est un réseau de tuyaux de géométrie variable. Le sang quitte le cœur via les artères, qui se ramifient en artérioles, puis en capillaires. Le sang appauvri retourne ensuite au cœur par les veinules et les veines. La microcirculation, incluant les jonctions artériole-capillaire-veinule, constitue une partie essentielle du système vasculaire [47](#page=47). ### 6.3 La pression artérielle La pression artérielle, également appelée pression artérielle systémique ou tension artérielle, est la pression exercée par le sang sur la paroi des artères dans la circulation systémique. Elle est mesurée à l'aide d'un tensiomètre, généralement en plaçant un capteur sur une grosse artère et en utilisant un brassard gonflable autour du bras. L'unité internationale de pression est le pascal (Pa), mais la pression artérielle est souvent exprimée en centimètres de mercure (cm Hg) ou en millimètres de mercure (mm Hg) [48](#page=48). La pression artérielle est caractérisée par deux valeurs principales : * La pression systolique (PAS): la pression maximale lors de la contraction du cœur (systole). Une valeur typique est 135 mm Hg (18 kPa) [48](#page=48). * La pression diastolique (PAD): la pression minimale lors du relâchement du cœur (diastole). Une valeur typique est 80 mm Hg (11 kPa) [48](#page=48). La pression artérielle moyenne (PAM) est calculée par la formule : $$ \text{PAM} = \frac{\text{PAS} + 2\text{PAD}}{3} $$ Une valeur typique de la PAM est 96 mm Hg (13 kPa) [48](#page=48). > **Tip:** Une notation comme "14/8" pour la pression artérielle signifie une pression systolique de 14 cm Hg et une pression diastolique de 8 cm Hg [48](#page=48). #### 6.3.1 Mesure de la pression en fonction de la position La mesure de la pression artérielle est généralement rapportée à la pression au niveau du cœur, notée P. La relation fondamentale de l'hydrostatique s'applique pour corriger la pression mesurée à une distance $\Delta z$ du cœur [48](#page=48) [49](#page=49): $$ \text{PA}(x) = \text{PA} - \rho g \Delta z $$ . où $\rho$ est la densité du sang et $g$ est l'accélération gravitationnelle [48](#page=48) [49](#page=49). * Pour une personne allongée, la pression est la même en tout point, donc $\text{PA}(x) = \text{PA} $ [48](#page=48) [49](#page=49). * Pour une personne debout, si la mesure est effectuée en dessous du cœur ($\Delta z < 0$), la pression augmente; inversement, si elle est mesurée au-dessus du cœur ($\Delta z > 0$), la pression diminue [48](#page=48) [49](#page=49). ### 6.4 La perfusion La perfusion, définie comme l'introduction lente d'un liquide dans une artère, nécessite que la pression du liquide perfusé soit supérieure à la pression sanguine. Pour ce faire, le récipient contenant la solution doit être placé à une hauteur suffisante ($h$) au-dessus du patient, selon le principe [48](#page=48) [49](#page=49): $$ \rho gh > p_A $$ où $p_A$ est la pression artérielle [48](#page=48) [49](#page=49). ### 6.5 Le débit cardiaque Le débit cardiaque représente le volume de sang éjecté par le cœur en une minute. Il est déterminé par le volume d'éjection systolique (le volume de sang éjecté à chaque contraction) et la fréquence cardiaque. Le débit cardiaque peut être calculé à l'aide de l'échocardiographie-Doppler, qui utilise l'effet Doppler des ondes ultrasonores pour mesurer la vitesse d'écoulement des hématies dans le cœur [48](#page=48) [49](#page=49). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |---|---| | Solution | Mélange homogène obtenu par dissolution d'une ou plusieurs espèces chimiques (solutés) dans un solvant, généralement l'eau. | | Soluté | Espèce chimique, solide, liquide ou gazeuse, moléculaire ou ionique, qui est dissoute dans un solvant pour former une solution. | | Solvant | Composant principal d'une solution dans lequel le soluté est dissous. L'eau est le solvant biologique le plus courant. | | Molécule d'eau | Molécule de formule H₂O, de structure coudée avec un angle de liaison HOH de 104,5°, polaire et capable de former des liaisons hydrogène. | | Liaison hydrogène | Liaison intermoléculaire attractive, plus forte que la force de Van der Waals, formée entre un atome d'hydrogène lié à un atome électronégatif (comme l'oxygène) et un autre atome électronégatif. | | Pression partielle | Pression exercée par un gaz dans un mélange gazeux, comme si ce gaz était seul dans le volume total. Elle est déterminée par la loi de Henry pour les gaz dissous dans un liquide. | | Électrolyte | Substance qui, dissoute dans un solvant polaire ou fondue, produit une solution conductrice d'électricité grâce à la présence d'ions. | | Électrolyte fort | Électrolyte qui se dissocie totalement dans l'eau en ions, rendant la solution fortement conductrice. Exemples : NaCl, NaOH, HCl. | | Électrolyte faible | Électrolyte qui ne se dissocie que partiellement dans l'eau, formant un équilibre entre molécules non dissociées et ions. Exemples : acide acétique (CH₃COOH), ammoniac (NH₃). | | Taux de dissociation (α) | Rapport entre le nombre de molécules dissociées et le nombre total initial de molécules introduites dans le solvant. Il caractérise la force d'un électrolyte faible. | | Constante d'acidité (Ka) | Constante d'équilibre d'une réaction d'ionisation d'un acide dans l'eau. Elle mesure la force d'un acide faible. | | pKa | Logarithme négatif de la constante d'acidité (pKa = -log(Ka)). Plus le pKa est bas, plus l'acide est fort. | | Osmolarité (ω) | Concentration molaire particulaire, définie comme le nombre total de moles de particules (molécules et ions) dissoutes par litre de solution. Elle est importante pour les phénomènes osmotiques. | | Concentration équivalente (Ceq) | Concentration d'une espèce ionique exprimée en équivalents par litre. Elle est obtenue en multipliant la concentration molaire par la valeur absolue de la valence de l'ion (Ceq(i) = Ci * |zi|). | | Coefficient d'ionisation (i) | Rapport entre le nombre total de particules (molécules et ions) en solution et le nombre initial de molécules introduites. Il est égal à l'osmolarité divisée par la concentration molaire (i = ω/C). | | Loi de dilution d'Ostwald | Énonce qu'à dilution infinie (concentration tendant vers zéro), le taux de dissociation d'un électrolyte faible tend vers 1, le rapprochant d'un électrolyte fort. | | Acide de Brønsted | Espèce chimique capable de céder un ou plusieurs protons (H⁺). Un monoacide ne peut céder qu'un proton, un polyacide plusieurs. | | Base de Brønsted | Espèce chimique capable de capter un ou plusieurs protons (H⁺). Une monobase ne peut capter qu'un proton, une polybase plusieurs. | | Couple acide/base conjugué | Paire d'espèces chimiques qui diffèrent par un proton H⁺. Par exemple, AH est l'acide et A⁻ est sa base conjuguée. | | Ampholyte (ou espèce amphotère) | Espèce chimique qui peut agir à la fois comme acide et comme base de Brønsted. L'eau est un exemple typique. | | Autoprotolyse de l'eau | Réaction réversible par laquelle l'eau peut agir à la fois comme acide et comme base, produisant des ions hydronium (H₃O⁺) et hydroxyde (HO⁻). | | Produit ionique de l'eau (Ke) | Constante d'équilibre de l'autoprotolyse de l'eau (Ke = [H₃O⁺][HO⁻]). Sa valeur dépend de la température. À 25°C, Ke = 10⁻¹⁴. | | pKe | Logarithme négatif du produit ionique de l'eau (pKe = -log(Ke)). | | pH | Mesure de l'acidité ou de la basicité d'une solution aqueuse, définie comme le logarithme négatif de la concentration en ions hydronium ([H₃O⁺]). pH = -log([H₃O⁺]). | | Milieu acide | Solution dans laquelle la concentration en ions hydronium est supérieure à la concentration en ions hydroxyde ([H₃O⁺] > [HO⁻]), correspondant à un pH < 7 à 25°C. | | Milieu basique | Solution dans laquelle la concentration en ions hydronium est inférieure à la concentration en ions hydroxyde ([H₃O⁺] < [HO⁻]), correspondant à un pH > 7 à 25°C. | | Milieu neutre | Solution dans laquelle la concentration en ions hydronium est égale à la concentration en ions hydroxyde ([H₃O⁺] = [HO⁻]), correspondant à un pH = 7 à 25°C. | | Diagramme de prédominance | Représentation graphique montrant, en fonction du pH, le domaine où une espèce acide ou basique d'un couple est prédominante par rapport à son conjugué. | | Titrage (dosage) | Méthode analytique permettant de déterminer la concentration d'une espèce chimique par réaction quantitative avec une autre espèce dont la concentration est connue. | | Solution tampon | Solution qui résiste aux variations de pH lors de l'ajout d'un acide ou d'une base, grâce à la présence d'un couple acide/base faible et de ses espèces conjuguées. | | Fluide | Milieu matériel parfaitement déformable, constitué de molécules mobiles entre elles, n'ayant pas de forme propre et prenant celle du récipient. Comprend les liquides et les gaz. | | Statique des fluides | Partie de la mécanique des fluides qui étudie les fluides au repos (statique des liquides : hydrostatique; statique des gaz : aérostatique). | | Dynamique des fluides | Partie de la mécanique des fluides qui étudie les fluides en mouvement (dynamique des liquides : hydrodynamique; dynamique des gaz : aérodynamique). | | Masse volumique (ρ) | Masse d'une substance par unité de volume (ρ = m/V). | | Densité (d) | Rapport de la masse volumique d'une substance à celle d'un fluide de référence (généralement l'eau). | | Viscosité (η) | Propriété d'un fluide qui caractérise sa résistance à l'écoulement due aux frottements internes. Un fluide de faible viscosité s'écoule facilement. | | Fluide parfait (ou idéal) | Fluide hypothétique dont la viscosité est nulle (η = 0), s'écoulant sans frottement. | | Fluide réel | Fluide qui possède une viscosité non nulle (η ≠ 0) et s'écoule avec frottement. | | Compressibilité (χ) | Propriété d'un corps quantifiant sa variation relative de volume sous l'effet d'une pression appliquée. Les gaz sont compressibles, les liquides sont généralement considérés comme incompressibles. | | Pression | Intensité de la force par unité de surface (P = F/S), ou énergie par unité de volume. S'exprime en Pascals (Pa). | | Théorème de Pascal | Un liquide statique incompressible transmet intégralement et dans toutes les directions les variations de pression qu'on lui fait subir. | | Loi fondamentale de l'hydrostatique | Énonce que dans un fluide statique incompressible, la différence de pression entre deux points est proportionnelle à leur différence de profondeur (ΔP = -ρgh). | | Théorème d'Archimède | Tout corps plongé dans un fluide statique subit une force verticale dirigée vers le haut (poussée d'Archimède) égale au poids du volume de fluide déplacé. | | Écoulement permanent | Écoulement d'un fluide dont les propriétés (pression, vitesse, etc.) restent constantes au cours du temps en chaque point du fluide. | | Écoulement laminaire | Écoulement rectiligne où le fluide se déplace en couches parallèles sans mélange significatif. | | Écoulement turbulent | Écoulement chaotique avec des tourbillons et un mélange important entre les couches de fluide. | | Ligne de courant | Courbe suivie par un élément de fluide en écoulement permanent. | | Débit (Q) | Quantité de fluide qui traverse une section par unité de temps. Peut être massique ou volumique. | | Équation de continuité | Exprime la conservation de la masse pour un fluide en mouvement : le débit volumique est constant le long d'un tube de courant pour un fluide incompressible. S₁v₁ = S₂v₂. | | Équation de Bernoulli | Exprime la conservation de l'énergie mécanique pour un fluide parfait et incompressible en écoulement permanent. Elle relie la pression, la vitesse et l'altitude. P + ½ρv² + ρgh = Constante. | | Formule de Torricelli | Cas particulier de l'équation de Bernoulli décrivant la vitesse d'écoulement d'un liquide hors d'un récipient : v = √(2gh), où h est la hauteur du liquide. | | Effet Venturi | Phénomène où la vitesse d'un fluide augmente et sa pression diminue lorsqu'il traverse une section plus étroite d'une canalisation. | | Viscosité sanguine | Propriété complexe du sang due à sa nature diphasique (plasma et cellules), qui affecte sa résistance à l'écoulement. Le sang est un liquide non newtonien. | | Hémodynamique | Étude des propriétés physiques de la circulation sanguine en mouvement dans le système cardiovasculaire. | | Pression artérielle | Pression du sang dans les artères, résultant de la force exercée par le sang sur la paroi des artères. Elle est caractérisée par une pression systolique (maximale) et diastolique (minimale). | | Débit cardiaque | Volume de sang éjecté par le cœur par minute, dépendant du volume d'éjection systolique et de la fréquence cardiaque. | | Perfusion | Introduction lente d'un liquide dans une artère, nécessitant que la pression du liquide perfusé soit supérieure à la pression sanguine. | | Loi de Poiseuille | Décrit l'écoulement laminaire d'un fluide visqueux dans un tube cylindrique horizontal. Elle relie le débit volumique à la différence de pression, à la viscosité, à la longueur et au rayon du tube. | | Résistance à l'écoulement | Grandeur qui quantifie l'opposition à l'écoulement d'un fluide dans une conduite. Pour des conduits en série, les résistances s'ajoutent ; en parallèle, leurs inverses s'ajoutent. | | Nombre de Reynolds (Re) | Nombre sans dimension qui caractérise le régime d'écoulement d'un fluide. En dessous d'une valeur critique (Re_c ≈ 2000), l'écoulement est laminaire ; au-dessus, il est turbulent. | | Ion hydronium (H₃O⁺) | Ion formé lorsqu'une molécule d'eau accepte un proton (H⁺). | | Ion hydroxyde (HO⁻) | Ion formé lorsqu'une molécule d'eau perd un proton (H⁺). | | Concentration molaire | Quantité de matière d'une espèce chimique dissoute par litre de solution (C = n/V). | | Concentration massique | Masse d'une espèce chimique dissoute par litre de solution (c = m/V). | | Molalité | Concentration d'une espèce chimique dissoute exprimée en moles par kilogramme de solvant. | | Fraction molaire | Rapport de la quantité de matière d'une espèce chimique au nombre total de moles de toutes les espèces présentes dans la solution. | | Taux de dissociation | Synonyme de coefficient d'ionisation pour les électrolytes faibles. | | Acide fort | Acide qui se dissocie totalement dans l'eau. | | Acide faible | Acide qui ne se dissocie que partiellement dans l'eau. | | Base forte | Base qui se dissocie totalement dans l'eau. | | Base faible | Base qui ne se dissocie que partiellement dans l'eau. | | Diagramme de Davenport | Représentation graphique montrant la relation entre le pH, la concentration en bicarbonate et la pression partielle de CO₂ dans le sang, utilisée pour diagnostiquer les troubles acido-basiques. | | Alcalose | Augmentation du pH sanguin au-dessus de la normale (pH > 7,45). | | Acidose | Diminution du pH sanguin en dessous de la normale (pH < 7,35). | | Trouble respiratoire | Anomalie du pH sanguin causée par une variation de la pression partielle de CO₂ due à un problème respiratoire. | | Trouble métabolique | Anomalie du pH sanguin causée par une variation de la concentration en bicarbonate due à un problème métabolique. |

# Concepts fondamentaux des réactions acido-basiques Ce sujet explore les définitions essentielles, les relations mathématiques clés, et les outils graphiques pour comprendre le comportement des espèces acides et basiques dans des solutions aqueuses. ### 1.1 Calcul des constantes d'équilibre ($K^\circ(T)$) pour les réactions acido-basiques La réaction entre un acide $A_1H$ d'un couple $A_1H/A_1^-$ et une base $A_2^-$ d'un autre couple $A_2H/A_2^-$ peut être représentée comme suit : $A_1H + A_2^- \rightleftharpoons A_1^- + A_2H$ [6](#page=6). L'expression de la constante d'équilibre $K^\circ(T)$ à l'équilibre est donnée par : $K^\circ(T) = \frac{[A_1^-]_{éq}[A_2H]_{éq}}{[A_1H]_{éq}[A_2^-]_{éq}}$ [6](#page=6). Pour que la réaction évolue spontanément dans le sens direct dans les conditions standard ($Q_r = 1$), il faut que $Q_r < K^\circ(T)$, ce qui implique $1 < K^\circ(T)$. Cela est équivalent à avoir $pK_A(A_1H/A_1^-) < pK_A(A_2H/A_2^-)$ [7](#page=7). Si l'écart entre les $pK_A$ est supérieur à 3 ($\Delta pK_A > 3$), la réaction est considérée comme quasi-totale [8](#page=8). ### 1.2 Diagrammes de prédominance Les diagrammes de prédominance permettent de visualiser quelle espèce (l'acide $AH$ ou sa base conjuguée $A^-$) est majoritaire en fonction du pH de la solution [10](#page=10). La relation de Henderson-Hasselbalch lie le pH, le $pK_A$ et le rapport des concentrations de la base conjuguée et de l'acide : $pH = pK_A + \log\left(\frac{[A^-]_{éq}}{[AH]_{éq}}\right)$ [10](#page=10) [11](#page=11). Les conséquences de cette formule sont les suivantes : * Si $[AH]_{éq} > [A^-]_{éq}$, alors $\log\left(\frac{[A^-]_{éq}}{[AH]_{éq}}\right) < 0$, ce qui implique $pH < pK_A$ [11](#page=11). * Si $[AH]_{éq} < [A^-]_{éq}$, alors $\log\left(\frac{[A^-]_{éq}}{[AH]_{éq}}\right) > 0$, ce qui implique $pH > pK_A$ [11](#page=11). * Si $[AH]_{éq} = [A^-]_{éq}$, alors $\log\left(\frac{[A^-]_{éq}}{[AH]_{éq}}\right) = 0$, ce qui implique $pH = pK_A$ [11](#page=11). **Notion d'espèces majoritaires/minoritaires et prédominantes :** * Une espèce $AH$ est majoritaire si $[AH]_{éq} > 10 \times [A^-]_{éq}$, ce qui correspond à $pH < pK_A - 1$ [12](#page=12). * Une espèce $A^-$ est majoritaire si $[A^-]_{éq} > 10 \times [AH]_{éq}$, ce qui correspond à $pH > pK_A + 1$ [12](#page=12). Il est crucial de ne pas confondre l'espèce majoritaire (plus de 50% du total) et l'espèce prédominante (qui a la plus grande concentration). Pour les espèces majoritaires, l'une dépasse l'autre d'un facteur supérieur à 10 [12](#page=12). > **Tip:** Un diagramme de prédominance est centré sur le $pK_A$. L'acide $AH$ prédomine en milieu acide ($pH < pK_A$), et la base conjuguée $A^-$ prédomine en milieu basique ($pH > pK_A$). ### 1.3 Polyacides et polybases Un **polyacide** est une espèce capable de céder plusieurs protons $H^+$ (ex: $H_3PO_4$, un triacide) [14](#page=14). Une **polybase** est une espèce capable de capter plusieurs protons $H^+$ (ex: $CO_3^{2-}$, une dibase) [14](#page=14). Pour tracer le diagramme de prédominance d'un polyacide ou d'une polybase, il faut considérer tous les couples acide-base associés. Par exemple, pour l'acide phosphorique $H_3PO_4$, il y a trois couples avec des $pK_A$ de 2,1, 7,2 et 12,4 [14](#page=14). ### 1.4 Propriétés acido-basiques des acides α-aminés Les acides α-aminés possèdent généralement une fonction acide carboxylique ($-COOH$) et une fonction amine ($-NH_2$) [15](#page=15). * **Chaîne latérale R sans propriétés acido-basiques :** Dans ce cas, un acide aminé est une espèce diacide avec deux fonctions ionisables : * La fonction acide carboxylique ($pK_A \approx 2-3$) [15](#page=15). * La fonction ammonium ($pK_A \approx 9-10$) [15](#page=15). Une réaction acido-basique interne à la molécule conduit à la formation d'un **zwitterion**. Un zwitterion est une espèce globalement neutre, mais possédant des charges positives et négatives internes [15](#page=15) [16](#page=16). Le **pH isoélectrique ($pH_i$)** est le pH auquel la charge totale moyenne de l'acide aminé est nulle. Pour un acide aminé avec deux fonctions ionisables, il est calculé comme la moyenne des deux $pK_A$ [17](#page=17): $pH_i = \frac{pK_{A1} + pK_{A2}}{2}$ [17](#page=17). > **Example:** Pour la valine, avec $pK_{A1} = 2,3$ et $pK_{A2} = 9,6$, le $pH_i = \frac{2,3 + 9,6}{2} = 5,95$ [17](#page=17). * **Chaîne latérale R avec propriétés acido-basiques :** Dans ce cas, il y a une troisième fonction ionisable dans la chaîne latérale $R$, avec un $pK_{A,R}$ situé entre 4 et 12. L'ordre des espèces sur le diagramme de prédominance dépend de ce $pK_{A,R}$ [19](#page=19). Pour le calcul du pH isoélectrique dans ce cas, on prend la moyenne des deux $pK_A$ qui encadrent la forme zwitterionique sur le diagramme de prédominance : $pH_i = \frac{pK_A + pK_A}{2}$ (où les $pK_A$ sont ceux qui encadrent la forme zwitterionique) [21](#page=21). > **Example:** Pour la lysine, avec $pK_{A1} = 2,2$, $pK_{A2} = 9,2$ et $pK_{A,R} = 10,7$. Les $pK_A$ qui encadrent la forme zwitterionique sont 9,2 et 10,7. Ainsi, $pH_i = \frac{9,2 + 10,7}{2} = 9,95$ [19](#page=19). ### 1.5 Solutions tampons Une **solution tampon** est une solution qui résiste aux changements de pH lors de l'ajout d'une petite quantité d'acide fort ou de base forte [5](#page=5). La **capacité du tampon ($\beta$)** quantifie cette résistance. Elle est définie comme le nombre de moles de $H_3O^+$ ou de $HO^-$ à ajouter dans 1 litre de solution tampon pour faire varier le pH d'une unité. Plus la capacité du tampon est grande, plus il résiste aux changements de pH [25](#page=25). > **Tip:** La capacité d'un tampon est maximale lorsque le pH de la solution est égal au $pK_A$ du couple acide-base utilisé [25](#page=25). ### 1.6 Méthode de la réaction principale pour le calcul du pH final Pour déterminer le pH d'une solution, on identifie la **réaction principale**, qui est la réaction acido-basique la plus susceptible de se produire entre l'acide le plus fort et la base la plus forte présentes dans le mélange [26](#page=26). Les étapes pour appliquer cette méthode sont : 1. Faire le bilan des espèces présentes à l'état initial [26](#page=26). 2. Placer les couples acide-base sur l'échelle des $pK_A$ [26](#page=26). 3. Identifier la réaction principale et calculer sa constante d'équilibre $K^\circ(T)$ [26](#page=26). 4. Dresser un tableau d'avancement pour cette réaction et déterminer les concentrations à l'état final [26](#page=26). **Cas simplifiés :** * **Acide fort ($pK_A < 0$):** Totalement dissocié en $H_3O^+$ et sa base conjuguée (indifférente). Le pH est calculé par $pH = -\log(C)$, où $C$ est la concentration de l'acide fort [27](#page=27). * **Base forte ($pK_A > 14$):** Totalement dissociée en $HO^-$ et son acide conjugué (indifférent). Le pH est calculé en déterminant d'abord la concentration de $H_3O^+$: $pH = -\log([H_3O^+]_{éq})$ [28](#page=28). * **Mélange d'un acide faible $AH$ et de sa base conjuguée $A^-$:** Le pH à l'équilibre est donné par la formule de Henderson-Hasselbalch: $pH = pK_A + \log\left(\frac{[A^-]}{[AH]}\right)$ [29](#page=29). **Autres cas :** Dans les autres cas (ex: acide faible seul, base faible seule, ampholyte), il faut appliquer la méthode de la réaction principale [30](#page=30) [31](#page=31). > **Tip:** L'eau peut agir comme un acide (donne $HO^-$) ou comme une base (donne $H_3O^+$). Ses $pK_A$ sont 14 pour le couple $H_2O/HO^-$ et 0 pour le couple $H_3O^+/H_2O$. Un ampholyte est une espèce qui peut agir à la fois comme acide et comme base [27](#page=27) [28](#page=28) [31](#page=31). --- # Calcul du pH et K°(T) pour les réactions acido-basiques Ce sujet traite du calcul des constantes d'équilibre $K°(T)$ pour les réactions acido-basiques et de la détermination du pH résultant en utilisant la méthode de la réaction principale [26](#page=26) [6](#page=6). ### 2.1 Calcul des constantes d'équilibre $K°(T)$ pour les réactions acido-basiques Une réaction acido-basique implique un acide $A_1H$ d'un couple $A_1H/A_1^-$ réagissant avec une base $A_2^-$ d'un autre couple $A_2H/A_2^-$. L'équation générale de cette réaction à l'équilibre est [6](#page=6): $$ A_1H + A_2^- \rightleftharpoons A_1^- + A_2H $$ La constante d'équilibre $K°(T)$ pour cette réaction est donnée par le rapport des activités des produits sur celui des réactifs à l'équilibre. Dans les conditions standards, si le mélange est initial, le quotient réactionnel $Q_r$ est égal à 1 [6](#page=6) [7](#page=7). Pour qu'une réaction évolue spontanément dans le sens direct, il faut que $Q_r < K°(T)$, ce qui implique que $1 < K°(T)$. Ceci est équivalent à la condition [7](#page=7): $$ pK_A(A_1H/A_1^-) < pK_A(A_2H/A_2^-) $$ Autrement dit, l'acide le plus fort (celui avec le $pK_A$ le plus bas) doit réagir avec la base la plus forte (celle dont l'acide conjugué a le $pK_A$ le plus élevé) [26](#page=26) [7](#page=7). Si l'écart entre les $pK_A$ est supérieur à 3 (∆$pK_A$ > 3), la réaction est considérée comme quasi-totale. La règle du gamma est un outil visuel pour prédire le sens de la réaction en plaçant les couples sur une échelle de $pK_A$ et en identifiant la réaction principale entre l'acide le plus fort et la base la plus forte [26](#page=26) [8](#page=8). ### 2.2 Méthode de la réaction principale pour le calcul du pH La méthode de la réaction principale est utilisée pour déterminer le pH dans l'état final d'une réaction acido-basique. Cette méthode repose sur l'identification d'une seule réaction significative qui se produit dans le système: la réaction principale [26](#page=26). **Étapes de la méthode de la réaction principale :** 1. **Faire le bilan des espèces à l'état initial:** Identifier toutes les espèces chimiques présentes dans la solution avant toute réaction [26](#page=26). 2. **Mettre les couples sur l'échelle de $pK_A$:** Visualiser les couples acide/base conjugués sur une échelle de $pK_A$ pour identifier les acides et bases présents. L'eau ($H_2O/HO^-$) est aussi considérée, avec $pK_A \approx 14$ pour le couple $H_2O/HO^-$ et $pK_A \approx 0$ pour le couple $H_3O^+/H_2O$ [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28). 3. **Repérer la réaction principale et calculer $K°(T)$:** La réaction principale est celle entre l'acide le plus fort et la base la plus forte présents dans le mélange. Sa constante d'équilibre $K°(T)$ est calculée à partir des $pK_A$ des deux couples impliqués (par exemple, si $A_1H$ réagit avec $A_2^-$, $K°(T) = 10^{pK_A(A_2H/A_2^-) - pK_A(A_1H/A_1^-)}$) [26](#page=26) [7](#page=7). * Si $K°(T)_{RP} > 1$, la réaction évolue dans le sens direct (sens "gamma à l'endroit") [26](#page=26). * Si $K°(T)_{RP} < 1$, la réaction évolue dans le sens inverse (sens "gamma à l'envers") [26](#page=26). 4. **Dresser un tableau d'avancement et déterminer l'état final:** Une fois la réaction principale identifiée et son sens déterminé, un tableau d'avancement est dressé pour calculer les concentrations des espèces à l'équilibre. Ce tableau permet ensuite de calculer le pH de la solution [26](#page=26). #### 2.2.1 Cas simplifiés Il existe trois cas très simples où le calcul du pH est direct sans nécessiter un tableau d'avancement complet : * **Solution avec un acide fort de concentration C:** Un acide fort ($pK_A < 0$) est totalement dissocié en $H_3O^+$ et sa base conjuguée, qui est indifférente. Le pH est alors calculé directement par [27](#page=27): $$ pH = -\log(C) $$ où $C$ est la concentration initiale de l'acide fort [27](#page=27). * **Solution avec une base forte de concentration C:** Une base forte ($pK_A > 14$) est totalement dissociée en $HO^-$ et son acide conjugué, qui est indifférent. Le pH est calculé à partir de la concentration en $HO^-$ [28](#page=28): $$ pH = -\log[H_3O^+]_{éq} $$ où $[H_3O^+]_{éq}$ est la concentration des ions oxonium à l'équilibre. On peut la relier à la concentration de la base forte $C$ via la relation $K_e = [H_3O^+][HO^-] = 10^{-14}$ à 298 K. Donc, $[H_3O^+]_{éq} = K_e / C$, et $pH = -\log(K_e/C) = 14 + \log(C)$ [28](#page=28). * **Mélange acide faible / base faible conjuguée $AH/A^-$ (solution tampon) :** Pour une solution contenant un mélange d'un acide faible $AH$ et de sa base conjuguée $A^-$, le pH à l'équilibre est donné par la formule de Henderson-Hasselbalch : $$ pH = pK_A(AH/A^-) + \log\left(\frac{[A^-]}{[AH]}\right) $$ où $[A^-]$ et $[AH]$ sont les concentrations à l'équilibre des espèces [29](#page=29). #### 2.2.2 Autres cas Dans tous les autres cas, où la réaction n'est ni totalement directe, ni totalement inverse, il est nécessaire d'appliquer la méthode de la réaction principale en dressant un tableau d'avancement pour déterminer l'état final et calculer le pH [30](#page=30). > **Tip:** Lors du positionnement des couples sur l'échelle de $pK_A$, il est utile de noter que l'eau ($H_2O$) est à la fois un acide faible ($pK_A(H_3O^+/H_2O) \approx 0$) et une base faible ($pK_A(H_2O/HO^-) \approx 14$) [27](#page=27) [28](#page=28). > **Example:** Le couple $(H_2O, CO_2)/HCO_3^-$ a un $pK_A = 6.3$. Le couple $HCO_3^-/CO_3^{2-}$ a un $pK_A = 10.3$. Si l'on mélange $CO_2$ (qui forme $H_2CO_3$) et $CO_3^{2-}$, la réaction principale sera la réaction de $H_2CO_3$ avec $CO_3^{2-}$ car $H_2CO_3$ est l'acide le plus fort ($pK_A=6.3$) et $CO_3^{2-}$ est la base la plus forte dont l'acide conjugué ($HCO_3^-$) a un $pK_A=10.3$. La constante d'équilibre sera $K°(T) = 10^{10.3 - 6.3} = 10^4 > 1$, indiquant une réaction quasi-totale [8](#page=8). > **Example:** Dans le sang, le couple $(H_2O, CO_2)/HCO_3^-$ régule le pH. Avec un $pK_A = 6.3$ à 298 K, et un rapport $[HCO_3^-]_{éq}/[H_2O, CO_2]_{éq} = 13$, on peut déterminer le pH du sang en utilisant la formule de Henderson-Hasselbalch: $pH = 6.3 + \log \approx 7.4$ [13](#page=13). --- # Applications des réactions acido-basiques Ce sujet explore les applications pratiques des concepts acido-basiques, en se concentrant sur le rôle crucial des solutions tampons, la régulation du pH sanguin, et les propriétés acido-basiques spécifiques des acides aminés [5](#page=5). ### 3.1 Les solutions tampons Une solution tampon est une solution dont le pH varie peu lors de l'ajout de faibles quantités d'acides forts ou de bases fortes, ainsi que lors de dilutions modérées [22](#page=22). #### 3.1.1 Construction d'une solution tampon Il existe deux méthodes principales pour construire une solution tampon à partir d'un couple acide faible / base conjuguée (AH / A⁻) [22](#page=22): * **Méthode 1:** Mélanger des concentrations importantes et proches de l'acide faible AH et de sa base conjuguée A⁻ [22](#page=22). * **Méthode 2:** Ajouter une quantité suffisante de base forte à une solution concentrée d'acide faible AH pour transformer environ la moitié de AH en A⁻ [22](#page=22). #### 3.1.2 Caractéristiques d'une solution tampon Les caractéristiques principales d'une solution tampon sont sa concentration totale et son pH [23](#page=23). * **Concentration totale (C):** La somme des concentrations de l'acide faible et de sa base conjuguée présentes dans la solution [23](#page=23). $C = [AH]_{éq} + [A^{-}]_{éq}$ [23](#page=23). * **pH:** Le pH d'une solution tampon est régi par la relation de Henderson-Hasselbalch, où le pH est déterminé par le pKa du couple acide-base et le rapport des concentrations de la base conjuguée et de l'acide faible [23](#page=23) [5](#page=5). $pH = pK_A + \log \frac{[A^{-}]_{éq}}{[AH]_{éq}}$ [23](#page=23) [5](#page=5). > **Tip:** Pour un tampon optimal, le pH est égal au pKa du couple, lorsque les concentrations de l'acide faible et de sa base conjuguée sont égales [5](#page=5). #### 3.1.3 Capacité du tampon $(\beta)$ La capacité du tampon $\beta$ représente le nombre de moles d'ions hydronium ($H_3O^+$) ou d'ions hydroxyde ($HO^-$) qu'il faut ajouter à un litre de solution tampon pour faire varier son pH d'une unité. Une capacité de tampon plus élevée indique une plus grande résistance aux changements de pH [25](#page=25). > **Example:** Préparer 1 litre d'une solution tampon ammoniacale (couple $NH_4^+ / NH_3$, $pK_a = 9.2$) avec un pH cible de $9.0$ et une concentration totale $C_0 = 0.10 \text{ mol/L}$. On dispose d'une solution de $NH_3$ à $1.0 \text{ mol/L}$ et d'une solution de chlorure d'ammonium ($NH_4^+, Cl^-$) à $1.0 \text{ mol/L}$ [23](#page=23). ### 3.2 Régulation du pH sanguin Le couple $H_2O, CO_2 / HCO_3^-$ joue un rôle essentiel dans la régulation du pH du sang, agissant comme une solution tampon [13](#page=13). * Dans le sang, le $pK_A$ de ce couple est d'environ $6.3$ à $298 K$ [13](#page=13). * Le rapport des concentrations $[HCO_3^-]_{éq} / [H_2O, CO_2]_{éq}$ est d'environ $13$ [13](#page=13). > **Tip:** Comprendre le fonctionnement de ce système tampon permet d'expliquer des phénomènes comme l'alcalose et les méthodes pour la traiter [13](#page=13). ### 3.3 Les propriétés acido-basiques des acides aminés Les acides aminés sont des molécules organiques possédant à la fois une fonction acide carboxylique (souvent sous forme carboxylate) et une fonction amine (souvent sous forme ammonium). Ils peuvent exister sous forme de zwitterions [15](#page=15). #### 3.3.1 Zwitterion Un zwitterion est une espèce moléculaire globalement neutre, mais qui porte des charges positives et négatives localisées sur différents atomes de la même molécule [16](#page=16). > **Example:** Dans un acide aminé simple, la fonction acide carboxylique ($COOH$) peut se déprotoner en carboxylate ($COO^-$), et la fonction amine ($NH_2$) peut se protoner en ammonium ($NH_3^+$). La forme stable à l'état solide est donc un "carboxylate α-ammonium" [15](#page=15). #### 3.3.2 Les pKa des acides aminés Un acide aminé typique possède au moins deux pKa [15](#page=15): * Un pKa pour le couple acide carboxylique / carboxylate: $pK_A (-COOH / -COO^-) \approx 2-3$ [15](#page=15). * Un pKa pour le couple ammonium / amine: $pK_A (-NH_3^+ / -NH_2) \approx 9-10$ [15](#page=15). #### 3.3.3 Diagramme de prédominance des acides aminés Le diagramme de prédominance d'un acide aminé illustre les espèces prédominantes en fonction du pH. Pour un acide aminé sans propriétés acido-basiques dans sa chaîne latérale R, le diagramme fait apparaître la forme cationique ($AH_2^+$), la forme zwitterionique ($AH^{\pm}$), et la forme anionique ($A^-$) [16](#page=16). > **Tip:** Le tracé de ces diagrammes aide à visualiser les espèces présentes à différents pH et à comprendre le comportement acido-basique global de la molécule [16](#page=16). #### 3.3.4 Le pH isoélectrique ($pH_i$) Le pH isoélectrique ($pH_i$) est le pH pour lequel la charge totale moyenne d'un acide aminé est nulle [17](#page=17). * **Pour un acide aminé avec une chaîne latérale R sans propriétés acido-basiques:** Le $pH_i$ est la moyenne des deux pKa associés aux fonctions acide carboxylique et amine [17](#page=17). $pH_i = \frac{pK_{A1} + pK_{A2}}{2}$ [17](#page=17). > **Example:** Pour la valine, avec $pK_{A1} = 2.3$ et $pK_{A2} = 9.6$, le $pH_i = (2.3 + 9.6) / 2 = 5.95$ [17](#page=17). * **Pour un acide aminé avec une chaîne latérale R possédant des propriétés acido-basiques:** Le $pH_i$ est la moyenne des deux pKa qui encadrent la forme zwitterionique sur le diagramme de prédominance [21](#page=21). $pH_i = \frac{pK_A + pK'_A}{2}$ [21](#page=21). > **Example:** Pour la lysine, dont la chaîne latérale a un pKa, $pK_{A,R} = 10.7$, le $pH_i$ sera calculé en utilisant les pKa appropriés en fonction de l'ordre des espèces sur son diagramme de prédominance [19](#page=19) [21](#page=21). ### 3.4 Les polyacides et les polybases * Un **polyacide** est une espèce capable de céder plusieurs protons ($H^+$). Par exemple, l'acide phosphorique ($H_3PO_4$) est un triacide [14](#page=14). * Une **polybase** est une espèce capable de capter plusieurs protons ($H^+$). Par exemple, l'ion carbonate ($CO_3^{2-}$) est une dibase [14](#page=14). Pour les polyacides et polybases, le tracé du diagramme de prédominance doit prendre en compte tous les couples acide-base associés [14](#page=14). > **Example:** L'acide phosphorique ($H_3PO_4$) est un triacide avec trois couples associés et leurs pKa correspondants: $pK_{A1} = 2.1$, $pK_{A2} = 7.2$, et $pK_{A3} = 12.4$ [14](#page=14). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Zwitterion | Une espèce chimique globalement neutre qui possède une charge positive sur un atome et une charge négative sur un autre atome au sein de la même molécule. | | Polyacide | Une molécule ou un ion capable de céder plusieurs protons (H+) dans une réaction acido-basique. | | Polybase | Une molécule ou un ion capable de capter plusieurs protons (H+) dans une réaction acido-basique. | | Solution tampon | Une solution dont le pH varie peu lors de l'ajout de faibles quantités d'acides forts ou de bases fortes, ou lors de dilutions modérées. | | Capacité du tampon | Le nombre de moles d'ions H3O+ ou OH- à ajouter dans 1 litre de solution tampon pour faire varier le pH de une unité. Une capacité de tampon plus élevée indique une meilleure résistance aux changements de pH. | | Diagramme de prédominance | Un graphique représentant les espèces chimiques majeures d'un couple acido-basique en fonction du pH de la solution. Il permet de visualiser quelle espèce est la plus abondante à un pH donné. | | pH isoélectrique (pHi) | La valeur du pH pour laquelle la charge totale moyenne d'une espèce amphotère, comme un acide aminé, est nulle. | | Espèce majoritaire | À un pH donné, l'espèce chimique d'un couple acido-basique qui est présente en plus grande quantité par rapport à son partenaire de réaction. | | Espèce prédominante | L'espèce chimique d'un couple acido-basique qui est la plus abondante dans une solution à un pH donné. | | Réaction principale | Dans une solution contenant plusieurs réactions acido-basiques possibles, c'est la réaction entre l'acide le plus fort et la base la plus forte présentes, qui se déroule spontanément dans le sens direct. | | PKA | Le pKa d'un couple acide-base est la valeur du pH pour laquelle les concentrations de l'acide et de sa base conjuguée sont égales. Il mesure la force d'un acide : plus le pKa est bas, plus l'acide est fort. | | K°(T) | Constante d'équilibre d'une réaction acido-basique à une température donnée (T). Elle indique l'étendue de la réaction à l'équilibre. | | Ampholyte | Une espèce chimique qui peut agir à la fois comme un acide (cédant un proton) et comme une base (captant un proton). Les acides aminés sont souvent des ampholytes. | | Acide fort | Un acide qui se dissocie totalement dans l'eau, produisant une concentration d'ions hydronium ([H3O+]) égale à la concentration initiale de l'acide. Leur pKa est généralement inférieur à 0. | | Base forte | Une base qui se dissocie totalement dans l'eau, produisant une concentration d'ions hydroxyde ([OH-]) égale à la concentration initiale de la base. Leur pKa est généralement supérieur à 14. |

# Chemical reactions and stoichiometry This topic explores the fundamental principles of chemical reactions, including their identification, the process of balancing chemical equations, and the quantitative relationships governing reactants and products through stoichiometry. ### 1.1 Understanding chemical reactions A chemical reaction is defined as a process where at least one new substance is produced as a result of a chemical change [3](#page=3). #### 1.1.1 Indications of a chemical reaction Several observable signs can indicate that a chemical reaction has occurred: * Evolution of heat, light, and/or sound [3](#page=3). * Production of a gas or vapor [3](#page=3). * Formation of a precipitate (a solid formed from a solution) [3](#page=3). * Color change [3](#page=3). ### 1.2 Balancing chemical equations The principle of the conservation of matter dictates that a chemical equation must be balanced, meaning it must contain the same number of atoms of each element on both sides of the reaction [4](#page=4). #### 1.2.1 Key terms in chemical equations * **Reactants:** The substances that exist before a chemical change takes place [4](#page=4). * **Products:** The new substances formed during the chemical change [4](#page=4). * **Chemical Equation:** A representation that indicates the reactants and products of a reaction [4](#page=4). #### 1.2.2 Steps for balancing chemical equations 1. Write a word equation for the reaction. 2. Write the correct chemical formulas for all reactants and products. 3. Determine the appropriate coefficients to ensure the number of atoms of each element is equal on both sides of the equation [5](#page=5). #### 1.2.3 Subscripts vs. Coefficients * **Subscripts:** Indicate the number of atoms of each element within a molecule or compound. For example, in $H_2O$, the subscript '2' indicates two hydrogen atoms [6](#page=6). * **Coefficients:** Indicate the number of molecules or formula units of a compound involved in the reaction. For example, in $2H_2O$, the coefficient '2' indicates two molecules of water [6](#page=6). #### 1.2.4 Example of balancing an equation To balance the reaction between aluminum sulfate and calcium chloride to form calcium sulfate, follow these steps: 1. **Word equation:** aluminum sulfate + calcium chloride → calcium sulfate + aluminum chloride [7](#page=7). 2. **Chemical formulas:** $Al_2(SO_4)_3 + CaCl_2 \rightarrow CaSO_4 + AlCl_3$ [7](#page=7). 3. **Balancing coefficients:** $Al_2(SO_4)_3 + 3CaCl_2 \rightarrow 3CaSO_4 + 2AlCl_3$ [7](#page=7). ### 1.3 Types of chemical reactions Chemical reactions can be categorized into several types based on the rearrangement of atoms and molecules: * **Combination reactions:** Two or more substances combine to form a single product. The general form is $A + B \rightarrow AB$ [8](#page=8). * **Example:** Nitrogen gas reacts with hydrogen gas to form ammonia gas: $N_2(g) + 3H_2(g) \rightarrow 2NH_3(g)$ [8](#page=8). * **Decomposition reactions:** A single substance breaks down into two or more simpler substances. The general form is $AB \rightarrow A + B$ [8](#page=8). * **Example:** Calcium carbonate decomposes into calcium oxide and carbon dioxide gas: $CaCO_3(s) \rightarrow CaO(s) + CO_2(g)$ [8](#page=8). * **Combustion reactions:** Rapid reactions involving oxygen as a reactant, often producing a flame. Hydrocarbons typically react with oxygen in the air to produce carbon dioxide and water [9](#page=9). * **Example:** Propane reacts with oxygen to form carbon dioxide and water: $C_3H_8(g) + 5O_2(g) \rightarrow 3CO_2(g) + 4H_2O(g)$ [9](#page=9). * **Neutralization reactions:** An acid reacts with a base to form a salt and water through an exchange of ions [9](#page=9). * **Example:** Sodium hydroxide reacts with hydrochloric acid to form sodium chloride and water: $NaOH(aq) + HCl(aq) \rightarrow NaCl(aq) + H_2O(l)$ [9](#page=9). * **Displacement (Substitution or Single Replacement) reactions:** A more reactive element replaces a less reactive element in a compound. The general form is $A + BC \rightarrow AC + B$, where A is more reactive than B [10](#page=10). * **Example:** Zinc metal reacts with hydrochloric acid to form zinc chloride and hydrogen gas: $Zn(s) + 2HCl(aq) \rightarrow ZnCl_2(aq) + H_2(g)$ [10](#page=10). * **Double displacement reactions:** Ions are exchanged between two reactant compounds to form new compounds. The general form is $AB + CD \rightarrow AD + CB$ [10](#page=10). * **Example:** Barium chloride reacts with sodium sulfate to form barium sulfate (a precipitate) and sodium chloride: $BaCl_2(aq) + Na_2SO_4(aq) \rightarrow BaSO_4(s) + 2NaCl(aq)$ [10](#page=10). * **Oxidation and Reduction (Redox) reactions:** These reactions involve the transfer of electrons. * **Oxidation:** Characterized by the addition of oxygen or a non-metallic element, or the removal of hydrogen or a metallic element from a compound [11](#page=11). * **Reduction:** Characterized by the addition of hydrogen or a metallic element, or the removal of oxygen or a non-metallic element from a compound [11](#page=11). ### 1.4 Stoichiometry: Quantitative relationships in reactions Stoichiometry is the study of the quantitative relationships between reactants and products in chemical reactions [12](#page=12). #### 1.4.1 Mass calculations * **Formula Mass (FM):** The sum of the masses of the atoms in the empirical formula of a compound [12](#page=12). * **Example:** For hydrogen peroxide ($HO$), FM = mass of H (1.0 amu) + mass of O (16.0 amu) = 17.0 amu [12](#page=12). * **Molecular Mass (MM):** The sum of the masses of the atoms in the molecular formula of a compound [12](#page=12). * **Example:** For hydrogen peroxide ($H_2O_2$), MM = 2(mass of H) + 2(mass of O) = 2(1.0 amu) + 2(16.0 amu) = 34.0 amu [12](#page=12). #### 1.4.2 Atomic mass unit and the mole * **Atomic Mass Unit (amu):** $1 \text{ amu} = 1.6605 \times 10^{-24} \text{ g}$ [13](#page=13). * **Avogadro's Constant ($N_A$):** $6.022 \times 10^{23}$ amu = 1 g. This is the number of elementary entities (atoms, molecules, etc.) in one mole of a substance [13](#page=13). * **Mole:** The amount of any substance containing as many elementary entities as there are atoms in exactly 12 grams of carbon-12 [13](#page=13). #### 1.4.3 Molar Mass Molar mass is the mass of one mole of a substance, expressed in grams per mole (g/mol) [15](#page=15). #### 1.4.4 Conversions between grams and moles * **Grams to Moles:** Divide the mass in grams by the molar mass of the substance. * **Example:** To find the moles in 15.32 g of sodium chloride (NaCl, molar mass ≈ 23 + 35.45 = 58.45 g/mol): $15.32 \text{ g NaCl} / 58.45 \text{ g/mol} = 0.2621 \text{ mol}$ [14](#page=14). * **Moles to Grams:** Multiply the number of moles by the molar mass of the substance. * **Example:** To find the mass of 2.50 mol of ethanol ($C_2H_5OH$, molar mass ≈ 2(12.01) + 6(1.008) + 16.00 = 46.07 g/mol): $2.50 \text{ mol} \times 46.07 \text{ g/mol} = 115.2 \text{ g}$ [14](#page=14). #### 1.4.5 Percentage composition The percentage composition by mass of a compound shows the proportion of each element's mass within the compound. It can be calculated using the formula: $$ \% \text{ element} = \frac{(\text{number of atoms})(\text{atomic weight})}{\text{molecular mass of the compound}} \times 100\% $$ [15](#page=15). * **Example:** For ethane ($C_2H_6$, molecular mass = 2(12.0 amu) + 6(1.0 amu) = 30.0 amu): * $\% C = \frac{2(12.0 \text{ amu})}{30.0 \text{ amu}} \times 100\% = 80\%$ [16](#page=16). * $\% H = \frac{6(1.0 \text{ amu})}{30.0 \text{ amu}} \times 100\% = 20\%$ [16](#page=16). * **Example:** For ammonia ($NH_3$, molar mass = 14.0 + 3(1.0) = 17.0 g/mol): * Mass percent N = $\frac{14.0 \text{ g}}{17.0 \text{ g}} \times 100\% = 82.35\%$ [16](#page=16). * Mass percent H = $\frac{3.0 \text{ g}}{17.0 \text{ g}} \times 100\% = 17.65\%$ [16](#page=16). #### 1.4.6 Calculating empirical formulas from percent composition The empirical formula represents the simplest whole-number ratio of atoms in a compound. * **Steps:** 1. Assume a 100 g sample of the compound, so percentages directly convert to grams. 2. Convert the mass of each element to moles by dividing by its atomic mass. 3. Divide the mole values by the smallest number of moles calculated to obtain a ratio. 4. If the ratios are not whole numbers, multiply all ratios by a small integer (e.g., 2, 3, 4) to obtain whole numbers. * **Example:** Para-aminobenzoic acid is composed of C (61.31%), H (5.14%), N (10.21%), and O (23.33%) [17](#page=17). 1. **Convert mass to moles:** * C: $61.31 \text{ g} / 12.01 \text{ g/mol} = 5.105 \text{ mol C}$ [17](#page=17). * H: $5.14 \text{ g} / 1.01 \text{ g/mol} = 5.09 \text{ mol H}$ [17](#page=17). * N: $10.21 \text{ g} / 14.01 \text{ g/mol} = 0.7288 \text{ mol N}$ [17](#page=17). * O: $23.33 \text{ g} / 16.00 \text{ g/mol} = 1.456 \text{ mol O}$ [17](#page=17). 2. **Divide by the smallest number of moles (0.7288 mol N):** * C: $5.105 / 0.7288 \approx 7$ [18](#page=18). * H: $5.09 / 0.7288 \approx 7$ [18](#page=18). * N: $0.7288 / 0.7288 = 1$ [18](#page=18). * O: $1.458 / 0.7288 \approx 2$ [18](#page=18). 3. **Empirical Formula:** $C_7H_7NO_2$ [18](#page=18). #### 1.4.7 Empirical Formula by Synthesis This method determines the empirical formula of a compound formed by reacting elements. * **Example:** 2.435 g of antimony reacts with sulfur to form 3.397 g of an antimony-sulfur compound [19](#page=19). 1. **Calculate the mass of sulfur:** Mass sulfur = 3.397 g - 2.435 g = 0.962 g [19](#page=19). 2. **Convert masses to moles:** * Sb: $2.435 \text{ g} / 121.8 \text{ g/mol} = 0.02 \text{ mol Sb}$ [19](#page=19). * S: $0.962 \text{ g} / 32.06 \text{ g/mol} = 0.03 \text{ mol S}$ [19](#page=19). 3. **Divide by the smallest mole value (0.02 mol Sb):** * Sb: $0.02 / 0.02 = 1$ [19](#page=19). * S: $0.03 / 0.02 = 1.5$ [19](#page=19). 4. **Multiply to get whole numbers:** Multiply by 2 to clear the 1.5: * Sb: $1 \times 2 = 2$ [19](#page=19). * S: $1.5 \times 2 = 3$ [19](#page=19). 5. **Empirical Formula:** $Sb_2S_3$ [19](#page=19). #### 1.4.8 Stoichiometric calculations Stoichiometric calculations use balanced chemical equations to determine the amounts of reactants and products involved in a reaction. The general pathway is: Mass of substance A $\rightarrow$ Moles of substance A $\rightarrow$ Moles of substance B $\rightarrow$ Mass of substance B. * **Example:** 10 g of glucose ($C_6H_{12}O_6$) undergoes combustion. Calculate the grams of each product ($CO_2$ and $H_2O$) [20](#page=20). * Balanced equation: $C_6H_{12}O_6(s) + 6O_2(g) \rightarrow 6CO_2(g) + 6H_2O(l)$ [20](#page=20). * Molar masses: $C_6H_{12}O_6$ (180 g/mol), $CO_2$ (44 g/mol), $H_2O$ (18 g/mol) [20](#page=20). 1. **Convert grams of glucose to moles:** $10 \text{ g} / 180 \text{ g/mol} = 0.055 \text{ mol glucose}$ [20](#page=20). 2. **Use mole ratios from the balanced equation to find moles of products:** * Moles of $CO_2 = 0.055 \text{ mol glucose} \times \frac{6 \text{ mol } CO_2}{1 \text{ mol glucose}} = 0.33 \text{ mol } CO_2$ (Note: The calculation in the document shows $6 \times 0.055 = 0.33 \text{ mol } CO_2$, but the output shows 15g for CO2 which corresponds to $0.33 \times 44 \approx 14.5$g. The direct calculation $6 \times 0.055 = 0.33 \text{ mol }$ implies $0.33 \times 44 = 14.52$ g. However, the document's final numbers are 15g and 5.9g, which are derived from a slightly different intermediate calculation of moles or rounding. Let's follow the document's result pathway for consistency.) * Moles of $H_2O = 0.055 \text{ mol glucose} \times \frac{6 \text{ mol } H_2O}{1 \text{ mol glucose}} = 0.33 \text{ mol } H_2O$. (Revisiting document's math: $10 \text{ g} / 180 \text{ g/mol} \approx 0.05555... \text{ mol}$. Using this more precise value: $6 \times 0.05555... = 0.3333... \text{ mol } CO_2$. Then $0.3333... \text{ mol } \times 44 \text{ g/mol} = 14.66... \text{ g } CO_2$. The document states 15 g for $CO_2$. For $H_2O$, $0.3333... \text{ mol } \times 18 \text{ g/mol} = 6 \text{ g}$. The document states 5.9 g for $H_2O$. The document's provided numbers for grams (15g and 5.9g) seem to arise from a calculation where the moles of glucose might have been rounded differently, or there's a slight discrepancy in the document's numbers. Sticking to the document's final provided grams: 15 g $CO_2$ and 5.9 g $H_2O$.) [20](#page=20). * **Example:** Magnesium metal ignites in oxygen to form MgO. What mass of Mg reacts completely to give 1.000 g of MgO? [21](#page=21). * Balanced equation: $2Mg + O_2 \rightarrow 2MgO$ [21](#page=21). * Molar masses: Mg (24 g/mol), O (16 g/mol), MgO (24 + 16 = 40 g/mol) [21](#page=21). * From the balanced equation: 2 moles of Mg (2 $\times$ 24 g = 48 g) produce 2 moles of MgO (2 $\times$ 40 g = 80 g) [21](#page=21). * Using proportions: $$ \frac{X \text{ g Mg}}{1.000 \text{ g MgO}} = \frac{48 \text{ g Mg}}{80 \text{ g MgO}} $$ $$ X = 1.000 \text{ g} \times \frac{48 \text{ g Mg}}{80 \text{ g MgO}} = 0.6 \text{ g of Mg} $$ [21](#page=21). #### 1.4.9 Limiting reactants The limiting reactant (or limiting reagent) is the reactant that is completely consumed first in a chemical reaction, thereby determining the maximum amount of product that can be formed [22](#page=22). * **Determining the limiting reactant:** 1. Convert the masses of all reactants to moles. 2. For each reactant, calculate how much of the other reactant(s) would be needed to react completely using the mole ratios from the balanced equation. 3. The reactant that is "used up" first (i.e., for which there is insufficient amount of the other reactant) is the limiting reactant. Alternatively, calculate the moles of a specific product that can be formed from each reactant. The reactant that produces the smallest amount of product is the limiting reactant. * **Example:** Reacting 1.0 g of sodium bicarbonate ($NaHCO_3$) with 1.0 g of citric acid ($H_3C_6H_5O_7$) to produce $CO_2$ [22](#page=22). * Balanced equation: $3NaHCO_3(aq) + H_3C_6H_5O_7(aq) \rightarrow 3CO_2(g) + 3H_2O(l) + Na_3C_6H_5O_7(aq)$ [23](#page=23). * Molar masses: $NaHCO_3$ (84 g/mol), $H_3C_6H_5O_7$ (192 g/mol), $CO_2$ (44 g/mol) [23](#page=23). 1. **Convert masses to moles:** * Moles $NaHCO_3 = 1.0 \text{ g} / 84 \text{ g/mol} = 0.012 \text{ mol}$ [23](#page=23). * Moles $H_3C_6H_5O_7 = 1.0 \text{ g} / 192 \text{ g/mol} = 0.0052 \text{ mol}$ [23](#page=23). 2. **Determine limiting reactant by calculating moles of $CO_2$ from each:** * From $NaHCO_3$: $0.012 \text{ mol } NaHCO_3 \times \frac{3 \text{ mol } CO_2}{3 \text{ mol } NaHCO_3} = 0.012 \text{ mol } CO_2$ [24](#page=24). * From $H_3C_6H_5O_7$: $0.0052 \text{ mol } H_3C_6H_5O_7 \times \frac{3 \text{ mol } CO_2}{1 \text{ mol } H_3C_6H_5O_7} = 0.0156 \text{ mol } CO_2$ [24](#page=24). * Since $NaHCO_3$ produces fewer moles of $CO_2$ (0.012 mol vs. 0.0156 mol), sodium bicarbonate is the limiting reactant [24](#page=24). 3. **Calculate the amount of $CO_2$ produced:** Use the moles of $CO_2$ determined by the limiting reactant. * Amount of $CO_2 = 0.012 \text{ mol} \times 44 \text{ g/mol} = 0.53 \text{ g}$ [24](#page=24). #### 1.4.10 Theoretical yield, actual yield, and percent yield * **Theoretical Yield:** The maximum amount of product that can be formed from a given amount of reactants, as calculated by stoichiometry [25](#page=25). * **Actual Yield:** The amount of product that is experimentally obtained and measured [25](#page=25). * **Percent Yield:** A measure of the efficiency of a reaction, calculated as the ratio of the actual yield to the theoretical yield, multiplied by 100%. $$ \% \text{ Yield} = \frac{\text{Actual Yield}}{\text{Theoretical Yield}} \times 100\% $$ [25](#page=25). * **Example:** 5.393 g of 1-bromo-2-methylpropane is formed when 6.034 g of 2-methyl-1-propanol reacts with excess PBr3. Calculate the percent yield [26](#page=26). * We need to determine the theoretical yield of 1-bromo-2-methylpropane ($C_4H_9Br$) from 6.034 g of 2-methyl-1-propanol ($C_4H_9OH$) [27](#page=27). * Assume the reaction is: $C_4H_9OH \rightarrow C_4H_9Br$ (simplified representation, actual reaction involves PBr3) [26](#page=26). * Molar masses: $C_4H_9OH$ (74 g/mol), $C_4H_9Br$ (137 g/mol) [27](#page=27). 1. **Calculate the theoretical yield of $C_4H_9Br$:** $$ \text{Theoretical Yield} = 6.034 \text{ g } C_4H_9OH \times \frac{1 \text{ mol } C_4H_9OH}{74 \text{ g } C_4H_9OH} \times \frac{1 \text{ mol } C_4H_9Br}{1 \text{ mol } C_4H_9OH} \times \frac{137 \text{ g } C_4H_9Br}{1 \text{ mol } C_4H_9Br} $$ The document simplifies this calculation: $x = (3 \times 137 \text{ g } C_4H_9Br) \times 6.034 \text{ g } C_4H_9OH / (3 \times 74 \text{ g } C_4H_9OH) = 11.17 \text{ g } C_4H_9Br$. (Note: The factor of 3 appears to be a placeholder or error from a specific reaction pathway not fully detailed, but we follow the document's calculation) [27](#page=27). 2. **Calculate the percent yield:** $$ \% \text{ Yield} = \frac{\text{Actual Yield}}{\text{Theoretical Yield}} \times 100\% = \frac{5.393 \text{ g}}{11.17 \text{ g}} \times 100\% = 48.28\% $$ [27](#page=27). ### 1.5 Practice Problems and Applications The document includes several practice problems that apply these stoichiometric principles: 1. **Molarity Calculation:** Calculating the molarity of a sodium phosphate solution [28](#page=28). 2. **Neutralization Reaction:** Determining the volume of sodium hydroxide needed to neutralize phosphoric acid [28](#page=28). 3. **Precipitation Reaction:** Calculating the maximum mass of silver chloride that will precipitate from mixing solutions of magnesium chloride and silver nitrate [29](#page=29). 4. **Industrial Process (Steam Reforming):** Involves writing a balanced equation for the reaction of methane with water vapor and calculating moles of hydrogen formed and moles of water vapor reacted [30](#page=30). * **Balanced Equation:** $CH_4(g) + H_2O(g) \rightarrow CO(g) + 3H_2(g)$ [30](#page=30). * **Moles of hydrogen formed from 4 moles of methane:** Using the 1:3 mole ratio ($CH_4: H_2$), 4 moles of $CH_4$ will produce $4 \times 3 = 12$ moles of $H_2$ [30](#page=30). * **Moles of water vapor reacted to yield 174.82 moles of hydrogen:** Using the 1:3 mole ratio ($H_2O: H_2$), moles of $H_2O$ = $174.82 \text{ moles } H_2 \times \frac{1 \text{ mol } H_2O}{3 \text{ mol } H_2} \approx 58.27 \text{ moles } H_2O$ [30](#page=30). --- # Bonding and intermolecular forces Bonding and intermolecular forces describe the attractive and repulsive forces that hold substances together, determining their physical properties. Intramolecular forces, like covalent bonds, exist within molecules, while intermolecular forces operate between molecules [31](#page=31). ### 2.1 States of matter and intermolecular forces The state of a substance (solid, liquid, or gas) is determined by the balance between the kinetic energy of its molecules and the strength of the intermolecular forces between them [31](#page=31). * **Gases:** The kinetic energy of molecules significantly exceeds the intermolecular attractive forces, allowing molecules to move freely and independently. Deviations from ideal gas behavior are described by Van der Waals [33](#page=33). * **Liquids:** Intermolecular forces are strong enough to keep molecules close together, but not so strong as to lock them into fixed positions, resulting in a lack of long-range order [33](#page=33). * **Solids:** Intermolecular forces are sufficiently strong to hold molecules in fixed positions, leading to a highly ordered structure [33](#page=33). ### 2.2 Strength of intermolecular forces The strengths of intermolecular forces are generally considerably weaker than intramolecular forces like ionic or covalent bonds. For instance, separating molecules might require around 16 kJ/mol, while breaking a bond can demand up to 431 kJ/mol [34](#page=34). ### 2.3 Van der Waals forces Van der Waals forces encompass the relatively weak attractive forces that arise between neutral atoms and molecules due to temporary or permanent electric polarizations. These include London dispersion forces, dipole-dipole interactions, and hydrogen bonding [35](#page=35). #### 2.3.1 Dipole-dipole forces Dipole-dipole forces are attractive forces that occur between polar molecules. Polar molecules possess permanent dipoles arising from differences in electronegativity between bonded atoms. The partially positive end of one molecule is attracted to the partially negative end of another. Substances with dipole-dipole attractions typically exhibit higher melting and boiling points compared to nonpolar molecules which are only influenced by London dispersion forces [36](#page=36). #### 2.3.2 Hydrogen bonding Hydrogen bonding is a particularly strong type of dipole-dipole interaction. It occurs when a hydrogen atom covalently bonded to a highly electronegative and small atom (such as fluorine, oxygen, or nitrogen) is attracted to a lone pair of electrons on another nearby small, electronegative atom (F, O, or N) [37](#page=37). #### 2.3.3 London dispersion forces (LDF) London dispersion forces arise from the transient, induced polarities that form within molecules or atoms due to the random movement and distribution of electrons. These temporary dipoles can then induce similar temporary dipoles in adjacent particles, leading to a weak attraction. LDFs are present in all substances, regardless of whether they are polar or nonpolar [38](#page=38). * **Polarizability:** This refers to the ease with which the electron cloud of an atom or molecule can be distorted to create an instantaneous dipole. Larger molecules tend to be more polarizable than smaller ones [39](#page=39). > **Tip:** The strength of intermolecular forces directly correlates with physical properties like boiling point. Stronger intermolecular forces lead to higher boiling points because more energy is required to overcome these attractions and transition to the gaseous state [39](#page=39). #### 2.3.4 Identifying intermolecular forces A systematic approach helps identify the dominant intermolecular forces present in a substance or mixture [40](#page=40). * **London Dispersion Force:** Present in all molecular mixtures. It is the strongest force in nonpolar molecules [40](#page=40). * **Dipole-Dipole Force:** Present in mixtures containing molecules with permanent dipoles [40](#page=40). * **Hydrogen Bonding:** The strongest type of dipole-dipole interaction. Present in mixtures containing molecules where hydrogen is covalently bonded to nitrogen, oxygen, or fluorine [40](#page=40). ### 2.4 Other types of forces holding solids together Beyond intermolecular forces between discrete molecules, other bonding types exist, particularly in solid structures where individual molecules may not be the fundamental units. #### 2.4.1 Ionic bonding Ionic bonding involves the electrostatic attraction between oppositely charged ions, which are held together by their charges. In ionic solids, there are no discrete molecules; the entire structure is an extended lattice of ions [41](#page=41). #### 2.4.2 Metallic bonding Metallic bonding is characterized by a "sea of electrons". In this type of bonding, valence electrons are delocalized and shared among a large number of metal atoms within a crystal lattice. This occurs because metals have valence electrons that are not tightly held by the nucleus, allowing them to contribute to a collective electron pool [42](#page=42). --- # Energy changes in phase transitions The energy required to change the phase of a substance is directly related to the strength of its intermolecular forces [44](#page=44). ### 3.1 Intermolecular forces and phase transitions Phase transitions, such as melting (solid to liquid) and vaporization (liquid to gas), involve overcoming the attractive forces between molecules. Stronger intermolecular forces mean that more energy, typically in the form of heat, must be supplied to break these attractions and facilitate the phase change [44](#page=44). ### 3.2 Endothermic and exothermic processes Phase transitions can be classified as either endothermic or exothermic based on the direction of heat flow. * **Endothermic processes:** These transitions require the input of energy (heat) from the surroundings. Examples include melting, vaporization, and sublimation (solid to gas). Energy is absorbed by the substance to overcome intermolecular forces [44](#page=44). * **Exothermic processes:** These transitions release energy (heat) into the surroundings. Examples include freezing (liquid to solid), condensation (gas to liquid), and deposition (gas to solid). Energy is released as molecules move into a more ordered state with weaker intermolecular attractions [44](#page=44). > **Tip:** Think of it this way: to break bonds (like in melting or boiling), you need to add energy (endothermic). When bonds form (like in freezing or condensing), energy is released (exothermic). ### 3.3 Relative energy requirements The energy required for a phase transition increases with the strength of the intermolecular forces. Therefore, substances with stronger intermolecular forces will require more energy to melt or vaporize compared to substances with weaker forces. The progression from solid to liquid to gas generally requires increasing amounts of energy because the intermolecular attractions become progressively weaker with each phase change [44](#page=44). --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Chemical Reaction | A process where at least one new substance is produced as a result of a chemical change, often indicated by changes in heat, light, sound, gas production, precipitate formation, or color. | | Stoichiometry | The study of the quantitative relationships between reactants and products in chemical reactions, based on the law of conservation of mass. | | Balanced Equation | A chemical equation where the number of atoms of each element is the same on both the reactant and product sides, adhering to the principle of conservation of matter. | | Reactants | The substances that are present at the beginning of a chemical reaction and undergo chemical change. | | Products | The new substances that are formed as a result of a chemical reaction. | | Combination Reaction | A type of reaction where two or more substances combine to form a single product. | | Decomposition Reaction | A reaction in which a single compound breaks down into two or more simpler substances. | | Combustion Reaction | A rapid reaction involving oxygen, often producing heat and light, and typically involving hydrocarbons reacting to form carbon dioxide and water. | | Neutralization Reaction | A reaction between an acid and a base that produces a salt and water, involving an exchange of ions. | | Displacement Reaction | A reaction where a more reactive element replaces a less reactive element in a compound; also known as substitution or single replacement reactions. | | Double Displacement Reaction | A reaction where ions are exchanged between two reactants, leading to the formation of new compounds. | | Oxidation | The process involving the addition of oxygen or a non-metallic element, or the removal of hydrogen or a metallic element from a compound. | | Reduction | The process involving the addition of hydrogen or a metallic element, or the removal of oxygen or a non-metallic element from a compound. | | Formula Mass | The sum of the masses of the atoms in the empirical formula of a compound. | | Molecular Mass | The sum of the masses of the atoms in the molecular formula of a compound. | | Atomic Mass Unit (amu) | A unit of mass used to express atomic and molecular masses, defined as 1/12th the mass of a carbon-12 atom. | | Mole | The amount of a substance that contains as many elementary entities (atoms, molecules, ions, etc.) as there are atoms in exactly 12 grams of carbon-12. It is a key unit for chemical calculations. | | Avogadro’s Constant (NA) | The number of elementary entities (such as atoms or molecules) in one mole of a substance, approximately equal to $6.022 \times 10^{23}$ entities per mole. | | Molar Mass | The mass of one mole of a substance, typically expressed in grams per mole (g/mol). | | Percentage Composition | The percentage by mass of each element present in a compound, calculated using atomic weights and the molecular mass of the compound. | | Empirical Formula | The simplest whole-number ratio of atoms of each element in a compound. | | Intermolecular Forces | Attractive and repulsive forces that exist between molecules, influencing the physical properties of substances such as their state (solid, liquid, gas) and boiling points. | | Intramolecular Forces | Forces that hold atoms together within a molecule, such as covalent bonds. | | London Dispersion Forces (LDF) | Weak attractive forces that arise from temporary, induced dipoles in molecules due to the random movement of electrons, present in all substances. | | Dipole-Dipole Forces | Attractive forces that occur between polar molecules, where the partially positive end of one molecule is attracted to the partially negative end of another. | | Hydrogen Bonding | A particularly strong type of dipole-dipole interaction that occurs when a hydrogen atom is bonded to a highly electronegative atom (N, O, or F) and is attracted to a lone pair of electrons on another electronegative atom. | | Polarizability | The ease with which the electron cloud of an atom or molecule can be distorted to create a temporary dipole. | | Ionic Bonding | An electrostatic attraction between oppositely charged ions, forming a crystal lattice structure in ionic compounds. | | Metallic Bonding | A type of chemical bonding that arises from the electrostatic attractive force between positively charged metal ions and delocalized valence electrons, forming a "sea of electrons". | | Theoretical Yield | The maximum amount of product that can be produced from a given amount of reactants in a chemical reaction, calculated using stoichiometry. | | Actual Yield | The amount of product that is experimentally obtained and measured in a chemical reaction. | | Percent Yield | A measure of the efficiency of a chemical reaction, calculated as the ratio of the actual yield to the theoretical yield, expressed as a percentage. |

# Introduction et principe de la chromatographie This section introduces the origin of the term chromatography, its fundamental definition, and its working principle based on the differential interaction of mixture components with mobile and stationary phases. ### 1.1 Origine du terme chromatographie The term "chromatography" was coined by Mikhail Tswett in 1905. He used this technique to separate plant pigments, such as chlorophylls and carotenoids, using columns packed with calcium carbonate as an adsorbent. The name derives from the Greek words "chroma" meaning "color" and "graphein" meaning "to write". An alternative theory suggests the name might also stem from the author's surname, as "tswett" means "color" in Russian, implying he might have named the technique after himself [2](#page=2). ### 1.2 Définition et principe fondamental Chromatography is an analytical separation method used for identifying and quantifying the various compounds present in a mixture. Its fundamental principle relies on the movement of a sample, driven by an eluent, which is referred to as the **mobile phase** (either a gas or a liquid). This mobile phase flows in contact with a second, fixed phase, known as the **stationary phase**, which is immobilized on a support, typically a column or a flat surface [3](#page=3). The separation of the mixture's components is achieved through their differential affinities for the stationary phase and the mobile phase. This difference in affinity leads to varying speeds of propagation for each compound as they move through the chromatographic system [3](#page=3). > **Tip:** Understanding the nature of both the mobile and stationary phases is crucial for selecting the appropriate chromatographic technique for a given separation problem. The choice of phases dictates the types of interactions (e.g., adsorption, partition, ion exchange, size exclusion) that will govern the separation process. * * * # Classification des méthodes chromatographiques Les méthodes chromatographiques, malgré leur diversité, peuvent être classées selon trois modalités principales. Ces classifications permettent de mieux appréhender les principes fondamentaux et les applications spécifiques de chaque technique [4](#page=4). ### 2.1 Classification selon la nature physique des phases Cette classification se base sur l'état physique des deux phases impliquées dans le processus chromatographique: la phase stationnaire et la phase mobile [4](#page=4). * **Chromatographie gaz-liquide (CGL)**: La phase stationnaire est un liquide immobilisé sur un support solide ou sur les parois de la colonne, et la phase mobile est un gaz [4](#page=4). * **Chromatographie liquide-liquide (CLL)**: La phase stationnaire est un liquide non miscible avec la phase mobile, et la phase mobile est un autre liquide [4](#page=4). * **Chromatographie solide-liquide (CSL)**: La phase stationnaire est un solide (par exemple, silice, alumine), et la phase mobile est un liquide [4](#page=4). * **Chromatographie gaz-solide (CGS)**: La phase stationnaire est un solide adsorbant, et la phase mobile est un gaz [4](#page=4). ### 2.2 Classification selon le phénomène mis en œuvre Cette classification est axée sur le mécanisme d'interaction entre les solutés et la phase stationnaire, qui détermine la séparation [4](#page=4). * **Chromatographie par partage (ou de distribution)**: La séparation est basée sur les différences de solubilité des composés entre une phase stationnaire liquide et une phase mobile liquide ou gazeuse [4](#page=4). * **Chromatographie par adsorption**: La séparation repose sur les interactions physico-chimiques (adsorption) entre les solutés et la surface d'une phase stationnaire solide [4](#page=4). * **Chromatographie par échange d'ions**: Les composés sont séparés en fonction de la force de leurs interactions électrostatiques avec des sites chargés présents sur la phase stationnaire [4](#page=4). * **Chromatographie d'exclusion stérique (ou de perméation de gel)**: La séparation est effectuée selon la taille et la forme des molécules, qui déterminent leur capacité à pénétrer dans les pores de la phase stationnaire [4](#page=4). * **Chromatographie d'affinité**: Cette technique exploite des interactions biologiques spécifiques (par exemple, antigène-anticorps, enzyme-substrat) entre les solutés et des ligands immobilisés sur la phase stationnaire [4](#page=4). ### 2.3 Classification selon le procédé opératoire Cette classification distingue les techniques selon la manière dont la phase mobile est entraînée et dont la séparation est réalisée [4](#page=4). * **Chromatographie en phase liquide** : * **Chromatographie sur colonne**: La phase stationnaire est conditionnée dans une colonne, et la phase mobile est forcée de circuler à travers [4](#page=4). * **Chromatographie en phase liquide haute performance (HPLC)**: Utilise des pressions élevées pour faire passer la phase mobile à travers une colonne remplie de particules fines, permettant des séparations rapides et efficaces [4](#page=4). * **Chromatographie liquide basse pression (LPLC)**: Utilise des pressions plus basses, souvent pour des applications à plus grande échelle ou moins exigeantes en résolution [4](#page=4). * **Chromatographie sur couche mince (CCM)**: La phase stationnaire est déposée sous forme de couche mince sur une plaque (verre, plastique, aluminium), et la phase mobile migre par capillarité [4](#page=4). * **Chromatographie en phase gazeuse (CPG)**: La phase mobile est un gaz inerte (hélium, azote, hydrogène), et la phase stationnaire est soit un liquide immobilisé sur un support, soit un solide. La séparation a lieu dans une colonne chauffée [4](#page=4). > **Tip:** Comprendre ces différentes classifications est essentiel pour choisir la méthode chromatographique la plus appropriée à un problème d'analyse donné. Chaque critère de classification met en lumière des aspects distincts du processus de séparation [4](#page=4). * * * # Paramètres fondamentaux de la séparation chromatographique Cette section détaille les paramètres essentiels qui régissent l'efficacité et la performance d'une séparation chromatographique, en se concentrant sur leur définition, leur relation et leur impact sur la qualité de la séparation. ### 3.1 Le coefficient de distribution Le coefficient de distribution, également appelé coefficient de partage ou de Nernst (K), est une mesure fondamentale qui quantifie la manière dont un soluté se répartit entre la phase stationnaire (PS) et la phase mobile (PM) dans un système chromatographique. Il est défini comme le rapport des concentrations du soluté dans la phase stationnaire ($C\_S$) à sa concentration dans la phase mobile ($C\_M$) [8](#page=8). $$ K = \\frac{C\_S}{C\_M} $$ Un coefficient de distribution K plus élevé indique que le soluté a une affinité plus grande pour la phase stationnaire et sera donc retenu plus longtemps dans la colonne. Ce coefficient est influencé par la température et les interactions entre la phase mobile et le soluté (PM/Soluté), la phase stationnaire et le soluté (PS/soluté), ainsi qu'entre la phase mobile et la phase stationnaire (PM/PS) [8](#page=8). ### 3.2 Le temps de rétention Le temps de rétention ($t\_R$) est le temps nécessaire pour qu'un pic d'un composé spécifique traverse la colonne chromatographique et atteigne le détecteur après l'injection de l'échantillon. Il est une mesure directe du temps pendant lequel un soluté est retenu par la phase stationnaire [9](#page=9). Pour une espèce non retenue par la phase stationnaire, le temps d'élution correspond au "temps mort" ($t\_M$). Ce temps mort est lié à la longueur de la colonne (L) et à la vitesse linéaire moyenne des molécules dans la phase mobile (u) selon la formule: $u = \\frac{L}{t\_M}$ [9](#page=9). La vitesse linéaire moyenne des molécules dans la phase mobile est représentée par $v$: $$ v = \\frac{L}{t\_R} $$ où L est la longueur de la colonne et $t\_R$ est le temps de rétention [9](#page=9). ### 3.3 Relation entre vitesse de déplacement et coefficient de distribution La vitesse de déplacement d'un soluté dans la colonne ($v$) est directement liée à la vitesse linéaire de la phase mobile ($u$) et à la fraction de temps que le soluté passe dans la phase mobile. Cette fraction est déterminée par le coefficient de distribution K et le rapport des volumes des phases [10](#page=10). $$ v = u \\times \\text{fraction de temps passé par le soluté dans la PM} $$ La fraction de temps passé dans la phase mobile peut être exprimée comme suit : $$ \\text{fraction} = \\frac{q\_M}{q\_{total}} = \\frac{C\_M V\_M}{C\_M V\_M + C\_S V\_S} $$ où $V\_M$ est le volume de la phase mobile dans la colonne et $V\_S$ est le volume occupé par la phase stationnaire [10](#page=10). En réorganisant, on obtient : $$ v = u \\times \\frac{1}{1 + \\frac{C\_S V\_S}{C\_M V\_M}} $$ En utilisant le coefficient de distribution $K = \\frac{C\_S}{C\_M}$, la formule devient : $$ v = u \\times \\frac{1}{1 + K \\frac{V\_S}{V\_M}} $$ Le rapport $\\beta = \\frac{V\_M}{V\_S}$ est appelé le rapport de phase, une caractéristique essentielle de toute colonne. En termes de rapport de phase, la vitesse de déplacement est [10](#page=10): $$ v = u \\times \\frac{1}{1 + K/\\beta} $$ ### 3.4 Le facteur de capacité Le facteur de capacité, également appelé facteur de rétention (k'), quantifie la capacité de la colonne à retenir un soluté. Il représente le nombre de volumes de phase mobile nécessaires pour éluer un composé par rapport au temps mort [11](#page=11). Le facteur de capacité est défini comme le rapport entre le soluté retenu et le soluté dans la phase mobile, ajusté par le rapport des volumes des phases : $$ k'\_A = \\frac{C\_S V\_S}{C\_M V\_M} = K \\frac{V\_S}{V\_M} $$ Il peut également être exprimé en fonction de la vitesse de déplacement et de la vitesse de la phase mobile : $$ v = u \\times \\frac{1}{1 + k'\_A} $$ Cette relation conduit à une expression du temps de rétention : $$ \\frac{L}{t\_R} = \\frac{L}{t\_M} \\times \\frac{1}{1 + k'\_A} $$ Un moyen pratique de calculer le facteur de capacité est d'utiliser les temps de rétention : $$ k'\_A = \\frac{t\_R - t\_M}{t\_M} = \\frac{t'\_S}{t\_M} $$ où $t'\_S$ est le temps réduit (temps de passage du soluté moins le temps mort) [11](#page=11). > **Tip:** Un facteur de capacité optimal se situe généralement entre 1 et 5. Si $k'\_A < 1$, l'élution est trop rapide et la séparation est souvent insuffisante. Si $k'\_A > 20-30$, l'élution est trop lente, ce qui augmente le temps d'analyse et peut affecter la forme des pics [11](#page=11). ### 3.5 Le facteur de sélectivité Le facteur de sélectivité ($\\alpha$), aussi appelé facteur de séparation, mesure la capacité de la colonne à différencier deux composés adjacents dans un mélange. Il indique à quel point les phases stationnaire et mobile sont capables de discriminer entre deux solutés [12](#page=12). Le facteur de sélectivité est défini comme le rapport des coefficients de distribution ou des facteurs de capacité de deux composés, généralement nommés A et B, où B est l'espèce la plus retenue : $$ \\alpha = \\frac{K\_B}{K\_A} = \\frac{k'\_B}{k'\_A} $$ Il peut également être calculé à partir des temps de rétention : $$ \\alpha = \\frac{t{RB} - t\_M}{t{RA} - t\_M} $$ où $t\_{RA}$ et $t\_{RB}$ sont les temps de rétention des composés A et B respectivement [12](#page=12). > **Tip:** Un facteur de sélectivité supérieur à 1 ($\\alpha > 1$) est nécessaire pour obtenir une séparation entre deux composés. Plus $\\alpha$ est élevé, plus la séparation entre les deux pics est aisée et efficace. * * * # Efficacité et résolution de la colonne chromatographique Ce sujet aborde les mesures de performance d'une colonne chromatographique, en se concentrant sur l'efficacité quantifiée par le nombre de plateaux théoriques et la hauteur équivalente, ainsi que sur la résolution des pics, en expliquant l'influence de divers facteurs via l'équation de Van Deemter [13](#page=13). ### 4.1 Concepts fondamentaux de l'efficacité L'efficacité d'une colonne chromatographique est directement liée au degré d'élargissement des pics d'élution. La théorie cinétique permet de décrire quantitativement ces formes et largeurs de pics en se basant sur le mécanisme brownien des molécules qui alternent entre la phase mobile (PM) et la phase stationnaire (PS). Le comportement individuel aléatoire des molécules entraîne une dispersion des vitesses autour d'une valeur moyenne, ce qui explique l'étalement symétrique des pics [13](#page=13). #### 4.1.1 Modèle de pics d'élution parfaits Les pics d'élution idéaux suivent une courbe de Gauss. La largeur à mi-hauteur est notée $\\delta$ et est égale à $2,35\\sigma$, où $\\sigma^2$ est la variance du pic, représentant la dispersion des valeurs par rapport à la moyenne. La largeur du pic à la base, notée $W$, est mesurée à 13,5% de la hauteur et correspond à la base du triangle, soit $W = 4\\sigma$ [14](#page=14). #### 4.1.2 Mesures de l'efficacité de la colonne L'efficacité d'une colonne est évaluée par deux paramètres principaux : * La hauteur équivalente à un plateau théorique, notée $H$ (ou HEPT) [15](#page=15). * Le nombre de plateaux théoriques, noté $N$ [15](#page=15). La relation entre ces deux paramètres est donnée par : $N = \\frac{L}{H}$ où $L$ est la longueur de la colonne. L'efficacité augmente lorsque $N$ augmente ou lorsque $H$ diminue pour une longueur de colonne constante [15](#page=15). Le nombre de plateaux théoriques peut également être calculé à partir des temps de rétention et des largeurs de pic : $N = 16 \\left(\\frac{t\_R}{w}\\right)^2 = 5.54 \\left(\\frac{t\_R}{\\delta}\\right)^2$ [15](#page=15). ### 4.2 Facteur de résolution Le facteur de résolution ($R$) quantifie la capacité d'une colonne à séparer deux analytes. Il est défini par la formule [16](#page=16): $R = 2 \\frac{t\_{R2} - t\_{R1}}{W\_1 + W\_2}$ où $t\_{R1}$ et $t\_{R2}$ sont les temps de rétention des deux composés, et $W\_1$ et $W\_2$ sont leurs largeurs de pic à la base. Une valeur de $R = 1.5$ indique une séparation quasi-complète des composés [16](#page=16). #### 4.2.1 Influence des facteurs de capacité et de sélectivité sur la résolution La résolution est également affectée par les facteurs de capacité ($k'$) et de sélectivité ($\\alpha$) selon l'équation : $R = \\frac{\\sqrt{N}}{4} \\frac{\\alpha - 1}{\\alpha} \\frac{k'\_B}{1 + k'\_B}$ [17](#page=17). #### 4.2.2 Effet de la résolution sur le temps de rétention La résolution est liée au temps de rétention ($t\_{RB}$) par la formule : $t\_{RB} = 16 R^2 \\frac{H}{u} \\left(\\frac{\\alpha}{\\alpha - 1}\\right)^2 \\left(\\frac{1 + k'\_B}{k'\_B}\\right)^3$ [18](#page=18). ### 4.3 Paramètres contrôlant l'efficacité de la colonne Plusieurs paramètres influencent directement l'efficacité de la colonne chromatographique [19](#page=19): * Vitesse linéaire de la phase mobile ($u$) en cm/s [19](#page=19). * Coefficient de diffusion dans la phase mobile ($D\_M$) en cm$^2$/s [19](#page=19). * Coefficient de diffusion dans la phase stationnaire ($D\_S$) en cm$^2$/s [19](#page=19). * Facteur de capacité ($k'$) sans unité [19](#page=19). * Diamètre des particules du support ($d\_p$) en $\\mu$m [19](#page=19). * Épaisseur de la couche liquide sur la phase stationnaire ($d\_f$) en $\\mu$m [19](#page=19). La vitesse linéaire de la phase mobile ($u$) est un paramètre clé; il existe une hauteur équivalente optimale ($H\_{opt}$) pour de faibles valeurs de $u$. Cette vitesse optimale est généralement plus faible en chromatographie liquide de partage (CPL) qu'en chromatographie en phase gazeuse (CPG) [20](#page=20). ### 4.4 Équation de Van Deemter et élargissement des pics L'équation de Van Deemter modélise l'efficacité des colonnes chromatographiques en expliquant l'élargissement des pics. Une forme modernisée de cette équation est [21](#page=21): $H = A + \\frac{B}{u} + C s u + C M u$ [21](#page=21). Dans cette équation : * $A$ représente le terme de diffusion multi-trajets (ou diffusion turbulente) [21](#page=21). * $\\frac{B}{u}$ est le terme de diffusion longitudinale [21](#page=21). * $C s u$ est le terme de transfert de masse dans la phase stationnaire [21](#page=21). * $C M u$ est le terme de transfert de masse dans la phase mobile [21](#page=21). #### 4.4.1 Terme de diffusion longitudinale ($\\frac{B}{u}$) Ce terme décrit la tendance des solutés à se déplacer du centre de la bande vers les régions plus diluées en amont et en aval. Il est la cause principale de l'élargissement des pics en phase gazeuse et moins prononcé en CPL. Ce terme est proportionnel au coefficient de diffusion dans la phase mobile ($D\_M$) [22](#page=22). #### 4.4.2 Terme de transfert de masse dans la phase stationnaire ($C s u$) Lorsque la phase stationnaire est un liquide immobilisé sur un solide, le coefficient de transfert de masse ($C\_s$) est proportionnel à $\\frac{d\_f^2}{D\_S}$. Une couche plus épaisse ($d\_f$) ou un faible coefficient de diffusion ($D\_S$) augmentent le temps nécessaire aux molécules pour atteindre l'interface et se transférer vers la phase mobile, accroissant ainsi $H$. Si la phase stationnaire est un solide, ce terme est lié au temps d'adsorption ou de désorption des espèces [23](#page=23). #### 4.4.3 Terme de transfert de masse dans la phase mobile ($C M u$) Ce terme, généralement plus complexe, est proportionnel à $\\frac{d\_p^2}{D\_M}$ (ou $d\_c^2$ pour les colonnes capillaires). L'élargissement du pic dans la phase mobile est dû à la multiplicité des trajets que les molécules peuvent emprunter à travers les interstices d'une colonne remplie, un phénomène lié à la diffusion turbulente. La contribution de ce terme à $H$ n'est pas linéaire [24](#page=24). ### 4.5 Méthodes pour réduire l'élargissement des pics et améliorer l'efficacité Pour améliorer l'efficacité d'une colonne, c'est-à-dire réduire l'élargissement des pics, plusieurs stratégies peuvent être employées [25](#page=25): * Réduire le diamètre des particules de remplissage de la colonne. Pour les colonnes capillaires, réduire le diamètre de la colonne elle-même. * Utiliser une granulométrie plus fine pour le support. * En CPG, réduire la diffusion longitudinale en abaissant la température ($T$) et donc $D\_M$. * En CPL, l'effet de la température sur la diffusion est moins significatif. * Pour une phase stationnaire liquide, minimiser l'épaisseur de la couche liquide. ### 4.6 Méthodes d'optimisation pour améliorer la résolution L'optimisation de la résolution ($R$) peut être réalisée en agissant sur plusieurs facteurs, en utilisant l'équation $R = \\frac{\\sqrt{N}}{4} \\frac{\\alpha - 1}{\\alpha} \\frac{k'\_B}{1 + k'\_B}$ [26](#page=26). #### 4.6.1 Modification de la hauteur équivalente ($H$) Il est souvent préférable de réduire la hauteur équivalente ($H$) plutôt que d'augmenter la longueur de la colonne ($N$) pour améliorer la résolution, car cela permet de réduire le temps de séparation. Les méthodes pour optimiser $H$ sont celles décrites précédemment pour réduire l'élargissement des pics [26](#page=26). #### 4.6.2 Modification du facteur de capacité ($k'$) Un facteur de capacité idéal se situe entre 1 et 5. Au-delà de 10, le temps de séparation augmente considérablement sans amélioration significative de $R$ [26](#page=26). * En CPG, $k'$ est modifié en ajustant la température [26](#page=26). * En CPL, le changement de la composition du solvant (phase mobile) permet de modifier $k'$ [26](#page=26). #### 4.6.3 Modification du facteur de sélectivité ($\\alpha$) Lorsque $k'$ et $H$ sont optimisés mais que $\\alpha$ est proche de 1, une bonne séparation en un temps raisonnable n'est pas obtenue. Il est alors nécessaire d'augmenter $\\alpha$ tout en maintenant $k'$ entre 1 et 10. Les stratégies privilégiées pour augmenter $\\alpha$ sont, par ordre de préférence [27](#page=27): 1. En CPL: modifier la composition de la phase mobile [27](#page=27). 2. Modifier la température [27](#page=27). 3. Modifier la composition de la phase stationnaire [27](#page=27). 4. Utiliser des effets chimiques spécifiques, comme les ions argent pour améliorer la séparation des oléfines [27](#page=27). * * * # Applications et méthodes d'analyse quantitative L'analyse quantitative par chromatographie permet de déterminer la concentration des composés présents dans un mélange en comparant les signaux obtenus avec ceux d'étalons de concentration connue [29](#page=29). ### 5.1 Analyse qualitative en chromatographie L'analyse qualitative en chromatographie vise à identifier la présence ou l'absence de substances spécifiques dans un mélange dont la composition est partiellement connue. Elle repose principalement sur la mesure du temps de rétention, qui est la durée nécessaire à un composé pour traverser la colonne chromatographique. Si le mélange est complexe et sa composition inconnue, l'identification unique par temps de rétention devient difficile. Pour améliorer la fiabilité de l'identification, il est courant de coupler la sortie de la colonne chromatographique à des spectromètres tels que des spectromètres UV, IR ou de masse. Bien qu'il ne soit pas toujours possible d'identifier avec certitude toutes les espèces présentes, la chromatographie peut permettre de confirmer l'absence d'une substance donnée dans un échantillon [28](#page=28). ### 5.2 Analyse quantitative en chromatographie L'analyse quantitative en chromatographie repose sur la comparaison de l'aire ou de la hauteur d'un pic chromatographique de l'analyte avec celle d'un étalon de concentration connue. Sous des conditions opératoires bien contrôlées, ces paramètres sont proportionnels à la quantité de substance injectée [29](#page=29). Pour réaliser un dosage précis par chromatographie, plusieurs conditions doivent être remplies : * Disposer d'un échantillon authentique de chaque analyte à doser [29](#page=29). * Assurer que le détecteur fournisse une relation linéaire entre la grandeur du signal (aire ou hauteur du pic) et la quantité de l'analyte responsable de ce pic. Cette relation peut être exprimée comme suit [29](#page=29): $m\_i = K\_i \\cdot A\_i$ où : * $m\_i$ est la masse du composé $i$ injectée dans la colonne [29](#page=29). * $K\_i$ est le coefficient de réponse absolu du composé $i$, qui dépend des conditions opératoires et de l'instrumentation [29](#page=29). * $A\_i$ est l'aire du pic d'élution du composé $i$ [29](#page=29). #### 5.2.1 Dosage basé sur la hauteur du pic Le dosage basé sur la hauteur du pic consiste à mesurer la distance verticale entre la ligne de base et le sommet du pic. Cette mesure peut être influencée par l'élargissement des pics et les erreurs d'injection, notamment lors de l'utilisation de seringues, qui peuvent introduire des erreurs de l'ordre de 5 à 10 % [30](#page=30). #### 5.2.2 Dosage basé sur l'aire du pic Le dosage basé sur l'aire du pic est généralement considéré comme plus fiable car il est moins sensible aux effets d'élargissement des pics. Pour des pics raisonnablement symétriques, l'aire peut être approximée par le produit de la hauteur du pic et de sa largeur à mi-hauteur [31](#page=31). > **Tip:** L'utilisation de l'aire du pic comme paramètre quantitatif est préférée à la hauteur du pic pour une meilleure fiabilité analytique. ### 5.3 Méthodes d'étalonnage #### 5.3.1 Étalonnage externe L'étalonnage externe est une méthode où l'on compare directement les chromatogrammes d'une solution étalon de concentration connue avec ceux de l'échantillon à analyser, sans modifier les réglages de l'appareil entre les injections [32](#page=32). La concentration de l'échantillon ($C\_{ech}$) est déterminée par la relation : $C\_{ech} = C\_{ref} \\cdot \\frac{A\_{ech}}{A\_{ref}}$ où $C\_{ref}$ est la concentration de la solution de référence, $A\_{ref}$ est l'aire du pic de l'étalon, et $A\_{ech}$ est l'aire du pic de l'échantillon [32](#page=32). Pour une précision accrue, il est recommandé de préparer une série de solutions étalons dont les concentrations se rapprochent de celle de l'échantillon inconnu ($C\_1, C\_2, C\_3, \\dots$). Après avoir injecté chaque solution étalon avec un volume constant et mesuré les aires correspondantes ($A\_1, A\_2, A\_3, \\dots$), on trace une courbe d'étalonnage (aire des pics en fonction de la concentration) qui devrait être une droite passant par l'origine. L'aire du pic de l'échantillon inconnu ($A\_x$) est ensuite reportée sur cette courbe pour déterminer sa concentration ($C\_x$) [32](#page=32). > **Tip:** Les vannes à boucle d'échantillonnage sont un équipement essentiel pour réduire les erreurs liées au volume d'injection, particulièrement en chromatographie gazeuse (CG), et permettent d'atteindre des précisions de 1 à 2 % [33](#page=33). #### 5.3.2 Étalonnage interne L'étalonnage interne offre une meilleure précision car il compense les variations de volume d'injection. Pour cette méthode, une quantité précisément mesurée d'une substance étalon interne (qui n'est pas présente dans le mélange à analyser) est ajoutée à la fois aux solutions étalons et à la solution échantillon [34](#page=34). Le paramètre analytique utilisé est le rapport de l'aire de l'analyte à l'aire de l'étalon interne. Pour que cette méthode soit efficace [34](#page=34): * Le temps de rétention du pic de l'étalon interne doit être proche de celui de l'analyte [34](#page=34). * La concentration de l'étalon interne doit se situer dans le domaine de réponse linéaire du détecteur [34](#page=34). * L'étalon interne doit être chimiquement inerte par rapport à l'analyte et à la matrice de l'échantillon [34](#page=34). * * * # Chromatographie en phase gazeuse (CPG) La chromatographie en phase gazeuse (CPG) est une technique d'analyse chromatographique utilisée pour séparer et analyser des composés volatils ou semi-volatils [35](#page=35). ### 6.1 Principes fondamentaux et phases mobiles La phase mobile en CPG est un gaz, tel que l'hydrogène (H₂), l'hélium (He), l'azote (N₂) ou l'argon (Ar), dont le choix dépend du type de détecteur utilisé. La pression typique de la phase mobile se situe entre 10 et 50 psi (où 1 psi = 51.71 torr). Les débits varient considérablement selon le type de colonne: de 25 à 150 ml/min pour les colonnes remplies, et de 0.5 à 5 ml/min pour les colonnes capillaires. L'enceinte contenant la colonne est thermostatée et peut atteindre des températures allant jusqu'à 350°C [36](#page=36). En CPG, quatre paramètres peuvent être ajustés pour optimiser la phase stationnaire (PS): la longueur de la colonne (L), la vitesse linéaire moyenne de la phase mobile (u), la température (T) et le rapport de phase ($\\beta = V\_m/V\_s$), qui conditionnent respectivement l'efficacité de la colonne (N) et le facteur de rétention (k). Les ajustements de température et de débit permettent d'agir sur N et k. La relation entre le temps de rétention (tR) et le temps mort (tM) est décrite par l'équation $\\log(t\_R - t\_M) = A/T + B$. Bien que la nature du gaz porteur modifie peu les constantes de partage des solutés, sa viscosité et la vitesse linéaire (u) influencent l'efficacité de la colonne [37](#page=37). ### 6.2 Systèmes d'injection Les systèmes d'injection sont choisis en fonction des applications et des types de colonnes [38](#page=38). * **Injection à vaporisation directe:** L'échantillon est injecté à l'aide d'une microseringue à travers un septum dans une chambre d'injection chauffée, située au sommet de la colonne. La température de cette chambre doit être supérieure d'au moins 50°C à la température d'ébullition du constituant le moins volatil de l'échantillon. Ce mode est utilisé pour de très faibles volumes (0.1-0.01 $\\mu$l) avec les colonnes capillaires [38](#page=38). * **Injecteur avec ou sans division (split/splitless):** Principalement utilisé pour les colonnes capillaires, cet injecteur possède une vanne de fuite qui divise le débit du gaz vecteur en deux fractions. Seule une petite fraction pénètre dans la colonne, permettant de réduire la quantité d'échantillon introduite et d'augmenter le rapport de division (split ratio), qui peut varier de 20 à 500 [38](#page=38). * **Injection à froid dans la colonne:** Dans cette méthode, la vaporisation de l'échantillon se produit après son dépôt à l'intérieur même de la colonne capillaire [38](#page=38). ### 6.3 Types de colonnes Il existe deux principaux types de colonnes en CPG : #### 6.3.1 Colonnes remplies Ces colonnes mesurent généralement entre 1 et 3 mètres de longueur et sont fabriquées en acier inoxydable ou en verre. Leur diamètre interne est de 1/8 ou 1/4 inch (3.18 ou 6.35 mm). Elles contiennent un support solide poreux et inerte, sur lequel la phase stationnaire liquide est fixée par greffage ou imprégnation. Le support solide le plus couramment utilisé est la terre de diatomée, qui est un squelette siliceux issu d'algues unicellulaires. La granulométrie de ces supports est généralement de 60-80 mesh ou 80-100 mesh [39](#page=39). #### 6.3.2 Colonnes capillaires Les colonnes capillaires sont majoritairement fabriquées en silice fondue. Elles ont un diamètre interne plus faible, allant de 75 à 250 $\\mu$m, et peuvent être très longues, de 10 à 100 mètres. La phase stationnaire liquide est déposée sous forme d'un film sur la paroi interne de la colonne, avec une épaisseur comprise entre 0.05 et 5 $\\mu$m. Les performances des colonnes capillaires peuvent être prédites en calculant le rapport $\\beta$, défini comme $\\beta = V\_M/V\_S = DI/(4 \\cdot e\_f)$, où DI est le diamètre interne de la colonne et $e\_f$ est l'épaisseur du film déposé. Il existe également des colonnes pseudo-capillaires, en silice, avec un diamètre de 530 $\\mu$m et une longueur de 5 à 50 mètres [40](#page=40). ### 6.4 Phases stationnaires liquides Le choix de la phase stationnaire liquide (PS) est crucial en CPG et dépend de la nature des composés à analyser [41](#page=41). * **Polysiloxanes :** Ces polymères de structure générale $(R)\_3-Si-O-(Si(R)\_2-O)-Si(R)\_3$ sont largement utilisés. * **Polydiméthylsiloxane (PDMS) non substitué (ex: OV1, SE30):** Constitue une phase stationnaire non polaire d'usage général, adaptée à la séparation d'hydrocarbures, d'aromatiques, de médicaments et de stéroïdes [41](#page=41). * **5% Ph-polydiméthylsiloxane (ex: OV3, SE52):** Une phase légèrement plus polaire, utile pour l'analyse d'esters méthyliques d'acides gras, d'alcaloïdes, de médicaments et de composés halogénés [41](#page=41). * **50% Ph-polydiméthylsiloxane (ex: OV17):** Convient pour les médicaments, les stéroïdes, les pesticides et les glycols [41](#page=41). * **50% trifluoropropyl polydiméthylsiloxane (ex: OV210):** Efficace pour séparer les chloroaromatiques et les alkylbenzènes [41](#page=41). * **50% cyanopropyl polydiméthylsiloxane (ex: OV275):** Utilisé pour les acides gras polyinsaturés et les alcools [41](#page=41). * **Polyéthylène glycol (PEG):** Comme le Carbowax 20M, ces phases stationnaires polaires sont idéales pour l'analyse d'acides libres, d'alcools, d'éthers et d'huiles essentielles. Leur structure est représentée par HO-CH₂-CH₂-(O-CH₂-CH₂)$\_n$\-OH [41](#page=41). > **Tip:** En règle générale, la polarité de la phase stationnaire doit correspondre à celle des composés de l'échantillon pour obtenir une bonne séparation. Lorsque la polarité est bien accordée, l'ordre d'élution est principalement déterminé par le point d'ébullition des solutés [42](#page=42). * * * # Détecteurs en chromatographie Cette section détaille les différents types de détecteurs couramment utilisés en chromatographie, en expliquant leur principe de fonctionnement, leurs avantages, leurs inconvénients et leurs applications spécifiques [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47). ### 7.1 Le détecteur à ionisation de flamme (FID) Le détecteur à ionisation de flamme (FID) est largement utilisé pour la détection des composés carbonés [43](#page=43). #### 7.1.1 Principe de fonctionnement L'éluat de la colonne chromatographique est mélangé à de l'hydrogène et de l'air, puis enflammé dans une flamme. Ce processus génère des ions et des électrons capables de conduire l'électricité. Une différence de potentiel appliquée entre l'orifice du brûleur et une électrode collectrice crée un courant électrique, qui constitue le signal de détection [43](#page=43). #### 7.1.2 Caractéristiques et applications Le FID est particulièrement sensible aux composés contenant du carbone. Cependant, certains groupements fonctionnels, tels que les carbonyles, les alcools, les halogènes et les amines, produisent peu ou pas d'ions, réduisant ainsi la sensibilité pour ces composés. Le FID est insensible aux gaz incombustibles comme l'eau (H₂O), le dioxyde de carbone (CO₂) et les oxydes d'azote (NOx) [43](#page=43). #### 7.1.3 Performances Il offre une sensibilité élevée, de l'ordre de $10^{-13}$ grammes par seconde, et un domaine linéaire de $10^7$. De plus, il est réputé pour sa robustesse [43](#page=43). #### 7.1.4 Inconvénient Le principal inconvénient du FID est qu'il détruit l'échantillon lors de la détection [43](#page=43). > **Tip:** Le FID est idéal pour l'analyse de composés organiques volatils dans des matrices où les composants non carbonés sont peu nombreux. ### 7.2 Le détecteur à conductivité thermique (catharomètre) Le détecteur à conductivité thermique, également connu sous le nom de catharomètre, mesure les variations de la conductivité thermique d'un flux gazeux causées par la présence de molécules d'analyte [44](#page=44). #### 7.2.1 Principe de fonctionnement Il est constitué d'un élément chauffé électriquement, tel qu'un filament de platine, d'or, de tungstène ou une thermistance semi-conductrice. La résistance de cet élément varie en fonction de la température, qui est directement liée à la vitesse à laquelle les molécules de gaz environnant évacuent l'énergie thermique par conduction vers les parois d'un bloc métallique. Un système de détection différentiel est souvent utilisé [44](#page=44). #### 7.2.2 Avantages L'hydrogène (H₂) et l'hélium (He), couramment utilisés comme gaz vecteurs, ont une conductivité thermique environ 6 à 10 fois supérieure à celle de la plupart des composés organiques. Par conséquent, la présence de même de faibles quantités de composés organiques dans l'effluent entraîne une diminution significative de la conductivité thermique et donc une élévation de la température de l'élément détecteur [44](#page=44). #### 7.2.3 Performances et applications Ce détecteur est simple à utiliser, présente un large domaine linéaire ($10^5$), et répond aussi bien aux composés organiques qu'inorganiques. Il a l'avantage d'être non destructif [44](#page=44). #### 7.2.4 Inconvénient Sa sensibilité est relativement faible, de l'ordre de $10^{-8}$ grammes de soluté par millilitre de gaz vecteur [44](#page=44). > **Tip:** Le catharomètre est un bon choix lorsque l'analyse de composés inorganiques est nécessaire ou lorsque l'intégrité de l'échantillon doit être préservée. ### 7.3 Détecteurs thermoioniques Les détecteurs thermoioniques sont conçus pour une détection sélective des composés organiques contenant du phosphore (P) ou de l'azote (N). Ils sont particulièrement utiles pour le dosage des pesticides organophosphorés [45](#page=45). #### 7.3.1 Principe de fonctionnement Ces détecteurs partagent une structure similaire au FID. L'éluat de la colonne est mélangé à de l'hydrogène et passe à l'extrémité d'une flamme. Le gaz chaud s'écoule autour d'une pastille en silicate de rubidium chauffée électriquement, maintenue à une tension de 180 volts par rapport à un collecteur. En présence de molécules contenant de l'azote ou du phosphore, un plasma se forme dans la pastille à une température de 600 à 800 degrés Celsius, générant un courant ionique important [45](#page=45). > **Example:** L'analyse de résidus de certains insecticides organophosphorés dans des échantillons alimentaires peut être réalisée efficacement avec un détecteur thermoionique. ### 7.4 Le détecteur par photométrie de flamme Le détecteur par photométrie de flamme est utilisé pour l'analyse de polluants de l'air et de l'eau, ainsi que de pesticides [46](#page=46). #### 7.4.1 Sélectivité et applications Il est sélectif et sensible aux composés contenant du soufre (S) et du phosphore (P) [46](#page=46). #### 7.4.2 Principe de fonctionnement L'éluat traverse une flamme hydrogène-air à basse température. Cette flamme transforme une partie du phosphore en monoxyde de phosphore (HPO), qui émet dans des bandes d'absorption à 510 et 526 nanomètres. Le soufre est transformé en disulfure de soufre (S₂), qui émet à 394 nanomètres [46](#page=46). ### 7.5 Détecteurs sélectifs et méthodes couplées En plus des détecteurs mentionnés, d'autres approches permettent une détection sélective. Celles-ci incluent les méthodes couplées à la spectroscopie et à l'électrochimie. Parmi les plus connus, on retrouve la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (CG-SM) et à l'infrarouge (CG-IR) [47](#page=47). > **Tip:** Le choix du détecteur dépend fortement de la nature des analytes à rechercher et des exigences de l'analyse (sensibilité, sélectivité, destructivité). * * * # Indices de rétention et chromatographie liquide à haute performance (HPLC) Ce chapitre aborde les indices de rétention utilisés pour caractériser les composés en chromatographie, puis détaille la chromatographie liquide à haute performance (HPLC), incluant son appareillage, ses phases stationnaires et mobiles, ainsi que les détecteurs associés. ### 8.1 Indices de rétention Les indices de rétention sont des grandeurs permettant de caractériser un composé de manière plus générale que son temps de rétention. La droite de Kovats est établie en injectant une série homologue de n-alcanes sur une colonne maintenue en régime isotherme, suivant l'équation [48](#page=48): $\\log(t\_R(n)) - t\_M = a \\cdot n + b$ [48](#page=48). où $t\_R(n)$ est le temps de rétention de l'alcane ayant $n$ atomes de carbone, et $t\_M$ est le temps mort (temps nécessaire pour qu'un composé non retenu traverse la colonne). La pente ($a$) de cette droite dépend de la colonne et des conditions expérimentales [48](#page=48). Le calcul de l'indice de rétention de Kovats ($I\_X$) d'un composé $X$ se fait en co-injectant ce composé avec une série de n-alcanes, sans modifier les conditions de l'appareil. L'indice $I\_X$ correspond au nombre apparent d'atomes de carbone de l'alcane théorique ayant le même temps de rétention réduit que $X$ ($n\_X$). Il existe deux méthodes pour calculer $n\_X$ [49](#page=49): a) Utiliser l'équation de la droite de Kovats. b) Calculer $I\_X$ à partir des temps de rétention réduits ($t'\_R$) des deux n-alcanes ($n$ et $n+1$ atomes de carbone) qui encadrent $X$ sur le chromatogramme : $I\_X = 100 \\cdot n + 100 \\cdot \\frac{\\log(t'\_R(X)) - \\log(t'\_R(n))}{\\log(t'\_R(n+1)) - \\log(t'\_R(n))}$ [49](#page=49). Le temps de rétention réduit est défini comme $t'\_R = t\_R - t\_M$. > **Tip:** L'utilisation des indices de rétention permet une comparaison des résultats entre différents laboratoires, à condition que les conditions chromatographiques soient similaires [48](#page=48). ### 8.2 Chromatographie liquide à haute performance (HPLC) La chromatographie liquide à haute performance (HPLC) est une technique d'analyse chromatographique développée à partir des années 1960, notamment avec l'utilisation de supports de 5-10 micromètres. Elle permet des séparations efficaces grâce à l'utilisation de hautes pressions [51](#page=51) [52](#page=52). #### 8.2.1 Appareillage HPLC L'appareillage HPLC typique comprend plusieurs composants essentiels : * **Pompe:** Les pompes alternatives modernes peuvent atteindre des pressions allant jusqu'à 420 bars, avec des débits de 0.1 ml à 10 ml/mn. Elles sont conçues pour minimiser les pulsations, offrir un contrôle de débit supérieur à 0.5%, et résister à la corrosion par les solvants utilisés [54](#page=54). * **Injecteur:** L'injecteur est généralement une vanne à boucle qui permet l'introduction de l'échantillon sous forte pression dans le flux de la phase mobile [53](#page=53). * **Colonnes:** Les colonnes HPLC sont généralement fabriquées en acier inoxydable, avec des longueurs de 10 à 30 cm et des diamètres internes de 4 à 10 mm. Elles contiennent des particules de phase stationnaire de 5 à 10 µm, permettant d'atteindre des efficacités de 40 000 à 60 000 plateaux par mètre. Des microcolonnes existent également, plus courtes et de plus petit diamètre, offrant une efficacité encore plus élevée (jusqu'à 100 000 plateaux/mètre) [55](#page=55). * **Système de détection:** Divers détecteurs sont utilisés en HPLC, notamment les photomètres (utilisant des longueurs d'onde spécifiques comme 254 ou 280 nm), les détecteurs à barrettes de diodes (permettant d'obtenir un spectre complet) et les réfractomètres (répondant à tous les solutés, mais plutôt utilisés en mode isocratique) [61](#page=61). #### 8.2.2 Elution et phases mobiles L'élution en HPLC implique la circulation de la phase mobile à travers la colonne pour entraîner les analytes. Les phases mobiles peuvent être sous deux formes principales [53](#page=53): * **Élution isocratique:** La composition du mélange de solvants est constante tout au long de l'analyse [53](#page=53). * **Gradient d'élution (programmation de solvant):** La composition du mélange de solvants varie pendant l'analyse, permettant d'améliorer la séparation de composés ayant des polarités très différentes. Le dégazage et la filtration de la phase mobile sont des étapes importantes avant leur utilisation [53](#page=53). Le choix de la phase mobile dépend de la polarité de la phase stationnaire et des analytes. * **Chromatographie en phase normale:** Utilise une phase stationnaire polaire et une phase mobile peu polaire. Les composés moins polaires sont élués en premier, et une augmentation de la polarité de la phase mobile accélère leur élution [59](#page=59). * **Chromatographie en phase inversée (RP-HPLC):** C'est la technique la plus courante, utilisant une phase stationnaire peu polaire et une phase mobile polaire (souvent des mélanges eau/méthanol ou eau/acétonitrile). L'ordre d'élution est inversé par rapport à la phase normale. Les composés peu polaires sont retenus plus longtemps. Les composés polaires sont peu retenus sur la phase stationnaire RP, rendant leur séparation parfois difficile sans gradient d'élution [59](#page=59). Il est également possible de séparer les énantiomères en utilisant une phase mobile avec un sélecteur chiral ou en choisissant une phase stationnaire chirale [59](#page=59). > **Tip:** Le gradient d'élution est une alternative puissante à la programmation de température pour améliorer la séparation [56](#page=56). #### 8.2.3 Phases stationnaires Les phases stationnaires en HPLC sont conçues pour interagir avec les analytes et permettre leur séparation. Les matériaux utilisés se présentent sous forme de : * **Microsphères monodisperses:** Particules sphériques de taille uniforme, généralement entre 1 et 12 µm [57](#page=57). * **Solides poreux de type monolithe:** Matériaux continus comportant des macropores (quelques micromètres) pour la circulation de la phase mobile et des mésopores (quelques nanomètres) créant une grande surface de contact (plusieurs m²/g) [57](#page=57). Le gel de silice est un précurseur très utilisé dans l'élaboration des phases stationnaires actuelles. Il s'agit d'un polymère inorganique réticulé, amorphe, portant des groupements silanols (Si-OH), dont le mécanisme d'action repose sur l'adsorption. Cependant, la polarité excessive du gel de silice peut être problématique pour certaines applications. Pour réduire cette polarité, on rend le gel de silice hydrophobe par greffage de molécules organiques de polarité choisie, comme pour les phases RP-8 et RP-18 (polyvalentes) ou des phases spécifiques comme celles à base de nitrile, cyanopropyle, benzyle, cyclodextrines ou polysaccharides. Dans le cas des phases stationnaires greffées, le processus de séparation est basé sur les coefficients de partage plutôt que sur les coefficients d'adsorption [57](#page=57) [58](#page=58). #### 8.2.4 Influence de la température La température de la colonne est un facteur important influençant la séparation. La relation entre la constante d'équilibre ($K$) et la température ($T$) est décrite par l'équation [56](#page=56): $\\ln K = \\frac{a}{T} + b$ [56](#page=56). Lorsque la température augmente : * La viscosité de la phase mobile diminue, réduisant ainsi la perte de charge dans la colonne [56](#page=56). * Le temps d'analyse diminue et l'asymétrie des pics est réduite [56](#page=56). * Un gradient de température peut être utilisé comme alternative à un gradient de solvant pour améliorer les séparations [56](#page=56). #### 8.2.5 Choix des phases mobiles et stationnaires Le choix des phases mobiles (PM) et stationnaires (PS) est crucial pour une séparation chromatographique réussie. En général, on adapte la polarité de la PS à celle de l'analyte et on utilise une PM dont la polarité est très différente. L'ordre croissant de polarité des groupements fonctionnels organiques est généralement le suivant [60](#page=60): Hydrocarbures aliphatiques < Oléfines < Hydrocarbures aromatiques < Halogénures < Sulfures < Éthers < Nitrodérivés < Esters $\\approx$ Aldéhydes $\\approx$ Cétones < Alcools $\\approx$ Amines < Sulfones < Sulfoxydes < Amides < Acides carboxyliques < Eau [60](#page=60). > **Example:** Pour séparer des composés peu polaires, on utilisera une phase stationnaire de type RP (peu polaire) avec une phase mobile contenant une forte proportion de solvant organique (moins polaire que l'eau). Inversement, pour des composés polaires, une phase stationnaire polaire avec une phase mobile polaire sera privilégiée. * * * ## Erreurs courantes à éviter * Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens * Portez attention aux formules et définitions clés * Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section * Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Chromatographie | Méthode analytique séparative qui permet l'identification et le dosage des différents composés d'un mélange, basée sur l'entraînement d'un échantillon par une phase mobile au contact d'une phase stationnaire. | | Phase mobile | Le fluide (gaz ou liquide) qui entraîne l'échantillon à travers la phase stationnaire dans une technique chromatographique. | | Phase stationnaire | La substance (solide ou liquide immobilisé sur un support) qui est fixe dans la colonne ou sur une surface plane, et avec laquelle les composés de l'échantillon interagissent différemment. | | Éluant | Substance utilisée comme phase mobile pour entraîner l'échantillon à travers la phase stationnaire. | | Chromatogramme | Représentation graphique du signal d'un détecteur en fonction du temps ou du volume élué, montrant les pics correspondant aux différents solutés séparés. | | Pic | Représentation graphique de la sortie d'un soluté spécifique du système chromatographique, généralement sous forme d'une courbe asymétrique. | | Temps de rétention (tR) | Durée nécessaire pour qu'un soluté traverse la colonne chromatographique et atteigne le détecteur, mesurée entre le moment de l'injection et la sortie du pic. | | Temps mort (tM) | Temps nécessaire à la phase mobile pour traverser la colonne sans interaction avec la phase stationnaire, représentant le temps de passage d'une espèce non retenue. | | Coefficient de distribution (K) | Rapport des concentrations d'un soluté dans la phase stationnaire et la phase mobile à l'équilibre, indiquant l'affinité d'un soluté pour la phase stationnaire. Il est aussi appelé coefficient de partition. | | Facteur de capacité (k') | Rapport du temps passé par un soluté dans la phase stationnaire au temps passé dans la phase mobile, il quantifie la rétention d'un soluté et est directement lié au coefficient de distribution. | | Facteur de sélectivité (α) | Rapport des facteurs de capacité de deux solutés adjacents, il mesure la capacité de la colonne à séparer ces deux composés. | | Efficacité de la colonne | Mesure de la capacité d'une colonne à produire des pics étroits, généralement exprimée par le nombre de plateaux théoriques (N) ou la hauteur équivalente à un plateau théorique (H). | | Nombre de plateaux théoriques (N) | Paramètre théorique utilisé pour évaluer l'efficacité d'une colonne chromatographique, représentant le nombre de séparations idéales qui se produisent le long de la colonne. | | Hauteur équivalente à un plateau théorique (H ou HEPT) | Longueur de colonne qui correspond à un plateau théorique, une H plus faible indique une colonne plus efficace. | | Facteur de résolution (R) | Indice quantitatif qui mesure l'aptitude d'une colonne à séparer deux analytes adjacents, en tenant compte de leurs temps de rétention et de leurs largeurs de pics. | | Équation de Van Deemter | Relation décrivant la hauteur équivalente à un plateau théorique (H) en fonction de la vitesse linéaire de la phase mobile (u) et des différents mécanismes d'élargissement des pics (diffusion, transfert de masse). | | Gaz vecteur | Le gaz utilisé comme phase mobile en chromatographie en phase gazeuse, tel que l'hélium, l'azote ou l'hydrogène. | | Phase stationnaire liquide (PS liquide) | Une couche de liquide immobilisée sur un support solide ou directement sur la paroi interne d'une colonne capillaire, utilisée en chromatographie en phase gazeuse. | | Détecteur à ionisation de flamme (FID) | Un détecteur couramment utilisé en CPG qui ionise les composés organiques dans une flamme d'hydrogène, générant un courant électrique proportionnel à la quantité de substance analysée. | | Détecteur à conductivité thermique (catharomètre) | Un détecteur universel qui mesure les variations de conductivité thermique d'un flux gazeux, permettant de détecter la présence de la plupart des composés, y compris les inorganiques. | | Chromatographie en phase normale (CPN) | Technique chromatographique où la phase stationnaire est polaire et la phase mobile est peu polaire, permettant l'élution des composés les moins polaires en premier. | | Chromatographie en phase inversée (RP-HPLC) | Technique chromatographique où la phase stationnaire est peu polaire (souvent des phases greffées sur gel de silice) et la phase mobile est polaire (mélange eau/solvant organique), permettant l'élution des composés les plus polaires en premier. | | Isocratique | Mode d'élution en chromatographie où la composition de la phase mobile reste constante tout au long de la séparation. | | Gradient d'élution | Mode d'élution en chromatographie où la composition de la phase mobile est modifiée au cours de la séparation, généralement en augmentant sa force d'élution pour améliorer la séparation de composés avec des affinités très différentes. |

# Spectroscopische methodes en het elektromagnetisch spectrum Spectroscopische methoden zijn analytische technieken die gebaseerd zijn op de interactie tussen elektromagnetische straling en materie, waarbij absorptie of emissie van straling wordt gemeten [4](#page=4). ### 1.1 Inleiding tot spectroscopische methoden Spectroscopische methoden vormen een belangrijke groep analytische technieken die gebruikmaken van de wisselwerking tussen elektromagnetische straling (EM-straling) en materie. Deze interactie kan leiden tot absorptie of emissie van straling door een stof. In de spectrometrie wordt óf de absorptie óf de emissie van straling door een staal geregistreerd. Men kan onderscheid maken tussen moleculaire spectrometrie, waarbij een verbinding het analyt is, en atomaire spectrometrie, waarbij atomen worden geanalyseerd. Om deze wisselwerking te begrijpen, is kennis van de eigenschappen van EM-straling essentieel [4](#page=4). ### 1.2 Het elektromagnetisch spectrum en het lichtspectrum #### 1.2.1 Soorten elektromagnetische straling (EM) Het elektromagnetisch spectrum wordt opgesplitst op basis van de energie-inhoud van de straling, waaronder gammastraling, röntgenstralen (X-stralen), ultraviolette stralen, zichtbaar licht, infraroodstralen, microgolven en radiogolven. Alleen een klein deel van dit spectrum is voor de mens zichtbaar als kleur, wat het zichtbare licht wordt genoemd [4](#page=4). Het zichtbare licht kan, op basis van golflengte, worden onderverdeeld in: * **Ultraviolet (UV) licht:** 190 nm – 380 nm [5](#page=5). * **Zichtbaar licht:** 380 nm – 780 nm [5](#page=5). * **Infrarood (IR) licht:** 800 nm – 25000 nm [5](#page=5). Het zichtbare licht zelf wordt verder onderverdeeld in kleuren op basis van hun golflengte: violet (< 400 nm), indigo, blauw, groen, geel, oranje en rood (> 800 nm) [5](#page=5). Twee kleuren licht die samen wit licht vormen, worden complementair genoemd [5](#page=5). #### 1.2.2 Eigenschappen van elektromagnetische straling Elektromagnetische straling kan worden benaderd vanuit een golfkarakter (wat blijkt uit reflectie, refractie, diffractie en interferentie) en vanuit een deeltjeskarakter (kwantumtheorie), wat de emissie- en absorptie-eigenschappen beter verklaart. De ware natuur van straling blijft echter onbekend [5](#page=5). **Licht als golfverschijnsel:** * **Polarisatievlak:** Het vlak waarin het elektrische veld van de EM-straling varieert. Niet-gepolariseerd licht heeft golven met verschillende polarisatierichtingen, terwijl vlak gepolariseerd licht alle polarisatierichtingen gelijk heeft [5](#page=5) [6](#page=6). * **Amplitude ($A$):** De maximale sterkte of grootte van het wisselende elektrische veld [6](#page=6). * **Intensiteit ($I$):** De hoeveelheid energie die per tijdseenheid een loodrechte doorsnede van de bundel passeert. De intensiteit is evenredig met het kwadraat van de amplitude ($I \propto A^2$) [6](#page=6). * **Frequentie ($\nu$):** Het aantal golven per tijdseenheid, uitgedrukt in Hertz (Hz = s⁻¹) [7](#page=7). * **Voortplantingssnelheid ($c$):** De afstand die de straling per tijdseenheid aflegt. In vacuüm is dit ongeveer $2,998 \times 10^8$ m.s⁻¹ [7](#page=7). * **Golflengte ($\lambda$):** De afstand afgelegd door één volledige trilling. De eenheid is meter, maar praktischer zijn nanometer (nm = 10⁻⁹ m), micrometer (µm = 10⁻⁶ m) en Ångström (Å = 10⁻¹⁰ m) [7](#page=7). * **Trillingstijd of periode ($T$):** De tijd nodig voor één volledige golfbeweging. Dit is het omgekeerde van de frequentie ($T = 1/\nu$) [7](#page=7). De relatie tussen deze parameters is: $$c = \frac{\lambda}{T} = \nu \lambda$$ Hieruit volgt dat als de golflengte toeneemt, de frequentie afneemt, en vice versa. De frequentie kan ook worden uitgedrukt als $\nu = c/\lambda$ [7](#page=7). * **Golfgetal ($\bar{\nu}$):** Het aantal golven per lengte-eenheid (meestal per cm of per meter). Wordt vaak gebruikt in IR-spectrofotometrie. $\bar{\nu} = 1/\lambda$ [7](#page=7). **Licht als stroom van energiedeeltjes (kwanta/fotonen):** De intensiteit van een lichtbundel kan ook worden gezien als een stroom van energiedeeltjes, kwanta of fotonen genoemd [8](#page=8). De energie ($E$) van een foton is evenredig met de frequentie ($\nu$) van de straling, volgens de wet van Planck: $$E = h\nu$$ waarbij $h$ de constante van Planck is ($h = 6,625 \times 10^{-34}$ J.s). De energie van een foton neemt dus evenredig toe met de frequentie en omgekeerd evenredig met de golflengte. Deze formule kan ook worden geschreven als $E = hc/\lambda$ [8](#page=8). #### 1.2.3 Interactie tussen materie en straling: absorptie Materie bestaat uit moleculen, atomen of ionen. Deze deeltjes bewegen en hebben kinetische energie, waarvan de gemiddelde waarde afhangt van de temperatuur. Daarnaast bezitten ze potentiële energie. Voor atomen wordt deze bepaald door de elektronenverdeling, en voor moleculen door de positie van elektronen en atomen. De potentiële energie van atomen en moleculen is gekwantiseerd, wat betekent dat deze alleen bepaalde discrete waarden kan aannemen, de energieniveaus [8](#page=8). Wanneer elektromagnetische straling materie treft, kunnen de deeltjes deze straling absorberen. De energie van de fotonen wordt dan overgedragen aan de materie, waardoor de deeltjes naar een hogere potentiële energietoestand gaan. Dit proces kan worden voorgesteld als [9](#page=9): `atoom + hν → atoom*` waarbij `atoom*` een aangeslagen of geëxciteerde toestand aangeeft [9](#page=9). Energieopname is alleen mogelijk als de fotonenergie precies overeenkomt met het energieverschil ($\Delta E$) tussen twee energieniveaus. Als een atoom van een lage energietoestand ($E_0$, de grondtoestand) naar een hogere energietoestand ($E_1$) gaat, is de geabsorbeerde fotonenergie [9](#page=9): $$\Delta E = E_1 - E_0 = h\nu$$ De energieverschillen tussen energieniveaus zijn uniek voor elke stof. Door de geabsorbeerde golflengtes te bestuderen (absorptiespectrum), kan een stof worden geïdentificeerd [9](#page=9). **Atoomspectra:** De elektronenconfiguratie van een natriumatoom in de grondtoestand is bijvoorbeeld Na: $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$. Bij absorptie kan een elektron van een lager naar een hoger energieniveau springen. De excitatie van een laag-energetisch elektron (bv. 1s) vereist fotonen met zeer hoge energie (bv. X-stralen). Zichtbaar licht of UV-stralen kunnen leiden tot de overgang van het 3s-elektron naar een hoger niveau. Dit resulteert in een lijnenspectrum, gekenmerkt door intense absorptiepieken voor specifieke overgangen (bv. van 3s naar 3p) [10](#page=10). **Molecuulspectra:** De absorptie van EM-straling door moleculen is complexer dan bij atomen vanwege het grotere aantal mogelijke potentiële energietoestanden. De totale energie van een molecuul ($E_{tot}$) is de som van elektronische energie ($E_{el}$), vibratie-energie ($E_{vib}$) en rotatie-energie ($E_{rot}$) [10](#page=10). $$E_{tot} = E_{el} + E_{vib} + E_{rot}$$ Deze energievormen zijn ook gekwantiseerd [10](#page=10). Absorptie van straling kan leiden tot: * Sprong van een elektron naar een hoger energieniveau ($\Delta E_{el}$). * Verhoging van de vibratie-energie van de atomen ($\Delta E_{vib}$). * Verhoging van het rotatie-energieniveau ($\Delta E_{rot}$). Hierbij geldt de relatie: $\Delta E_{el} \gg \Delta E_{vib} \gg \Delta E_{rot}$ [11](#page=11). * Absorptie die voornamelijk rotaties bepaalt, vindt plaats in het verre infrarood [11](#page=11). * Absorptie door vibraties vindt plaats in het infrarood [11](#page=11). * Elektronenexcitatie vindt plaats met zichtbaar of ultraviolet licht [11](#page=11). Vaak treden deze absorpties gecombineerd op. Rotatie-absorptie treedt voornamelijk op bij moleculen in gasvorm. Voor opgeloste stoffen beperkt de interactie met de omgeving de vrije rotatie, waardoor voornamelijk vibratie- en elektronenexcitatie het absorptiespectrum bepalen. Dit resulteert in veel absorptielijnen met kleine golflengteverschillen, wat leidt tot een continu verlopend spectrum of een bandenspectrum, in plaats van een lijnenspectrum. Het absorptiespectrum van bijvoorbeeld KMnO₄ is continu, maar vertoont wel pieken die ontstaan door extra vibratie-overgangen [11](#page=11). --- # Moleculaire spectroscopie: UV-Vis, Fluorescentie en Infrarood Dit hoofdstuk introduceert drie belangrijke moleculaire spectroscopische technieken: UV-Vis, fluorescentie en infraroodspectrometrie, waarbij de principes, apparatuur en toepassingen worden behandeld [13](#page=13). ### 2.1 UV-vis spectrometrie UV-Vis spectrometrie maakt gebruik van het golflengtegebied van ongeveer 250 nm tot 1000 nm, waarvan 380-780 nm zichtbaar licht is en kortere golflengten ultraviolet (UV) licht zijn [13](#page=13). #### 2.1.1 De wet van Lambert-Beer De wet van Lambert-Beer beschrijft de relatie tussen de absorptie van licht door een oplossing en de concentratie van de opgeloste stof. De intensiteit van het uitgaande licht ($I_t$) is gerelateerd aan de invallende lichtintensiteit ($I_0$) en de absorptie door de oplossing via de volgende relaties: * $I_0 = I_a + I_t + I_r + I_s$, waarbij $I_a$ de geabsorbeerde intensiteit is, $I_t$ de getransmitteerde intensiteit, $I_r$ de gereflecteerde intensiteit, en $I_s$ de verstrooide intensiteit [13](#page=13). * Om ongewenste verliezen te compenseren, wordt de intensiteit gemeten ten opzichte van een blanco oplossing ($I_0'$), waardoor $I_0' = I_a + I_t$ [13](#page=13). De **wet van Lambert** beschrijft de relatie tussen de intensiteit van het licht en het lichtpad ($b$): $$I_t = I_0 \cdot 10^{-kb c}$$ Hierin is $k$ een constante [14](#page=14). De **transmissie** ($T$) en **procentuele transmissie** ($T\%$) worden gedefinieerd als: $$T = \frac{I_t}{I_0}$$ $$T\% = \frac{I_t}{I_0} \times 100\%$$ De **absorptie** ($A$), ook wel absorbantie of extinctie genoemd, is: $$A = -\log T = \log \frac{I_0}{I_t}$$ Dit leidt tot: $$A = k' b c$$ [14](#page=14). De **wet van Beer** beschrijft de relatie tussen absorptie en concentratie ($C$): $$A = k_2 \cdot C$$ [15](#page=15). Het combineren van beide wetten geeft: $$A = k \cdot b \cdot C$$ Afhankelijk van de eenheden van concentratie en lichtpad, wordt de evenredigheidsconstante anders benoemd: * **Specifieke absorptiecoëfficiënt ($a$)**: wanneer $C$ in g/L en $b$ in cm. De eenheid is $cm^{-1} \cdot g^{-1} \cdot L$. $$A = a \cdot b \cdot C$$ [15](#page=15). * **Molaire absorptiecoëfficiënt ($\epsilon$)**: wanneer $C$ in mol/L. $$A = \epsilon \cdot b \cdot C$$ Hierbij geldt $\epsilon = a \cdot M$, waarbij $M$ de molaire massa is [15](#page=15). De wet van Lambert-Beer is alleen geldig onder de volgende voorwaarden: * Monochromatisch licht [15](#page=15). * "Optisch lege" vloeistoffen (geen lichtverstrooiende deeltjes) [15](#page=15). * Constante temperatuur (en pH) [15](#page=15). * Niet te geconcentreerde oplossingen [15](#page=15). In de farmaceutische chemie wordt de term $A_{1cm}^{1\%}$ gebruikt, wat de absorptie is van een 1% (m/V) oplossing bij een lichtpad van 1 cm, gemeten bij een specifieke golflengte [16](#page=16). #### 2.1.2 Apparatuur Een spectrofotometer bestaat uit de volgende basisonderdelen: 1. **Lichtbron**: * **Continue bronnen**: zenden licht uit over een breed golflengtegebied. * **Lijnbronnen**: zenden specifieke golflengten uit. * Voor UV-Vis worden meestal twee continue bronnen gebruikt: een **gloeilamp** (wolfraamlamp) voor zichtbaar licht (ca. 250-2500 nm) en een **deuteriumlamp** voor UV-licht (180-375 nm) [16](#page=16) [17](#page=17). * Eisen aan lichtbronnen: voldoende intensiteit, continu spectrum in het gebruiksgebied, en stabiliteit [16](#page=16). 2. **Golflengteselectie**: * Vereist **monochromatisch licht** (één golflengte) [17](#page=17). * **Filters**: * **Absorptiefilters**: absorberen een deel van het spectrum (bv. gekleurd glas). Grote bandbreedte (30-250 nm) [18](#page=18). * **Interferentiefilters**: gebaseerd op reflectie en interferentie. Kleinere bandbreedte [18](#page=18). * **Monochromators**: splitsen licht op in samenstellende golflengten en laten een selectief deel door. Worden gebruikt voor continu variëren van golflengte (scannen) [18](#page=18). * **Prisma's**: dispergeren licht gebaseerd op golflengteafhankelijke brekingsindex [19](#page=19). * **Roosters**: gebaseerd op diffractie en interferentie. Czerny-Turner opstelling (met spiegels en rooster) is veelgebruikt [19](#page=19) [20](#page=20). * De spectrale bandbreedte ($\Delta \lambda$) wordt bepaald door de slitbreedte [20](#page=20). 3. **Cuvettenhuis met cuvetten**: * Cuvetten zijn recipiënten voor de oplossing [20](#page=20). * Materiaal: glas, kwarts (voor UV), kunststof (bv. acrylaten) [20](#page=20). * Weglengte meestal 1 cm [20](#page=20). * Voor fluorimetrie zijn vier gepolijste zijden nodig [20](#page=20). 4. **Detector**: * Zet lichtenergie om in elektrische energie [20](#page=20). * **Fotocel**: zet licht om in een stroom evenredig aan de intensiteit [21](#page=21). * **Fotovermenigvuldigingsbuis (PMT)**: versterkt de oorspronkelijke stroom tot 10^6 maal. Werkt boven 600 nm niet meer [21](#page=21). * **Si-photodiodes**: bestaan uit p- en n-type halfgeleiders. De 'uitputtingszone' reageert op licht. Detecteert golflengtes van ca. 190-1000 nm [21](#page=21) [22](#page=22). * **Diode arrays**: grote aantallen kleine Si-photodiodes (bv. 4096) die spectraal gevoelig zijn in kleine bandbreedtes, maken momentane spectrumopname mogelijk [22](#page=22). 5. **Meetversterker met uitlezing**: * Resultaten kunnen analoog of digitaal geregistreerd worden als absorptie ($A$) of procent transmissie ($T\%$) [22](#page=22). * Sommige apparaten kunnen direct concentraties aflezen indien de richtingscoëfficiënt ($\epsilon$) is ingesteld [22](#page=22). #### 2.1.3 Toepassingen * **Opname van het absorptiespectrum**: * Het absorptiespectrum toont absorptiewaarden over een golflengtegebied. De golflengte met maximale absorptie is de **werkgolflengte** [23](#page=23). * Voorbeeld: Fe$^{2+}$ met fenantroline vormt een rood complex met maximale absorptie rond 530-550 nm [23](#page=23). * **Kwantitatieve bepaling**: 1. Bereiden van een stockoplossing en daaruit een standaardreeks van verdunde oplossingen [23](#page=23). 2. Optioneel: een kleurreactie veroorzaken om voldoende kleurverschil te verkrijgen [23](#page=23). 3. Opnemen van het absorptiespectrum om de werkgolflengte te bepalen (vaak reeds gegeven in procedures) [23](#page=23). 4. Meten van de standaardreeks en onbekende stalen bij de werkgolflengte [23](#page=23). 5. Verifiëren of de absorptiewaarden van de onbekenden binnen het lineaire bereik van de ijkcurve vallen [23](#page=23). 6. Berekenen van de concentratie met de wet van Beer [23](#page=23). * **Wiskundige berekening**: * De molaire absorptiecoëfficiënt ($\epsilon$) kan berekend worden uit de standaardreeks: $c = A / (\epsilon \cdot b)$ [24](#page=24). * Voor onbekende oplossingen geldt: $c = A / (\epsilon \cdot b)$ [24](#page=24). * De absorptiewaarden van de onbekende oplossingen moeten tussen die van de laagste en hoogste standaard liggen; zo niet, moet de onbekende oplossing verdund worden [24](#page=24). * **Grafische bepaling (ijkcurve)**: * Concentraties op de x-as, absorptiewaarden op de y-as. Verkrijgt een lineaire regressierechte ($y = ax + b$) [24](#page=24). * Concentratie van onbekende kan berekend worden met de regressievergelijking: $x_{onbekend} = (y_{onbekend} - b) / a$ [24](#page=24). * **Meercomponentenanalyse**: * De totale absorptie bij een golflengte is de som van de absorpties van individuele componenten: $A_{\lambda 1} = (A_1 + A_2)_{\lambda 1} = (\epsilon_1 \cdot b \cdot c_1 + \epsilon_2 \cdot b \cdot c_2)_{\lambda 1}$ [25](#page=25). * Voor de bepaling van meerdere componenten zijn metingen bij meerdere golflengten nodig om stelsels van vergelijkingen op te lossen [25](#page=25). * Voorbeeld: Analyse van een mengsel van stof A en B bij 450 nm en 600 nm met bekende $\epsilon$ waarden [25](#page=25). * **Fotometrische titraties**: * Worden gebruikt om eindpunten te bepalen door veranderingen in absorptie [26](#page=26). * Een meetcel wordt in de oplossing ondergedompeld [26](#page=26). * De titratiecurve toont absorptie versus toegevoegd volume titrans en bestaat uit twee rechte lijnen met verschillende hellingen [26](#page=26). * Worden toegepast bij titraties met moeilijk zichtbare eindpunten (bv. complexometrie) [26](#page=26). ### 2.2 Fluorescentiespectrometrie (fluorimetrie) Fluorescentie is een vorm van luminescentie waarbij moleculen geabsorbeerde energie weer uitzenden als licht, typisch 10$^{-8}$ tot 10$^{-4}$ s na absorptie [27](#page=27). #### 2.2.1 Principe * Moleculen die straling absorberen gaan naar een hogere energietoestand. Ze kunnen deze energie kwijtraken door: * Stralingsloze desactivatie (omzetting in kinetische energie) [27](#page=27). * Emissie van licht (luminescentie: fluorescentie, fosforescentie) [27](#page=27). * Fotochemische reactie [27](#page=27). * **Jablonski-diagram**: illustreert de overgangen tussen energieniveaus (S$_0$, S$_1$, S$_2$ voor singlets; T$_1$ voor tripletten) en vibrationele niveaus [27](#page=27). * **Interne conversie (IC) / Vibrationele relaxatie (VR)**: snelle, stralingsloze overgang naar lagere vibrationele niveaus binnen dezelfde elektronische toestand [27](#page=27). * **Fluorescentie**: emissie van licht van een geëxciteerde singlettoestand (S$_1$) naar de grondtoestand (S$_0$) [28](#page=28). * **Intersystem crossing (ISC)**: overgang van een singlettoestand (S$_1$) naar een triplettoestand (T$_1$) [28](#page=28). * **Fosforescentie**: emissie van licht van een triplettoestand (T$_1$) naar de grondtoestand (S$_0$). Vaak bij moleculen met zware atomen [28](#page=28). #### 2.2.2 Absorptie en emissie * Er zijn twee spectra geassocieerd: * **Absorptie- of excitatiespectrum**: absorptie als functie van golflengte [28](#page=28). * **Emissiespectrum**: fluorescentie-intensiteit als functie van golflengte [28](#page=28). * **Stokes' shift**: de emissie vindt meestal plaats bij lagere energieën (langere golflengten) dan de absorptie door vibrationele relaxatie [28](#page=28). * Meestal hetzelfde emissiespectrum bij verschillende excitatiegolflengten [28](#page=28). * Emissiespectra zijn vaak een spiegelbeeld van de absorptiespectra (bv. fluoresceïne, peryleen) [28](#page=28). #### 2.2.3 Emissie intensiteit en concentratie De fluorescentie-intensiteit ($I_f$) is recht evenredig met de concentratie ($C$) bij lage concentraties: $$I_f = k \cdot \Phi_f \cdot I_0 \cdot (1 - 10^{-abc})$$ Waarbij: * $k$: evenredigheidsfactor (instrumentafhankelijk) [29](#page=29). * $\Phi_f$: kwantumopbrengst van fluorescentie [29](#page=29). * $I_0$: invallende lichtintensiteit [29](#page=29). * $a$: absorptiecoëfficiënt [29](#page=29). * $b$: cellengte [29](#page=29). * $c$: concentratie [29](#page=29). Bij lage concentraties vereenvoudigt dit tot: $$I_f \approx k'' \cdot c$$ [29](#page=29). **Let op**: **Quenching** kan de fluorescentie-intensiteit verminderen [29](#page=29). #### 2.2.4 Verband tussen structuur en fluorescentie * Fluorescentie wordt voornamelijk waargenomen in **aromatische moleculen**, vooral die met een starre, vlakke, multicyclische structuur (bv. fluoresceïne) [29](#page=29). * **Substituenten hebben invloed**: * **Elektronenpaardonoren** (-OH, -OCH$_3$, -NH$_2$, -NHR, -NR$_2$) versterken de fluorescentie [29](#page=29). * Substituenten die weinig interageren (-SO$_3$H, alkylgroepen) hebben een klein effect [29](#page=29). * **Elektronenzuigende groepen** (-COOH, -NO$_2$, -N=N-, haliden) verminderen de fluorescentie [29](#page=29). * De **pH** van oplossingen kan de fluorescentie beïnvloeden door ladingsstabilisatie [29](#page=29). #### 2.2.5 Apparatuur * Basisonderdelen zijn vergelijkbaar met UV-Vis spectrofotometers, maar de detectie vindt plaats onder een hoek van 90° ten opzichte van het invallende licht [30](#page=30). * Een fluorimeter heeft twee monochromators: * **Excitatie-monochromator**: tussen lichtbron en staal [30](#page=30). * **Emissie-monochromator**: tussen staal en detector [30](#page=30). * **Excitatie spectrum**: gemeten door de excitatiemonochromator te variëren met de emissiemonochromator vast op maximale emissie [30](#page=30). * **Emissiespectrum**: gemeten door de emissiemonochromator te variëren met de excitatiemonochromator vast op maximale absorptie [30](#page=30). * Het emissiespectrum ligt bij langere golflengten en is vaak het spiegelbeeld van het excitatiespectrum [30](#page=30). #### 2.2.6 Analytische toepassingen * Fluorescentie is een gevoelige en selectieve techniek met lage detectielimieten [30](#page=30). * Procedure voor analytische doeleinden: 1. Opname excitatiespectrum [30](#page=30). 2. Bepalen maximale excitatiegolflengte [30](#page=30). 3. Opname emissiespectrum [31](#page=31). 4. Bepalen maximale emissiegolflengte [31](#page=31). 5. Instellen van beide golflengten [31](#page=31). 6. Meten standaardoplossingen [31](#page=31). 7. Meten onbekende oplossingen [31](#page=31). ### 2.3 Infraroodspectrometrie Infrarood (IR) spectroscopie bestrijkt golflengten van 750 nm tot 300.000 nm (300 µm) en wordt onderverdeeld in: * Nabij IR: 780 nm tot 2,5 µm [32](#page=32). * Midden IR: 2,5 µm tot 50 µm [32](#page=32). * Ver IR: 50 µm tot 300 µm [32](#page=32). De term "IR spectroscopie" verwijst meestal naar het midden IR-gebied (2500 tot 250 µm) [32](#page=32). Golflengte wordt vaak aangeduid met het **golfgetal** ($\bar{\nu}$), het omgekeerde van de golflengte ($\bar{\nu} = 1/\lambda$), met eenheid cm$^{-1}$ [32](#page=32). IR-spectra worden meestal weergegeven als procentuele transmissie in functie van het golfgetal [32](#page=32). #### 2.3.1 Absorptie van infrarood straling door moleculen * Moleculen met covalente bindingen kunnen IR-straling absorberen, wat leidt tot hogere **rotationele** (gasfase, golflengte > 100 µm) en **vibrationele** (golflengte 1-100 µm) energietoestanden [32](#page=32). * Gasfasespectra tonen scherpe lijnen, terwijl vloeistof- en vaste-fasespectra bredere absorptiebanden vertonen door beperkte rotatie [32](#page=32). #### 2.2.2 Moleculaire vibraties * **Voorwaarde voor IR-absorptie**: een verandering in dipoolmoment tijdens de vibratie. Zuiver apolaire moleculen (bv. O$_2$, N$_2$) absorberen geen IR-straling [32](#page=32). * Belangrijkste vibraties: * **Rekvibraties (stretching)**: verandering in bindingslengte [32](#page=32). * Symmetrisch rek [32](#page=32). * Asymmetrisch rek [32](#page=32). * **Buigvibraties (bending)**: verandering in bindingshoek [32](#page=32). * Schaarbeweging (in-plane scissoring) [32](#page=32). * Schommelbeweging (in-plane rocking) [32](#page=32). * Wringbeweging (out-of-plane twisting) [32](#page=32). * Schudbeweging (out-of-plane wagging) [32](#page=32). * Voorbeelden: CO$_2$ en H$_2$O vibraties tonen de verschillende bewegingen. CO$_2$ is apolair, symmetrische rek is IR-inactief [33](#page=33). * **Grondtoon (fundamentele absorptie)**: overgang naar de eerste geëxciteerde vibrationele toestand [33](#page=33). * **Overtonen**: absorpties naar hogere vibrationele toestanden (2x, 3x grondtoonfrequentie), zwakker en in nabij-IR [33](#page=33). * **Combinatiebanden**: optelling van frequenties van meerdere fundamentele vibraties [33](#page=33). * **Factoren die vibratiefrequentie beïnvloeden**: * **Bindingsterkte en -lengte**: sterkere/kortere bindingen geven hogere energie [33](#page=33). * **Massa van atomen**: grotere massa's geven lagere energie [33](#page=33). * **Hybridisatie, conjugatie/aromaticiteit**: beïnvloeden bindingseigenschappen [33](#page=33). * Verschillende functionele groepen absorberen bij karakteristieke frequenties (bv. C=O rond 1700 cm$^{-1}$). De exacte frequentie kan variëren door de chemische omgeving (bv. ester: 1740 cm$^{-1}$, keton in benzofenon: 1700 cm$^{-1}$) [33](#page=33) [34](#page=34). #### 2.3.3 Het mid-infraroodspectrum en structuur * **Groepsvibraties/groepsfrequenties**: absorpties karakteristiek voor functionele groepen, meestal in het gebied 4000-1300 cm$^{-1}$. Ook de intensiteit is kenmerkend [34](#page=34). * **Skeletvibraties**: vibraties waarbij bijna alle atomen van het molecuul betrokken zijn, bevinden zich in het gebied 1300-600 cm$^{-1}$. Dit gebied vormt het **fingerprint-gebied**, uniek voor elk molecuul [34](#page=34). * Structuuranalyse vereist kennis van karakteristieke absorpties en vergelijking met referentiedata (visueel of computergestuurd) [35](#page=35). * IR-spectroscopie is ook nuttig voor het volgen van chemische reacties [35](#page=35). #### 2.3.4 Apparatuur Twee typen spectrofotometers voor midden-IR: * **Dispersieve IR spectrofotometer**: * Dubbelstraalinstrument met een monochromator [35](#page=35). * IR-stralingsbron: gloeispiraal (bv. nikkelchroom) of siliciumcarbide staafje [35](#page=35). * Optische elementen (lenzen, prisma's) mogen niet van glas of kwarts zijn voor golflengten > 3.5 µm; spiegels worden gebruikt [35](#page=35). * Cuvettenmateriaal: zouten zoals kaliumbromide (KBr), cesiumchloride (CsCl), natriumchloride (NaCl). Water moet vermeden worden [35](#page=35). * Detectoren: gebaseerd op warmteontwikkeling (bv. temperatuursgevoelige weerstand) of halfgeleiders (duur) [35](#page=35). * **Fourier-transformatie-IR-spectrometrie (FTIR)**: * Snellere meting (één keer opnemen spectrum) en hogere signaal-ruisverhouding [36](#page=36). * Bevat een **interferometer** (vervangt monochromator) en een computer voor analyse met Fourier-transformatie [36](#page=36). * Werkt volgens een enkelstraalprincipe [36](#page=36). * **Michelson interferometer**: splitst lichtbundel, na terugkaatsing worden bundels verenigd; interferentiepatroon geeft informatie over weglengteverschillen [36](#page=36). * In FTIR: één spiegel is beweegbaar. Het signaal (interferogram) tijdens spiegelbeweging bevat informatie over weglengteverschillen, golflengten en intensiteitsverschillen (absorptie) [36](#page=36) [37](#page=37). * Fourier-transformatie zet het interferogram om in een IR-spectrum (transmissie vs. golfgetal) [37](#page=37). * **Voordelen FTIR**: tijdswinst (alle frequenties tegelijk), hogere gevoeligheid (grotere bundeldiameter mogelijk), grotere nauwkeurigheid in frequentiemeting [37](#page=37). --- # Atomaire spectrometrie: AAS, Vlamemissie en ICP Atomaire spectrometrische methoden ontbinden verbindingen tot hun atomen (atoomisatie) om vervolgens de absorptie, emissie of fluorescentie van UV-vis straling door deze gasfase-atomen te meten ter bepaling van de elementaire samenstelling van een staal [38](#page=38). ### 3.1 Inleiding De belangrijkste types atomaire spectroscopische technieken zijn: * Atomaire Absorptie Spectroscopie (AAS): gebaseerd op de absorptie van fotonen door atomen in de grondtoestand [38](#page=38). * Atomaire Emissie Spectroscopie (AES): gebaseerd op de emissie van fotonen door atomen in een aangeslagen toestand [38](#page=38). * Atomaire Fluorescentie Spectroscopie (AFS): gebaseerd op de absorptie van fotonen door atomen in de grondtoestand, gevolgd door onmiddellijke emissie van fotonen door deze atomen in de geëxciteerde toestand [38](#page=38). #### 3.1.1 Toegelaten transities van elektronen in een atoom Alleen valentie-elektronen in de buitenste schil bepalen de spectra in het UV-vis gebied. Een elektron kan een foton absorberen, naar een geëxciteerde toestand gaan, en vervolgens terugvallen naar de grondtoestand met emissie van een foton [38](#page=38). Niet alle transities tussen energieniveaus zijn toegestaan. Selectieregels bepalen welke overgangen mogelijk zijn [38](#page=38): * $\Delta l = -1$ of $+1$ (verandering in nevenkwantumgetal). Overgangen tussen s-orbitalen ($\Delta l = 0$) of van s- naar d-orbitalen ($\Delta l = 2$) zijn niet toegestaan [38](#page=38). * $\Delta m = -1$, $0$, of $+1$ (verandering in magnetisch kwantumgetal) [38](#page=38). Overgangen waarbij de grondtoestand betrokken is, zijn meestal het sterkst qua intensiteit. De resonantielijn is de lijn die overeenkomt met de overgang tussen de grondtoestand en het laagste excitatieniveau; deze is het meest intens en vereist de minste energie voor deze specifieke transitie. Voor natrium is dit bij $\lambda = \pm 590$ nm [38](#page=38) [39](#page=39). ### 3.2 Atoomabsorptie spectrofotometrie (AAS) AAS meet de absorptie van UV- of zichtbare straling door vrije atomen in de gasfase. De fotonenergie moet exact overeenkomen met het energieverschil tussen de niveaus in het vrije atoom. De vermindering in intensiteit van de invallende straling is gerelateerd aan de concentratie van vrije atomen [40](#page=40). #### 3.2.1 Atomisatie Vrije atomen moeten worden gevormd uit ionen of moleculen door het monster op hoge temperatuur te brengen. Dit proces, atomisatie, kan met vlamatomisatie (F-AAS) of elektrothermische atomisatie (GF-AAS) gebeuren. Vaste stoffen moeten eerst in oplossing worden gebracht via een ontsluitingsprocedure (digestie) [40](#page=40). Het omzetten van een oplossing naar vrije atomen verloopt via: 1. Desolvatie: verdampen van het solvent [40](#page=40). 2. Vervluchtigen van het analyt [40](#page=40). 3. Dissociatie van het analyt tot vrije atomen [40](#page=40). 4. Ionisatie (indien voldoende energie wordt toegevoegd), wat ongewenst is bij AAS [40](#page=40). #### 3.2.2 Apparatuur Een atoomabsorptiespectrometer bestaat uit: * Een lichtbron [41](#page=41). * Een atoomcel [41](#page=41). * Een monochromator [41](#page=41). * Een detector [41](#page=41). ##### De lichtbron Voor AAS zijn lichtbronnen met zeer geringe lijnbreedten essentieel, idealiter kleiner dan of gelijk aan de breedte van de absorberende spectrale lijn. Een holle kathodelamp is hiervoor geschikt [41](#page=41). **Holle kathodelamp:** * Bestaat uit een glazen omhulsel gevuld met edelgas (neon of argon), met een kathode van het te meten metaal en een anode [41](#page=41). * Een hoge spanning ioniseert het edelgas, waardoor ionen naar de kathode versnellen [41](#page=41). * Door botsingen komen metaalatomen vrij uit de kathode en raken aangeslagen [41](#page=41). * Terugval naar de grondtoestand met emissie van fotonen produceert de karakteristieke lijnen van het kathodemateriaal [41](#page=41). * Ionisatie: $Ar + e^- \rightarrow Ar^+ + 2e^-$ [41](#page=41). * Atomisatie kathode: $M_{vast} \rightarrow M_{gas}$ [41](#page=41). * Excitatie: $M_{gas} \rightarrow M_g^*$ [41](#page=41). * Emissie: $M_g^* \rightarrow M_g + h\nu$ [41](#page=41). Voordelen: scherpe emissielijnen met dezelfde golflengtes als absorptielijnen van het analyt [41](#page=41). Beperkingen: * Elk element vereist een specifieke lamp [41](#page=41). * Multi-elementlampen zijn beschikbaar maar beperkt in combinaties [41](#page=41). * Zelfabsorptie en lijnverbreding kunnen optreden bij te hoge stroomsterkte (meestal < 20 mA) [41](#page=41). * Afzetting van metaal op de wand kan de intensiteit verminderen [42](#page=42). ##### Atoomcel Hier wordt het te bepalen element omgezet in neutrale, gasvormige atomen. Hoge temperaturen (2000-5000 K) zijn nodig om bindingen te breken [42](#page=42). **Atomisatie met vlam (Vlam-AAS):** * Een monsteroplossing wordt via een verstuiver in de vlam gebracht [42](#page=42). * Een vlamatomisator bestaat uit een opzuigsysteem, verstuivingskamer, brander en vlam [42](#page=42). * De verstuivingskamer zet vloeistof om in nevel, selecteert druppels op grootte, en mengt met brandstof en gassen. Grotere druppels (> 1-5 µm) worden afgevoerd [42](#page=42). * Een gleufvormige brander verhoogt de optische weglengte, wat leidt tot hogere gevoeligheid volgens de wet van Lambert-Beer [43](#page=43). * Vlammengsels: Lucht-acetyleen bereikt circa 2500 K, zuurstof-acetyleen circa 3060 K, lachgas-acetyleen circa 3955 K [43](#page=43) [50](#page=50). * De extinctiemeting vindt plaats op de optimale meethoogte in de vlam [44](#page=44). * Gevoeligheid ligt in de ppm (µg/mL) range [44](#page=44). * Voordeel: reproduceerbaarheid [44](#page=44). * Nadelen: hoge flow rate nodig, deel van oplossing bereikt de vlam niet door druppelafvoer [44](#page=44). **Elektrothermische atomisatie met grafietoven (GF-AAS):** * Biedt hogere gevoeligheid en minder staalverbruik [44](#page=44). * Een grafietbuisje wordt geëlektrisch verhit [44](#page=44). * Monster (5-50 µl) wordt geïnjecteerd [44](#page=44). * Een meerstaps-temperatuurprogramma: 1. Drogen (110-200 °C) [44](#page=44). 2. Verassing/Pyrolyse (350-1200 °C) om matrixcomponenten te verwijderen [44](#page=44). 3. Zeer snelle temperatuurverhoging (2000-3000 °C) voor atomisatie [44](#page=44). * De oven wordt gespoeld met argongas tijdens droog- en pyrolysefasen [45](#page=45). * Voordelen: snelle atomisatie, langere residentietijd van atomen in de oven, lagere detectielimieten (ppb (ng/ml) range) [45](#page=45). * Nadeel: afname in precisie [45](#page=45). ##### Monochromator Is nodig om de analyselijn te isoleren van andere lamp-emissielijnen en vulgaslijnen. De instelbare spleetbreedte bepaalt de spectrale bandbreedte [45](#page=45). ##### Detectie Een fotomultiplier is gebruikelijk voor de detectie en versterking van straling [46](#page=46). #### 3.2.3 Toepassingen * **Welke elementen?** * Vooral metalen met absorptielijnen in het golflengtegebied 200-1000 nm [46](#page=46). * Lichtere golflengtes (< 200 nm) zijn lastig door absorptie door lucht en optische componenten [46](#page=46). * Hogere golflengtes worden beperkt door de detector (< 1000 nm voor standaard fotomultipliers) [46](#page=46). * **Kwalitatieve analyse:** Moeilijk uitvoerbaar vanwege de noodzaak voor specifieke holle kathodelampen per element [46](#page=46). * **Kwantitatieve analyse:** * Gebruikt een stockoplossing en verdunningsreeks [46](#page=46). * De wet van Lambert-Beer geldt: $A = \epsilon b c$ (vereenvoudigd, formule in document is complexer: $\frac{I_A}{I_0} = \log(\frac{1}{A}) = \epsilon b c$, waar $A$ absorptie is en $\epsilon$ de absorptiecoëfficiënt, hier aangeduid met $a$ in de formule $A = a \cdot b \cdot k \cdot c \cdot k'$ ) [46](#page=46) [47](#page=47). * $a$: atomaire absorptiecoëfficiënt [47](#page=47). * $b$: lengte van de brander [47](#page=47). * $k$: evenredigheidsfactor afhankelijk van instrument [47](#page=47). * $c$: concentratie in oplossing [47](#page=47). * $k'$: evenredigheidsconstante vastgelegd door kalibratielijn [47](#page=47). * IJking gebeurt met een blanco-oplossing en standaardreeksen [46](#page=46). ### 3.3 Vlamemissie Vlamemissie (vlamfotometrie) meet de emissie van UV- en vis-straling door atomen in een vlam [48](#page=48). #### 3.3.1 Principe vlamemissie Kinetische energie van botsingen kan valentie-elektronen naar hogere energieniveaus brengen, waardoor atomen in aangeslagen toestand komen. Slechts een fractie van de atomen is aangeslagen, volgens de Maxwell-Boltzmann verdeling [48](#page=48): $$N_i = N_0 \cdot e^{-\frac{(E_i - E_0)}{kT}}$$ Waarbij: * $N_i$: aantal atomen in aangeslagen toestand $E_i$ [48](#page=48). * $N_0$: aantal atomen in de grondtoestand $E_0$ [48](#page=48). * $k$: constante van Boltzmann ($1.38 \times 10^{-23}$ J/K) [48](#page=48). * $T$: absolute temperatuur [48](#page=48). Na verloop van tijd ontstaat een dynamisch evenwicht. Aangeslagen atomen keren terug naar de grondtoestand en zenden daarbij fotonen uit (licht). De uitgezonden energie (lichtintensiteit) is kenmerkend voor de concentratie. De meest intense lijnen komen overeen met de overgang van de eerste aangeslagen toestand naar de grondtoestand [48](#page=48) [49](#page=49). #### 3.3.2 Apparatuur Een vlamfotometer lijkt sterk op een atoomabsorptiespectrometer; een F-AAS kan vaak voor emissiemetingen gebruikt worden [49](#page=49). * **Brander-verstuiver:** Zet vloeibaar staal om in nevel/aerosol. Grotere druppels worden afgevoerd. Brandbare gasmengsels (lucht-aardgas, lucht-acetyleen, zuurstof-acetyleen, lachgas-acetyleen) voeden de brander [49](#page=49) [50](#page=50). * **Monochromator:** Selecteert de te meten golflengte met behulp van filters, prisma's of roosters [50](#page=50). * **Detectie:** Een fotocel zet het licht om in elektrisch energie [50](#page=50). * **Meetversterker en uitlezing:** Versterkt het signaal en geeft dit digitaal weer [50](#page=50). #### 3.3.3 Algemene werkwijze * **Kwalitatief:** Het volledige emissiespectrum wordt genoteerd om de aanwezigheid van specifieke golflengten en dus atomen aan te tonen [50](#page=50). * **Kwantitatief:** Een verdunningsreeks van een stockoplossing wordt gemaakt om een lineaire grafiek concentratie/uitgezonden lichtintensiteit te verkrijgen. De concentratie van onbekende stalen wordt bepaald aan de hand van de ijklijn. Bij hogere concentraties buigt de grafiek af door zelfabsorptie [51](#page=51). #### 3.3.4 Toepassingsgebied Voornamelijk voor elementen met een intens emissiespectrum, zoals alkalimetalen (Li, Na, K, Cs) en aardalkalimetalen (Ca, Mg, Sr, Ba) [51](#page=51). #### 3.3.5 Mogelijke fouten Fouten ontstaan voornamelijk door veranderingen in de vlam: * Schommelingen in gasdebiet of debietverandering in de verstuiver [51](#page=51). * Vervuiling van de brander door onvolledige verbranding [52](#page=52). * Ionisatie (vorming van positieve ionen) is ongewenst en treedt op bij te hoge temperaturen. Alkalimetalen zullen bij voorkeur een lage-temperatuurvlam gebruiken [52](#page=52). ### 3.4 Inductief gekoppeld plasma-atomaire emissie spectrometrie (ICP-AES) ICP-AES werkt vergelijkbaar met vlamemissie, maar gebruikt een plasma dat temperaturen tot 10000 K bereikt, waardoor een breder scala aan elementen geanalyseerd kan worden. Het is een multi-element techniek [52](#page=52). #### 3.4.1 Principe De monsteroplossing wordt verstuiverd en met argon als draaggas naar een inductief gekoppeld plasma geleid. In het plasma worden metalen geatomiseerd en geëxciteerd. Bij terugkeer naar de grondtoestand zenden ze lichtfotonen uit met golflengtes die karakteristiek zijn voor elk element. Kwantitatieve analyse is mogelijk door kalibratie met ijkoplossingen over een breed dynamisch meetbereik (4 tot 6 grootte-orden) [52](#page=52) [53](#page=53). #### 3.4.2 Instrumentatie Bestaat uit: * De verstuiver (zet oplossing om in aerosol, selecteert druppels < 10 µm) [52](#page=52) [53](#page=53). * De plasmatoorts: Drie concentrische kwartsbuizen waar argongas doorheen stroomt (koelgas, hulpgas, dragergas). Een watergekoelde inductiespoel met hoogfrequente wisselstroom genereert een magnetisch veld dat het plasma in stand houdt [53](#page=53). * Radiale observatie (side-on) was oorspronkelijk, maar axiale observatie (end-on) is gevoeliger maar met meer matrixeffecten [53](#page=53). * De multi-element detector: * Kan een scannende monochromator met één detector zijn [54](#page=54). * Of een CCD-detector (Charge Coupled Device) die een volledig spectrum in een bepaald golflengtegebied kan detecteren [54](#page=54). ### 3.5 Inductief gekoppeld plasma – massa spectrometrie (ICP-MS) ICP-MS is een veel gevoeliger techniek dan ICP-AES, geschikt voor sporenelementen in de ng/l niveaus. In plaats van emissie te meten, worden de geioniseerde atomen gescheiden op basis van hun massa/lading verhouding door een massaspectrometer [54](#page=54) [55](#page=55). #### 3.5.1 Principe * Het ICP-gedeelte is identiek aan ICP-AES [55](#page=55). * Atomen in het plasma zijn grotendeels geïoniseerd en aanwezig als eenwaardige kationen (bv. Cd $\rightarrow$ Cd$^+$) [55](#page=55). * De massaspectrometer scheidt kationen op basis van hun massa/lading verhouding [55](#page=55). #### 3.5.2 Instrumentatie Bestaat uit: * Verstuiver, verstuivingskamer en plasma (identiek aan ICP-AES) [55](#page=55). * Een overgang tussen het plasma (atmosferische druk) en de massaspectrometer (hoogvacuum) [55](#page=55). * De massaspectrometer en detector (ionvermenigvuldiger) [55](#page=55). * **Quadrupool massaspectrometer:** Een wisselend elektrisch veld zorgt ervoor dat alleen een welbepaalde massa een stabiel traject naar de detector maakt. Door de spanning te veranderen, kan men het massaspectrum afscannen [56](#page=56). #### 3.5.3 Analytische kenmerken van een ICP-MS apparaat * Geschikt voor multi-element analyses [56](#page=56). * Bepaalt een breed gamma van elementen met concentraties tot in het sub-µg/l gebied [56](#page=56). * Detectielimieten zijn aanzienlijk lager dan bij ICP-AES en GF-AAS, bijvoorbeeld voor Pb is dit 0.01-0.1 ppt (parts per trillion) [57](#page=57). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Spectroscopie | Een analytische methode die gebaseerd is op de interactie tussen elektromagnetische straling en materie, waarbij absorptie of emissie van straling door een monster wordt gemeten om de samenstelling en structuur ervan te bepalen. | | Elektromagnetisch spectrum (EM-spectrum) | Het volledige bereik van elektromagnetische straling, geordend naar golflengte of frequentie, inclusief gammastraling, röntgenstraling, ultraviolet, zichtbaar licht, infrarood, microgolven en radiogolven. | | Absorptie | Het proces waarbij materie energie van elektromagnetische straling opneemt, wat resulteert in een verhoging van de energietoestand van de absorberende deeltjes. | | Emissie | Het proces waarbij materie energie uitzendt in de vorm van elektromagnetische straling, meestal wanneer atomen of moleculen terugvallen van een hogere naar een lagere energietoestand. | | UV-Vis spectrometrie | Een spectroscopische techniek die de absorptie van ultraviolet en zichtbaar licht door moleculen gebruikt om hun concentratie te bepalen, gebaseerd op de wet van Lambert-Beer. | | Wet van Lambert-Beer | Een fundamentele wet in de spectrometrie die stelt dat de absorptie van licht evenredig is met de concentratie van de absorberende stof en de lengte van het lichtpad door de oplossing. | | Fluorescentiespectrometrie (fluorimetrie) | Een gevoelige spectroscopische techniek die de emissie van fluorescentie door moleculen meet nadat ze geëxciteerd zijn door absorptie van straling, vaak gebruikt voor de detectie van zeer lage concentraties. | | Infraroodspectrometrie (IR-spectrometrie) | Een techniek die de absorptie van infraroodstraling door moleculen bestudeert, waarbij de absorptie leidt tot veranderingen in de vibratie- en rotatie-energieniveaus van de moleculen. | | Atoomabsorptie Spectroscopie (AAS) | Een techniek die de absorptie van ultraviolet of zichtbare straling door vrije atomen in de gasfase meet om de elementaire samenstelling van een monster te bepalen. | | Vlamemissie (Vlamfotometrie) | Een techniek die de emissie van licht door geëxciteerde atomen in een vlam meet, gebruikt voor de kwantitatieve analyse van elementen, met name alkalimetalen en aardalkalimetalen. | | Inductief Gekoppeld Plasma (ICP) | Een techniek die een zeer heet plasma gebruikt om atomen te atomiseren en exciteren, waardoor een breed scala aan elementen met hoge gevoeligheid geanalyseerd kan worden, zoals bij ICP-AES en ICP-MS. | | ICP-AES (Inductief Gekoppeld Plasma-Atoomemissie Spectrometrie) | Een multielementaire techniek die gebruik maakt van een ICP om atomen te exciteren en vervolgens hun emissiespectrum meet, waardoor een breed scala aan elementen gelijktijdig geanalyseerd kan worden. | | ICP-MS (Inductief Gekoppeld Plasma-Massa Spectrometrie) | Een zeer gevoelige multielementaire techniek die een ICP gebruikt om atomen te ioniseren en vervolgens de verhouding tussen massa en lading van deze ionen meet met een massaspectrometer, ideaal voor het bepalen van sporenelementen. | | Monochromator | Een optisch instrument dat wit licht of polychromatische straling opsplitst in zijn samenstellende golflengten, zodat licht van een specifieke, smalle golflengteband geselecteerd kan worden voor meting. | | Cuvet | Een transparant recipiënt, meestal gemaakt van glas, kwarts of kunststof, dat gebruikt wordt om monsters (zoals oplossingen) in een spectrofotometer te plaatsen voor absorptie- of emissiemetingen. | | Fotocel | Een elektronisch apparaat dat lichtenergie omzet in elektrische energie, gebruikt als detector in spectrofotometers om de intensiteit van lichtstralen te meten. | | Kwantum | De minimale hoeveelheid energie die geabsorbeerd of uitgestoten kan worden door een atoom of molecuul, geassocieerd met een foton. | | Foton | Een elementair deeltje dat de eenheid van licht en alle andere vormen van elektromagnetische straling vertegenwoordigt; het draagt energie en heeft geen rustmassa. | | Stokes’ shift | Het fenomeen waarbij de golflengte van het uitgezonden fluorescentielicht langer is dan de golflengte van het geabsorbeerde excitatielicht, veroorzaakt door vibrationele relaxatie in de geëxciteerde toestand. | | Atomisatie | Het proces waarbij een monster, vaak in vaste vorm of oplossing, wordt omgezet in individuele atomen in de gasfase, wat een essentiële stap is in atomaire spectroscopische technieken. |

# Inleiding tot massaspectrometrie Hieronder volgt een gedetailleerde samenvatting over de inleiding tot massaspectrometrie, opgesteld als een examengericht studiemateriaal. ## 1. Inleiding tot massaspectrometrie Dit onderdeel introduceert de fundamentele concepten van massaspectrometrie, met de nadruk op het belang van gasfase-ionen en de m/z-ratio. ### 1.1 Wat is een massaspectrometer? Een massaspectrometer is een analytisch instrument dat gebruikt wordt om ionen in de gasfase te meten. Het instrument sorteert deze ionen op basis van hun massa-lading-ratio ($m/z$) met behulp van elektrische en/of magnetische velden. Het resulterende signaal wordt digitaal verwerkt, waardoor de $m/z$-waarde en de intensiteit van elk ion bepaald kunnen worden. Het is cruciaal om te onthouden dat alleen ionen in de gasfase worden gemeten. Bovendien is het de $m/z$-waarde die wordt bepaald, en niet de massa zelf [3](#page=3). ### 1.2 Ionen in massaspectrometrie Ionen zijn atomen, moleculen of fragmenten van moleculen die één of meerdere positieve of negatieve ladingen dragen. Ze ontstaan wanneer er geen balans meer is tussen het aantal protonen en elektronen in de kern. De creatie van ionen gebeurt typisch door het toevoegen of verwijderen van een proton ($H^+$), of door het verwijderen van een elektron [4](#page=4). **Adductvorming:** Het is ook mogelijk dat ionen adducten vormen met stoffen zoals natrium ($Na$), chloor ($Cl$), of ammoniak ($NH_3$) [4](#page=4). Elk ion vertelt een uniek verhaal, wat de kernsterkte van massaspectrometrie (MS) vormt [4](#page=4). ### 1.3 De m/z-ratio De m/z-waarde van een ion wordt berekend als de massa van het ion gedeeld door het aantal elektrische ladingen (zonder eenheid) [6](#page=6). De formule hiervoor is: $$ \frac{m}{z} = \frac{\text{massa van het ion}}{\text{aantal elektrische ladingen } (z)} $$ Hierin staat $m$ voor de massa, uitgedrukt in atomaire massa-eenheden (u) of Dalton (Da). Eén atomaire massa-eenheid ($u$) is gedefinieerd als 1/12 van de massa van een koolstof-12 atoom. Eenheden kunnen worden omgerekend: $1 \, u = 1.66 \times 10^{-27} \, \text{kg} = 1 \, \text{Da}$. De lading ($z$) is doorgaans één [6](#page=6). **Voorbeeld:** Bepaal de $m/z$-waarde van een molecuul met een massa van 399 Da, waarbij tijdens het ionisatieproces [6](#page=6): 1. Eén proton wordt geaccepteerd. 2. Twee protonen worden opgenomen. 3. Natrium wordt opgenomen. Dit voorbeeld illustreert hoe verschillende ionisatieprocessen leiden tot verschillende $m/z$-waarden voor hetzelfde molecuul [6](#page=6). #### 1.3.1 Massa verwarring en definities Bij massaspectrometrie kunnen verschillende massa-definities relevant zijn, wat soms tot verwarring kan leiden [10](#page=10) [9](#page=9). * **Nominale massa:** Dit is de berekende massa waarbij de massa van de elementen is afgerond naar het dichtstbijzijnde gehele getal. Bijvoorbeeld, voor koolstof (C) is dit 12, voor zuurstof (O) is dit 16, en voor waterstof (H) is dit 1. Een cholesterolmolecuul ($C_{27}H_{46}O$) heeft dan een nominale massa van 386 Da [9](#page=9). * **Exacte massa:** Dit is de experimenteel bepaalde massa van een ion. Deze waarde hangt af van de resolutie, tuning en kalibratie van het massaspectrometer [9](#page=9). * **Mono-isotopische massa:** Dit is de berekende massa gebaseerd op de meest voorkomende stabiele isotopen van de elementen [10](#page=10). * **Moleculaire massa:** Dit is de gemiddelde massa die wordt verkregen wanneer rekening wordt gehouden met alle isotopen van een element en hun relatieve abundantie. Als de resolutie van de MS onvoldoende is, zal slechts één piek zichtbaar zijn in plaats van de verschillende pieken van de isotopen. De moleculaire massa is met name belangrijk bij grote moleculen, zoals polymeren, waar deze significant kan verschillen van de mono-isotopische massa [10](#page=10). ### 1.4 Massaspectrum Een massaspectrum is een grafische weergave van de resultaten van een massaspectrometrie-analyse. Het toont de intensiteit van de gedetecteerde ionen versus hun $m/z$-waarde [7](#page=7). Belangrijke elementen in een massaspectrum zijn: * **Moleculair ion of precursor ion:** Dit is het ion dat direct ontstaat uit het oorspronkelijke molecuul na ionisatie, voordat het eventueel fragmenteert [7](#page=7). * **Fragmentionen of dochterionen:** Dit zijn ionen die ontstaan door de fragmentatie van het moleculaire ion [7](#page=7). * **Base peak:** Dit is de piek met de hoogste intensiteit in het spectrum, wat aangeeft dat dit het meest voorkomende ion is. Voor 4-methyl-3-pentene-2-one is dit de piek bij $m/z$ 98 [7](#page=7). #### 1.4.1 Isotopenpieken Isotopen zijn atomen van hetzelfde element die een gelijk aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen. Hierdoor hebben ze wel hetzelfde atoomnummer, maar een verschillend massagetal. De isotopische abundantie is de verhouding van de verschillende isotopen van een element in de natuur. Voor koolstof is de verhouding tussen de isotopen $^{13}C$ en $^{12}C$ ongeveer 1:100 [8](#page=8). In een massaspectrum kunnen isotopen leiden tot karakteristieke pieken, bekend als isotopenpieken, die verschoven zijn ten opzichte van de piek van het meest voorkomende isotoop. Bijvoorbeeld, voor 4-methyl-3-pentene-2-one met een moleculair ion bij $m/z$ 98, zal de isotopenpiek zichtbaar zijn bij $m/z$ 99 door de aanwezigheid van $^{13}C$ [8](#page=8). ### 1.5 Opbouw van een massaspectrometer Een massaspectrometer bestaat uit vier hoofdonderdelen [14](#page=14): 1. **Ionisatiebron:** Hier worden de moleculen omgezet in ionen. Voorbeelden van ionisatietechnieken zijn ESI (Electrospray Ionization), MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization), EI (Electron Ionization) en CI (Chemical Ionization) [14](#page=14). 2. **Analysator:** Dit onderdeel scheidt de ionen op basis van hun $m/z$-ratio. Veelgebruikte analysatoren zijn quadrupool, TOF (Time-Of-Flight) en Orbitrap [14](#page=14). 3. **Detector:** Registreert de ionen die door de analysator komen. 4. **Computer (Datasysteem):** Verwerkt de signalen van de detector en genereert het massaspectrum [14](#page=14). Alle onderdelen worden vacuüm gehouden met een apart pompsysteem om botsingen tussen ionen te minimaliseren en zo een maximaal aantal ionen de detector te laten bereiken [14](#page=14). --- # Ionisatietechnieken in massaspectrometrie Massaspectrometrie vereist dat moleculen geïoniseerd worden alvorens ze gedetecteerd kunnen worden. Verschillende ionisatietechnieken, onderverdeeld in harde en zachte methoden, worden gebruikt om dit te bewerkstelligen [16](#page=16). ### 2.1 Harde ionisatietechnieken Harde ionisatietechnieken leveren een hoge hoeveelheid energie aan de moleculen, wat niet alleen leidt tot ionisatie maar ook tot fragmentatie. Dit betekent dat de moleculen uiteenvallen in kleinere deeltjes, waarbij een neutraal deel wordt afgesplitst van het gevormde ion. Als gevolg hiervan is het moleculaire ion (het ion dat niet gefragmenteerd is) vaak afwezig of slechts minimaal aanwezig in het massaspectrum. De ionisatie gebeurt meestal door het verwijderen van een elektron, wat resulteert in een ion met een m/z-waarde die gelijk is aan de molecuulmassa (MW) [17](#page=17). #### 2.1.1 Electron Impact (EI) Electron Impact (EI) is een voorbeeld van een harde ionisatietechniek. Bij deze methode worden organische moleculen in de ionenbron beschoten met energierijke elektronen van 70 eV. Er is slechts ongeveer 10 eV nodig om een elektron uit het molecuul te verwijderen. De resterende energie wordt door het molecuul geabsorbeerd, wat leidt tot de vorming van een eenwaardig positief ion, het moleculaire ion (M+). Dit moleculaire ion is echter vaak instabiel, wat resulteert in een lage concentratie van M+ en daardoor een zeer kleine of moeilijk detecteerbare M-piek in het massaspectrum [16](#page=16) [18](#page=18). > **Tip:** Het belangrijkste voordeel van EI is de uitgebreide fragmentatie, wat preciezere uitspraken over de identiteit van het monster mogelijk maakt doordat er karakteristieke fragmentionen ontstaan [18](#page=18). De fragmentatie kan leiden tot de vorming van stabielere fragmentionen met lagere m/z-waarden [18](#page=18). ### 2.2 Zachte ionisatietechnieken Zachte ionisatietechnieken daarentegen richten zich voornamelijk op de vorming van moleculaire ionen met minimale fragmentatie. Hierbij is het moleculaire ion hoofdzakelijk aanwezig in het massaspectrum. De ionisatie vindt vaak plaats door adductvorming, waterstofopname of waterstofafgifte, wat resulteert in ionen met m/z-waarden die kunnen afwijken van de molecuulmassa (bijvoorbeeld MW + 1, MW - 1, of MW + adduct) [19](#page=19). #### 2.2.1 Chemical Ionisation (CI) Chemical Ionisation (CI) is een zachte ionisatietechniek, ook wel bekend als Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI) wanneer toegepast in LC-MS [16](#page=16) [20](#page=20). * **In GC-MS:** Een gasvormig product wordt gemengd met een overmaat draaggas (zoals methaan) in de massaspectrometer [20](#page=20). * **In LC-MS:** De mobiele fase van de vloeistofchromatografie fungeert als reactiegas (APCI) [20](#page=20). Bij CI ontstaat het (M+1)-ion door een chemische reactie met het oplosmiddel, niet door directe botsing met elektronen. Dit proces leidt tot minder energieoverdracht en een stabieler ion, waardoor het (M+1)-ion in grotere concentratie voorkomt en een grotere piek oplevert in het massaspectrum. Er zijn daardoor veel minder fragmentatie-ionen zichtbaar [21](#page=21). De ionisatie in CI verloopt via verschillende stappen: 1. Reactiegas (R) wordt geïoniseerd, bijvoorbeeld door botsingen met elektronen, tot R+ [20](#page=20) [21](#page=21). 2. R+ reageert verder met een overmaat reactiegas tot secundaire ionen, bijvoorbeeld RH+ [21](#page=21). 3. Deze secundaire ionen reageren vervolgens met het te onderzoeken product (M) om het protoneren ion MH+ te vormen, waarbij het reactiegas weer vrijkomt [20](#page=20) [21](#page=21). > **Tip:** EI en CI worden vaak samen gebruikt omdat ze complementaire informatie bieden [21](#page=21). #### 2.2.2 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI) MALDI is een zachte ionisatietechniek die veel wordt gebruikt voor de analyse van biomoleculen. Kenmerkend voor MALDI is de aanwezigheid van een matrix waarin de te analyseren moleculen zijn opgenomen in vaste fase. Een korte laserpuls (UV of IR) wordt op de matrix gericht om ionisatie te bewerkstelligen. Dit resulteert in de vorming van kationen of anionen [16](#page=16) [22](#page=22). Het ionisatieproces vindt plaats via e-overdracht aan het oppervlak. Ionisatiereacties vinden plaats in het grensvlak tussen de matrix en de gasfase. De matrix draagt daarbij een lading (proton) over naar het te analyseren molecuul. Bestaande ionen in de matrix kunnen, mits ze voldoende energie hebben, ook de matrix verlaten. Er bestaan ook varianten van MALDI waarbij een silica-oppervlak in plaats van een matrix wordt gebruikt [23](#page=23). #### 2.2.3 Electrospray Ionization (ESI) Electrospray Ionization (ESI) is een zachte ionisatietechniek die met name geschikt is voor de analyse van biologische macromoleculen en in klinische laboratoria voor kleine moleculen. Bij ESI wordt een vloeistof onder een hoog elektrisch veld gebracht, wat resulteert in verneveling tot zeer fijne druppels. Terwijl het oplosmiddel verdampt, neemt de diameter van de druppels af [16](#page=16) [24](#page=24). ESI kan leiden tot de vorming van zowel positief geladen (ESI+) als negatief geladen (ESI-) ionen, evenals adductvorming. Bij ESI+ worden moleculen geprotoneerd of worden ze geassocieerd met positieve ionen uit de oplossing (bijvoorbeeld natriumionen of kaliumionen). Bij ESI- kunnen moleculen worden gedeprotoneerd of kunnen ze worden geassocieerd met negatieve ionen [24](#page=24) [25](#page=25) [26](#page=26). > **Voorbeeld:** Adductvorming bij ESI+ kan leiden tot ionen zoals [M+H]+, [M+Na]+, of [M+K]+ [25](#page=25). --- # Massaspectrometercomponenten en analysatoren Een massaspectrometer scheidt en detecteert ionen op basis van hun massa-lading verhouding (m/z). Het instrument bestaat uit vier hoofdonderdelen: een ionisatiebron, een analysator, een detector en een computer. Deze onderdelen worden in vacuüm gehouden door een apart pompsysteem om botsingen tussen ionen te minimaliseren en zo een maximale hoeveelheid ionen bij de detector te krijgen [14](#page=14). ### 3.1 De ionisatiebron De ionisatiebron is verantwoordelijk voor het omzetten van neutrale moleculen in geladen ionen, zodat deze gemanipuleerd kunnen worden door elektrische en magnetische velden. Verschillende ionisatietechnieken worden gebruikt, waaronder ESI (Elektrospray Ionisatie), MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization), EI (Elektronenionisatie) en CI (Chemische Ionisatie) [14](#page=14). ### 3.2 Analysatoren De analysator is het hart van de massaspectrometer en is verantwoordelijk voor het scheiden van de ionen op basis van hun m/z verhouding. Er bestaan diverse typen analysatoren, elk met hun eigen werkingsprincipe en toepassingsgebieden [14](#page=14) [28](#page=28). #### 3.2.1 Quadrupool analysator Een quadrupool analysator maakt gebruik van vier parallelle hyperbolische of ronde staven die nauwkeurig in een vierkant zijn geplaatst. Door een gelijkspanning (DC) en een wisselspanning (RF) op deze staven aan te leggen, ontstaat een potentiaal die periodiek verandert [29](#page=29). * **Werking:** Een positief ion wordt aangetrokken door een negatieve staaf, maar door de wisselende spanning wordt het ion terug naar het centrum gedwongen, wat resulteert in een oscillerende beweging loodrecht op de staven [29](#page=29). * **Stabiliteit:** De stabiliteit van deze oscillaties is afhankelijk van de grootte van de gelijkspanning, de aangelegde radiofrequentie en de massa van de passerende ionen. Voor een gegeven DC- en RF-spanning zal slechts één specifieke m/z-waarde een stabiel traject volgen. Ionen met een niet-stabiel traject ontladen zich op de staven [30](#page=30). * **Functie:** De quadrupool fungeert als een 'filter' voor ionen met een specifieke m/z-waarde [30](#page=30). * **Toepassing:** Quadrupolen worden vaak gebruikt in algemene routinelaboratoria vanwege hun prijs en flexibiliteit, en ze werken uitsluitend met een elektrisch veld. Ze worden geclassificeerd als lage resolutie MS (#page=29, 30) [28](#page=28) [29](#page=29) [30](#page=30). #### 3.2.2 Tandem MS (MS/MS) Tandem massaspectrometrie, ook wel MS/MS genoemd, maakt gebruik van meerdere quadrupolen (Q1, Q2, Q3) om precursorionen te selecteren, deze te fragmenteren in een "collision cell" (vaak Q2), en vervolgens de fragmentionen te selecteren (#page=32, 34). Dit proces maakt het mogelijk om specifieke moleculaire structuren te identificeren en kwantificeren [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34). * **Proces:** Selectie van precursorion (Q1) → fragmentatie van precursorion (in collision cell, Q2) → selectie van fragmention (Q3) [32](#page=32). * **Collision cell:** In de collision cell vindt fragmentatie plaats, vaak door interactie met een inert gas zoals argon [34](#page=34). * **Toepassingen:** Tandem MS kan ook worden gebruikt in combinatie met chromatografische scheidingen (LC) om de te bepalen componenten te analyseren [33](#page=33). #### 3.2.3 Time-of-Flight (TOF) analysator De Time-of-Flight (TOF) analysator meet de tijd die een ion nodig heeft om een bepaalde afstand af te leggen nadat het is versneld in een potentiaalveld. De vluchttijd van een ion door een veldvrije buis is afhankelijk van zijn m/z-waarde: lichtere ionen bereiken de detector sneller dan zwaardere ionen [36](#page=36). * **Werking:** Ionen worden versneld in een potentiaalveld en vliegen vervolgens door een veldvrije buis naar de detector [36](#page=36). * **Kenmerken:** TOF-instrumenten bieden hoge ionentransmissie, snelle scanmogelijkheden en een onbeperkt massabereik met exacte massa's. Ze worden beschouwd als hoge resolutie MS [36](#page=36). * **Reflectron:** Een extra onderdeel, de reflectron, compenseert snelheidsverschillen tussen ionen met dezelfde m/z-waarde. Dit verhoogt de resolutie van de meting door gelijktijdige detectie van alle ionen met dezelfde m/z, ongeacht hun initiële kinetische energie (#page=39, 40) [39](#page=39) [40](#page=40). * **Combinaties:** TOF-instrumenten worden vaak gecombineerd met ionisatietechnieken zoals MALDI (MALDI-TOF), een populaire techniek in microbiologische laboratoria. Ook de combinatie met (U)HPLC (UHPLC-TOF) wordt steeds vaker toegepast [37](#page=37). #### 3.2.4 Orbitrap analysator De Orbitrap is een hoog-resolutie analysator die zowel als analysator als detector fungeert [41](#page=41). * **Werking:** Ionen worden "gevangen" in pakketjes en geïnjecteerd, waarna ze oscilleren rond een centrale staaf. De frequentie van deze ionenoscillaties wordt gedetecteerd (via "image current") en omgezet in m/z-waarden met behulp van Fourier-transformatie om een massaspectrum te genereren [41](#page=41). * **Kenmerken:** Orbitrap-instrumenten bieden een zeer hoge resolutie (tot 100.000) en massanauwkeurigheid (tot 2 ppm) [41](#page=41). * **Ionisatie:** De ionisatie in een Orbitrap gebeurt onder atmosferische druk, en fragmentatie kan plaatsvinden binnen het instrument [41](#page=41). * **Voorbeelden:** Een voorbeeld van een Orbitrap instrument is de ExactiveTM van Thermo Fisher Scientific. Ze worden geclassificeerd als hoge resolutie MS (#page=41, 42) [41](#page=41) [42](#page=42). ### 3.3 De detector De detector is verantwoordelijk voor het omzetten van de ionen die de analysator hebben doorlopen in een meetbaar elektrisch signaal. Een veelgebruikt type detector is de elektronenmultiplier [44](#page=44). * **Werking van elektronenmultiplier:** Wanneer een ion de detector binnenvalt op een dynode, komen er elektronen vrij. Deze elektronen slaan op hun beurt weer andere elektronen los op secundaire dynodes, waarbij het proces zich herhaalt totdat er een grote hoeveelheid elektronen is gevormd die gedetecteerd kan worden [44](#page=44). ### 3.4 Datasysteem Het datasysteem, vaak een computer, verzamelt de signalen van de detector en verwerkt deze tot een bruikbaar massaspectrum. Dit omvat data-acquisitie, -analyse en -visualisatie [14](#page=14). --- # Massabepaling en toepassingen van MS Dit onderwerp behandelt de verschillende definities van massa in de context van massaspectrometrie (MS) en de toepassingen van MS op basis van resolutie. ### 4.1 Definities van massa in MS Er zijn diverse definities van massa relevant binnen de massaspectrometrie, die essentieel zijn voor de interpretatie van spectra. #### 4.1.1 Nominale massa De nominale massa is de berekende massa van een molecuul waarbij de atoommassa's van de elementen zijn afgerond naar het dichtstbijzijnde gehele getal [9](#page=9). * Voorbeeld: Koolstof (C) heeft een nominale massa van 12 Da, Zuurstof (O) van 16 Da, en Waterstof (H) van 1 Da [9](#page=9). * Cholesterol (C₂₇H₄₆O) heeft een nominale massa van 386 Da [9](#page=9). #### 4.1.2 Mono-isotopische massa De mono-isotopische massa is de berekende massa gebaseerd op de meest voorkomende stabiele isotopen van de elementen [10](#page=10). #### 4.1.3 Exacte massa De exacte massa is de berekende waarde met de massa's van de isotopen van de elementen, gebaseerd op de 'atomic mass unit scale' [9](#page=9). * Voorbeeld: C = 12,0000, H = 1,007825, en O = 15,9949 [9](#page=9). * Voor cholesterol zou dit 386,3549 Da zijn [9](#page=9). #### 4.1.4 Moleculaire massa De moleculaire massa is de gemiddelde massa die wordt verkregen als er rekening wordt gehouden met alle isotopen en hun abundantie [10](#page=10). * Als de resolutie van de MS onvoldoende is, zal slechts één piek zichtbaar zijn in plaats van de verschillende pieken van de verschillende isotopen [10](#page=10). * Dit is vooral van belang bij grote moleculen, zoals polymeren, waarbij de mono-isotopische massa aanzienlijk kan verschillen van de moleculaire massa (tot wel 10 Da bij een polymeer van 20 kDa) [10](#page=10). #### 4.1.5 Experimentele massa De experimenteel bepaalde massa van een ion in de MS, die afhankelijk is van de resolutie, tuning en kalibratie van het instrument. Dit wordt vaak aangeduid als accurate massa wanneer deze met hoge precisie wordt bepaald [9](#page=9). ### 4.2 Toepassingen van MS op basis van resolutie Massaspectrometrie-instrumenten kunnen worden onderverdeeld op basis van hun resolutie, wat leidt tot verschillende toepassingen. #### 4.2.1 Lage resolutie MS Instrumenten met een lage resolutie, zoals quadrupoolen en LC-MS/MS, hebben een beperkte resolutie, typisch tussen 0.1 en 0.5 Da [45](#page=45). * **Eigenschappen:** Zeer gevoelig en specifiek [45](#page=45). * **Toepassingen:** Gouden standaard voor targeted kwantificatie, zoals in farmacokinetiek, residuanalyse, en klinische bioanalyse (drug monitoring) [45](#page=45). #### 4.2.2 Hoge resolutie MS Instrumenten met een hoge resolutie, zoals TOF (Time-of-Flight) en Orbitrap, kunnen resoluties tot meer dan 100.000 bereiken, met een massanauwkeurigheid van minder dan 2 ppm [45](#page=45). * **Eigenschappen:** Uitstekende identificatie van onbekenden, onderscheid van isobaren (moleculen met dezelfde nominale massa maar verschillende brutoformules), en structuropheldering [45](#page=45). * **Toepassingen:** Gedetailleerde analyse en karakterisering van complexe monsters waar nauwkeurige massabepaling cruciaal is [45](#page=45). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Massaspectrometer | Een analytisch instrument dat ionen meet in de gasfase door ze te sorteren op hun m/z ratio met behulp van elektrische en/of magnetische velden, wat resulteert in een digitale output met de m/z-waarde en intensiteit van elk ion. | | m/z ratio | De verhouding tussen de massa van een ion en de elektrische lading ervan, wat een cruciale parameter is voor de identificatie en analyse van ionen in een massaspectrometer. | | Ionen | Atomen, moleculen of fragmenten van moleculen die een of meerdere positieve of negatieve ladingen dragen, doordat het aantal protonen en elektronen in de kern niet meer in balans is. | | Moleculair ion | Het ion dat ontstaat door de ionisatie van de oorspronkelijke molecuul zonder dat deze fragmenteert; bij harde ionisatie is het moleculair ion vaak afwezig of minimaal aanwezig. | | Fragmentionen | Ionen die ontstaan door het afsplitsen van een neutraal deel van een gefragmenteerde molecule; deze fragmenten bieden karakteristieke informatie voor de identificatie van de oorspronkelijke verbinding. | | Harde ionisatie | Een ionisatietechniek waarbij de toegevoegde energie zo hoog is dat de moleculen niet alleen ioniseren, maar ook fragmenteren, wat leidt tot de vorming van vele fragmentionen. | | Zachte ionisatie | Een ionisatietechniek waarbij voornamelijk moleculaire ionen worden gevormd met weinig fragmentatie, wat resulteert in een stabieler ion dat in grotere concentratie aanwezig is. | | Electron Impact (EI) | Een harde ionisatietechniek waarbij organische moleculen worden beschoten met energierijke elektronen (typisch 70 eV), wat leidt tot de vorming van moleculaire ionen die vaak verder fragmenteren. | | Chemical Ionisation (CI) | Een ionisatietechniek die gebruikmaakt van een reactiegas (zoals methaan) om het te analyseren product te ioniseren, wat resulteert in minder fragmentatie dan EI en de vorming van meer stabiele ionen. | | MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation) | Een zachte ionisatietechniek waarbij een te analyseren molecuul wordt gemengd met een matrix die UV-licht absorbeert. Een laserpuls op de matrix veroorzaakt de desorptie en ionisatie van de moleculen. | | ESI (Electrospray Ionisation) | Een zachte ionisatietechniek die wordt gebruikt voor de analyse van biologische macromoleculen en kleine moleculen in klinische laboratoria, waarbij een vloeistof in een hooggeladen elektrisch veld wordt verneveld en verdampt om ionen te vormen. | | Quadrupool | Een type analysator in een massaspectrometer dat bestaat uit vier parallelle staven met aangebrachte gelijkspanning en wisselspanning. Dit filtert ionen op basis van hun m/z-waarde, waardoor alleen ionen met een stabiel traject de detector bereiken. | | Time-Of-Flight (TOF) | Een type analysator dat de tijd meet die een ion nodig heeft om door een veldvrije buis te reizen na versneld te zijn in een potentiaalveld. Deze vluchttijd is afhankelijk van de m/z-waarde van het ion. | | Orbitrap | Een type analysator en detector die werkt door de frequenties van oscillerende ionen te meten, die vervolgens worden omgezet in m/z-waarden via Fourier-transformatie, wat resulteert in een massaspectrum met hoge resolutie en massa-accuraatheid. | | Isotopen | Atomen van hetzelfde element die een gelijk aantal protonen hebben, maar een verschillend aantal neutronen, wat resulteert in een gelijk atoomnummer maar een verschillend massagetal. | | Nominale massa | De berekende massa van een ion of molecuul, afgerond naar het dichtstbijzijnde gehele getal, gebaseerd op de meest voorkomende stabiele isotopen. | | Exacte massa | De massa van een ion of molecuul die experimenteel is bepaald, en die nauwkeurig afhangt van de isotopensamenstelling en de gebruikte meetinstrumentatie. | | Accurate massa | De experimenteel bepaalde massa van een ion, gemeten met een hoge mate van precisie, wat essentieel is voor de identificatie van onbekende verbindingen en de bepaling van hun brutoformule. | | Tandem MS (MS/MS) | Een techniek waarbij meerdere opeenvolgende massaspectrometrische analyses worden uitgevoerd. Een precursorion wordt geselecteerd, gefragmenterd, en vervolgens worden de fragmentionen geanalyseerd om meer informatie te verkrijgen over de structuur van het molecuul. | | Resolutie | De mate waarin een massaspectrometer in staat is om ionen met zeer dicht bij elkaar liggende massa-tot-ladingverhoudingen (m/z) te scheiden. Een hogere resolutie maakt onderscheid mogelijk tussen isotopen en identificeert onbekende verbindingen nauwkeuriger. |

# Inleiding tot chromatografie en scheidingsmethoden Dit deel introduceert de noodzaak van scheidingsmethoden om interfererende stoffen te verwijderen, met specifieke aandacht voor vloeistof-vloeistofextractie (LLE) en de principes van chromatografie [2](#page=2). ### 1.1 Noodzaak van scheidingsmethoden Bij analytische technieken kan de selectiviteit van de analysetechniek onvoldoende zijn, waardoor interfererende of storende stoffen aanwezig zijn in het monster. Om deze interferenties te scheiden van het te analyseren component (het analyt), zijn scheidingsmethoden essentieel [3](#page=3). ### 1.2 Vloeistof-vloeistofextractie (LLE) Vloeistof-vloeistofextractie (LLE) is een methode om interferenties af te scheiden. Het principe berust op de verdeling van componenten tussen twee niet-mengbare vloeistoffen. Een voorbeeld is de extractie van trijodide-oplossing in water met c-hexaan. De mate waarin een component oplost in de ene of de andere vloeistof hangt af van de affiniteit van die component voor de betreffende fase. Eén extractiestap leidt doorgaans niet tot een goede scheiding, maar meerdere extractiestappen, waarbij zowel uit de bovenste als de onderste vloeistof wordt geëxtraheerd, kunnen leiden tot een volledige scheiding van het analyt en storende stoffen [4](#page=4) [5](#page=5). > **Tip:** LLE illustreert een fundamenteel principe dat ook ten grondslag ligt aan chromatografie: de verdeling van stoffen tussen twee fasen [5](#page=5). ### 1.3 Chromatografie Chromatografie omvat een reeks scheidingstechnieken waarbij componenten van een mengsel worden verdeeld tussen twee fasen. Eén van deze fasen is stationair, terwijl de andere fase (de mobiele fase) in een bepaalde richting beweegt. De componenten van het mengsel verplaatsen zich met verschillende snelheden, afhankelijk van hun interactie met de stationaire en de mobiele fase. Stoffen met een grotere affiniteit voor de mobiele fase zullen sneller worden geëlueerd (uitgespoeld) dan stoffen die sterker aan de stationaire fase binden [6](#page=6). > **Tip:** Het sleutelwoord in chromatografie is de differentiële verplaatsing van componenten, gedreven door hun interactie met de twee fasen [6](#page=6). De voortgang van de scheiding wordt gevolgd door een detector aan het einde van de kolom, die de eluerende stoffen registreert. Het resultaat van een chromatografische scheiding is een chromatogram [8](#page=8) [9](#page=9). ### 1.4 Indeling van chromatografie Chromatografie kan op verschillende manieren worden ingedeeld: #### 1.4.1 Op basis van de mobiele fase * **Gaschromatografie (GC):** De mobiele fase is een gas [10](#page=10). * **Vloeistofchromatografie (LC):** De mobiele fase is een vloeistof [10](#page=10). #### 1.4.2 Op basis van de configuratie van de stationaire fase * **Kolomchromatografie:** De stationaire fase bevindt zich in een glazen of metalen buis (kolom). De mobiele fase kan onder invloed van zwaartekracht, capillaire krachten of druk door de kolom bewegen [10](#page=10) [11](#page=11). * **Planaire chromatografie:** De stationaire fase bevindt zich op een plaat (bv. dunne laag chromatografie - TLC) of op papier (papierchromatografie - PC) [10](#page=10). #### 1.4.3 Op basis van het scheidingsmechanisme (relatie tot de stationaire fase) * **Verdelingschromatografie:** Scheiding gebaseerd op het verschil in oplosbaarheid (verdeling) van componenten tussen een stationaire vloeistoffase en een mobiele fase [12](#page=12). * **Adsorptiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op het verschil in adsorptie van componenten aan een vaste, stationaire fase [12](#page=12). * **Ionuitwisselingschromatografie:** Scheiding gebaseerd op de interactie van geladen componenten met ionen uitwisselingsharsen [12](#page=12). * **Moleculaire zeef (Gelfiltratie/Gelpermeatie):** Scheiding gebaseerd op grootte, waarbij grotere moleculen sneller worden geëlueerd omdat ze de poriën van de stationaire fase niet kunnen betreden [12](#page=12). ### 1.5 Courante chromatografische technieken Hieronder een overzicht van veelgebruikte chromatografische technieken, ingedeeld naar mobiele fase, stationaire fase, configuratie en mechanisme [13](#page=13): | Technologie | Mobiele Fase | Stationaire Fase | Configuratie | Mechanisme | | :---------------------- | :----------- | :--------------------- | :----------- | :---------------- | | GC (Gas-Liquid) | Gas | Vloeistof | Kolom | Verdeling | | GC (Gas-Solid) | Gas | Vaste stof adsorbent | Kolom | Adsorptie | | LC (Liquid-Liquid) | Vloeistof | Vloeistof | Kolom | Verdeling | | LC (Liquid-Solid) | Vloeistof | Vaste stof adsorbent | Kolom | Adsorptie | | PC (Paper) | Vloeistof | Papier (met vloeistof) | Plaat | Verdeling | | TLC (Thin Layer) | Vloeistof | Dunne laag vaste stof | Plaat | Adsorptie/Verdeling | | IEC (Ion-Exchange) | Vloeistof | Ionen uitwisselingshars | Kolom | Ionenuitwisseling | ### 1.6 Toepassingen van chromatografie Chromatografie kent diverse toepassingen [14](#page=14): * **Eenvoudige scheidingen en opzuivering:** Verwijderen van stoffen die storend kunnen zijn voor een verdere analyse, of het opzuiveren van producten na synthese [14](#page=14). * **Controle van zuiverheid:** Vaststellen van de zuiverheid van een product, bijvoorbeeld na chemische synthese [14](#page=14). * **Analytische technieken:** Technieken zoals Gaschromatografie (GC) en High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) worden gebruikt voor de kwantitatieve bepaling van componenten in een mengsel na de scheiding [14](#page=14). --- # Chromatografische begrippen en theorie Dit gedeelte behandelt de theoretische fundamenten van chromatografie, met een focus op de factoren die de scheiding van componenten bepalen, zoals de verdelingscoëfficiënt, retentiefactor, selectiviteit, resolutie en kolom efficiëntie [16](#page=16). ### 2.1 Het verdelingsmechanisme Chromatografie is gebaseerd op het principe dat verschillende componenten op een variërende manier interageren met zowel de stationaire fase (SF) als de mobiele fase (MF). Deze interactie bepaalt hoe lang een component in de kolom verblijft [17](#page=17). ### 2.2 De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) is een maat voor de affiniteit van een te scheiden component voor de stationaire fase ten opzichte van de mobiele fase. Het wordt gedefinieerd als de verhouding van de concentratie van de beschouwde stof in de stationaire fase ($C_s$) tot de concentratie in de mobiele fase ($C_m$) op het moment van evenwicht [18](#page=18): $$ K_D = \frac{C_s}{C_m} $$ [18](#page=18). De verdelingscoëfficiënt is temperatuurafhankelijk. Een continu evenwicht tussen de mobiele en stationaire fase is essentieel voor scheiding [18](#page=18). ### 2.3 Chromatogram: retentietijden en volumes Een chromatogram toont de respons van de detector als functie van de tijd. Belangrijke termen zijn: * **Retentietijd ($t_R$)**: De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen vanaf de injectie tot het detectiepunt [19](#page=19). * **Retentievolume ($V_R$)**: Het volume van de mobiele fase dat nodig is om een component door de kolom te elueren, berekend als $V_R = t_R \times v$ (waarbij $v$ de flow rate in ml/min is) [19](#page=19). * **Dode tijd ($t_M$ of $t_0$)**: De tijd die de mobiele fase nodig heeft om de kolom te doorlopen; dit is ook de tijd die componenten die geen interactie hebben met de stationaire fase nodig hebben [19](#page=19). * **Gecorrigeerde retentietijd ($t'_R$)**: De retentietijd minus de dode tijd ($t'_R = t_R - t_M$). Dit is de tijd die een component daadwerkelijk in de stationaire fase doorbrengt [19](#page=19). * **Piekbreedte ($w$)**: De breedte van de piek aan de basislijn [19](#page=19). ### 2.4 Evaluatie van de scheiding: Resolutie ($R_s$) De resolutie ($R_s$) is een cruciale parameter die de kwaliteit van de scheiding tussen twee componenten kwantificeert. Een hogere resolutie betekent een betere scheiding [20](#page=20) [22](#page=22). De resolutie wordt berekend met de volgende formules: $$ R_s = \frac{\Delta t_R}{w} = \frac{t_{R2} - t_{R1}}{\frac{w_{b1} + w_{b2}}{2}} = \frac{2 \times (t_{R2} - t_{R1})}{w_{b1} + w_{b2}} $$ [21](#page=21) [22](#page=22). Hierbij is $\Delta t_R$ het verschil in retentietijden tussen twee componenten, en $w_{b1}$ en $w_{b2}$ zijn de piekbreedtes aan de basislijn van component 1 en 2, respectievelijk [21](#page=21). * Een resolutie van $R_s = 1$ resulteert in ongeveer 2,3% overlap tussen de pieken [22](#page=22). * Een resolutie van $R_s = 1,5$ resulteert in ongeveer 0,15% overlap, wat vaak als basislijnscheiding wordt beschouwd [22](#page=22). #### 2.4.1 Factoren die de resolutie beïnvloeden De resolutie kan verbeterd worden door: * De interactie van de stoffen met de stationaire fase te vergroten (hogere retentiefactor, $k'$) en/of de selectiviteit voor een van beide componenten te verhogen ($\alpha$) [25](#page=25). * Piekverbreding te verminderen, wat gerelateerd is aan de kinetiek. Dit kan door de kolom efficiëntie te verhogen ($N$ omhoog, $H$ omlaag) [25](#page=25). **Voorbeeld van resolutieberekening:** Voor limoneen en $\gamma$-terpineen, met de volgende data: * Limoneen: $t_R = 8,36$ min, $w_b = 0,64$ min * $\gamma$-Terpineen: $t_R = 9,54$ min, $w_b = 0,96$ min De resolutie wordt berekend als: $$ R_s = \frac{2 \times (9,54 - 8,36)}{(0,64 + 0,96)} = \frac{2 \times 1,18}{1,60} = 1,475 $$ [24](#page=24). Dit resultaat geeft aan dat de componenten goed gescheiden zijn, maar net geen volledige basislijnscheiding is bereikt [24](#page=24). ### 2.5 Interactie van componenten met de stationaire fase: Retentiefactor ($k'$) of Capaciteitsfactor De retentiefactor ($k'$) is een dimensieloze parameter die de sterkte waarmee een component wordt weerhouden door de stationaire fase aangeeft. Het is direct gerelateerd aan de verdelingscoëfficiënt ($K_D$), de volumes van de stationaire ($V_s$) en mobiele ($V_m$) fasen [26](#page=26): $$ k = K_D \frac{V_s}{V_m} = \frac{n_s}{n_m} $$ [26](#page=26). Het kan ook berekend worden uit de retentietijden: $$ k = \frac{t_R - t_m}{t_m} = \frac{t'_R}{t_m} $$ [26](#page=26). De retentiefactor representeert de tijd die een component in de stationaire fase doorbrengt ten opzichte van de tijd die het in de mobiele fase doorbrengt. Een voorkeurswaarde voor $k'$ ligt tussen 1 en 10 voor optimale scheiding [26](#page=26). **Invloed van temperatuur op $k'$:** Bij gaskromatografie (GC) kan een temperatuurverandering de retentiefactor significant beïnvloeden, met name bij lage $k'$-waarden, wat de resolutie sterk kan verbeteren [27](#page=27) [28](#page=28). ### 2.6 Selectiviteit ($\alpha$) Selectiviteit ($\alpha$), ook wel relatieve retentie genoemd, kwantificeert het onderscheidend vermogen tussen twee componenten. Het is de verhouding van de verdelingscoëfficiënten of retentiefactoren van twee componenten (met $t'_{R2} > t'_{R1}$) [29](#page=29): $$ \alpha = \frac{K_{D2}}{K_{D1}} = \frac{k'_2}{k'_1} = \frac{t'_{R2}}{t'_{R1}} $$ [29](#page=29). * Een grote $\alpha$-waarde resulteert in een grotere afstand tussen de pieken, wat echter ook kan betekenen dat de scheiding meer tijd in beslag neemt dan strikt noodzakelijk [29](#page=29). * Als $\alpha = 1$, is er geen selectiviteit en dus geen scheiding mogelijk op basis van deze fase-combinatie [29](#page=29). * De selectiviteit houdt geen rekening met de piekbreedte [29](#page=29). **Factoren die de selectiviteit beïnvloeden:** De selectiviteit kan worden aangepast door: * Het veranderen van de stationaire fase (bv. door een andere kolom te gebruiken) [29](#page=29). * Het aanpassen van de mobiele fase (bij LC) of de kolomtemperatuur (bij GC) [29](#page=29). ### 2.7 Kolom efficiëntie en piekverbreding Piekverbreding is een ongewenst fenomeen dat de scheiding negatief beïnvloedt. De belangrijkste oorzaken zijn: * **Eddy-diffusie (A*)**: Veroorzaakt door inconsistente paden die moleculen volgen door een niet-homogene pakking van de stationaire fase in de kolom [31](#page=31) [32](#page=32). * **Longitudinale diffusie (B*)**: Moleculen diffunderen in de mobiele fase langs de kolom, vooral merkbaar bij lage flow rates [31](#page=31) [33](#page=33). * **Snelheid van stoftransfer (C*)**: Ongunstige instelling van het evenwicht tussen de stationaire en mobiele fase, wat weerstand biedt aan massatransfer [31](#page=31) [34](#page=34). Deze coëfficiënten (A, B, C) zijn de termen in de Van Deempter vergelijking [31](#page=31). #### 2.7.1 De schoteltheorie en theoretische platen ($N$) De schoteltheorie beschouwt de kolom als een reeks van (schijnbare) evenwichtsplaatsen, 'schotels' genaamd. Een hogere aantal theoretische platen ($N$) duidt op een kolom met een groter scheidend vermogen [35](#page=35). * **Aantal theoretische platen ($N$)**: Kan worden berekend uit de retentietijd en piekbreedte: $$ N = 16 \left( \frac{t_R}{w_b} \right)^2 $$ [35](#page=35) [43](#page=43). * **Plaathoogte of HETP (Height Equivalent of a Theoretical Plate, $H$)**: Dit is de lengte van de kolom per theoretische plaat, en een kleinere $H$ geeft een efficiëntere kolom aan: $$ H = \frac{L}{N} $$ [35](#page=35) [43](#page=43). waarbij $L$ de lengte van de kolom is. Een kolom met weinig platen resulteert in bredere pieken, terwijl een kolom met veel platen scherpere pieken genereert [36](#page=36). ### 2.8 Optimalisatie van de scheiding Het optimaliseren van een chromatografische scheiding omvat het verbeteren van de resolutie ($R_s$). Dit kan bereikt worden door het manipuleren van de retentiefactor ($k'$), selectiviteit ($\alpha$) en kolom efficiëntie ($N$ of $H$) [37](#page=37) [39](#page=39) [40](#page=40). De volgende algemene formule voor resolutie, aannemende gelijke piekbreedtes, illustreert de onderlinge relatie van deze parameters: $$ R_s = \frac{1}{4} \sqrt{N} \left( \frac{\alpha - 1}{\alpha} \right) \left( \frac{k'}{1 + k'} \right) $$ [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40). **Strategieën voor optimalisatie:** * **Verhogen van $k'$**: * Temperatuurprogrammatie (GC) [39](#page=39). * Gradient-elutie (LC) [39](#page=39). * **Aanpassen van selectiviteit ($\alpha$)**: * Veranderen van de stationaire fase (GC/HPLC) [39](#page=39). * Veranderen van de mobiele fase (HPLC) [39](#page=39). * **Verhogen van kolom efficiëntie ($N$) of verlagen van $H$**: * Aanpassen van de snelheid van de mobiele fase, zoals beschreven door de Van Deempter vergelijking [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42). #### 2.8.1 De Van Deempter vergelijking De Van Deempter vergelijking beschrijft hoe de plaathoogte ($H$) afhangt van de snelheid van de mobiele fase ($u$). Het houdt rekening met de bijdragen van eddy-diffusie (A), longitudinale diffusie (B), en de snelheid van stoftransfer (C) [41](#page=41) [42](#page=42): $$ H = A + \frac{B}{u} + Cu $$ [41](#page=41) [42](#page=42). * De optimale snelheid van de mobiele fase wordt bereikt wanneer de termen $B/u$ en $Cu$ in balans zijn, wat resulteert in een minimale plaathoogte $H$. De invloed van de lengte van de kolom ($L$) op de resolutie en retentietijd is direct gerelateerd aan het aantal theoretische platen ($N$). Een langere kolom leidt tot meer platen en dus potentieel tot een betere resolutie, maar ook tot langere retentietijden [43](#page=43). ### 2.9 Oefening voorbeelden De volgende voorbeelden demonstreren de toepassing van de berekende begrippen [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48) [49](#page=49). **Voorbeeld 1 (LC kolom):** Gegeven chromatogramgegevens voor component A en B en een luchtpiek. * Dode tijd ($t_m$): 5 min [46](#page=46). * Gecorrigeerde retentietijd voor A ($t'_R,A$): 25 min [47](#page=47). * Gecorrigeerde retentietijd voor B ($t'_R,B$): 45 min [47](#page=47). * Piekbreedte voor A ($w_{b,A}$): 15 min [48](#page=48). * Piekbreedte voor B ($w_{b,B}$): 24 min [48](#page=48). Berekeningen: * Retentiefactor voor A ($k'_A$): $\frac{25}{5} = 5$ [47](#page=47). * Retentiefactor voor B ($k'_B$): $\frac{45}{5} = 9$ [47](#page=47). * Selectiviteit ($\alpha$): $\frac{45}{25} = 1,8$ [47](#page=47). * Resolutie ($R_s$): $\frac{2 \times (50 - 30)}{(15 + 24)} = \frac{40}{39} \approx 1,02$. De pieken overlappen nog gedeeltelijk [48](#page=48). * Aantal theoretische platen voor A ($N_A$): $16 \left( \frac{30}{15} \right)^2 = 64$ [48](#page=48). * Aantal theoretische platen voor B ($N_B$): $16 \left( \frac{50}{24} \right)^2 \approx 69,4$ [48](#page=48). * Gemiddeld aantal platen ($N_{gem}$): $\approx 67$ [48](#page=48). * Gemiddelde plaathoogte ($H$): $\frac{25 \text{ cm}}{67} \approx 0,37 \text{ cm}$ [48](#page=48). **Voorbeeld 2 (GC kolom):** Voor twee stoffen A en B op een capillaire GC kolom met retentietijden van 14,6 min (A) en 18,3 min (B), en piekbreedtes van 0,80 min (A) en 0,93 min (B). De luchtpiek verschijnt na 1,1 min. * Dode tijd ($t_m$): 1,1 min [49](#page=49). * Retentietijd A ($t_{R,A}$): 14,6 min [49](#page=49). * Retentietijd B ($t_{R,B}$): 18,3 min [49](#page=49). * Piekbreedte A ($w_{b,A}$): 0,80 min [49](#page=49). * Piekbreedte B ($w_{b,B}$): 0,93 min [49](#page=49). Berekeningen: * Gecorrigeerde retentietijd A ($t'_{R,A}$): $14,6 - 1,1 = 13,5$ min [49](#page=49). * Gecorrigeerde retentietijd B ($t'_{R,B}$): $18,3 - 1,1 = 17,2$ min [49](#page=49). * Retentiefactor A ($k'_A$): $\frac{13,5}{1,1} \approx 12,27$ [49](#page=49). * Retentiefactor B ($k'_B$): $\frac{17,2}{1,1} \approx 15,64$ [49](#page=49). * Selectiviteit ($\alpha$): $\frac{17,2}{13,5} \approx 1,27$ [49](#page=49). * Resolutie ($R_s$): $\frac{2 \times (18,3 - 14,6)}{(0,80 + 0,93)} = \frac{2 \times 3,7}{1,73} \approx 4,28$ [49](#page=49). * Aantal theoretische platen A ($N_A$): $16 \left( \frac{14,6}{0,80} \right)^2 \approx 5198$ [49](#page=49). * Aantal theoretische platen B ($N_B$): $16 \left( \frac{18,3}{0,93} \right)^2 \approx 6198$ [49](#page=49). * Gemiddeld aantal platen ($N_{gem}$): $\frac{5198 + 6198}{2} \approx 5698$ [49](#page=49). --- # Gaschromatografie (GC) Gaschromatografie (GC) is een techniek die wordt gebruikt voor de analyse van vluchtige verbindingen, gebaseerd op het principe van verdeling van componenten tussen een mobiele gasfase en een stationaire fase [51](#page=51) [52](#page=52). ### 3.1 Principes van GC #### 3.1.1 Scheidingsprincipe De scheiding in gaschromatografie berust op de verdeling van componenten tussen de stationaire fase (meestal een vloeistof op de binnenwand van een kolom of verdeeld over vaste deeltjes) en de mobiele fase (een inert gas, het draaggas). Componenten die sterker interageren met de stationaire fase of minder vluchtig zijn, zullen langer in de kolom verblijven en dus later elueren. De vluchtigheid van de componenten, gerelateerd aan hun verdampingswarmte, speelt hierbij een cruciale rol [56](#page=56) [57](#page=57). #### 3.1.2 Toepasbare verbindingen GC is toepasbaar voor alle stoffen die in dampvorm gebracht kunnen worden zonder te ontbinden. Indien stoffen niet vluchtig of thermisch stabiel genoeg zijn, kan derivatisatie worden toegepast om ze geschikt te maken voor GC-analyse [53](#page=53) [90](#page=90). ### 3.2 Apparatuur in GC Een typisch GC-apparaat bestaat uit de volgende onderdelen: gastoevoer, injector, kolom, kolomoven en detector [54](#page=54). #### 3.2.1 Gastoevoer De gastoevoer verzorgt de verschillende gassen die nodig zijn voor het systeem. Dit omvat [58](#page=58): * **Draaggas (carrier gas):** Een inert gas zoals helium (He), waterstof (H₂) of stikstof (N₂) dat de componenten door de kolom transporteert. H₂ en He worden verkozen vanwege hun hoge efficiëntie over een breed bereik aan flowsnelheden [58](#page=58) [59](#page=59). * **Make-up gas:** Vaak hetzelfde gas als het draaggas, gebruikt om de flow door de detector te optimaliseren [58](#page=58). * **Detector gas:** Gassen zoals H₂ en lucht voor de vlamionisatiedetector (FID), of Ar/CH₄ of Ar/N₂ afhankelijk van het detector type [58](#page=58). De regeling van de flow en druk is essentieel, vooral bij temperatuurprogrammatie [59](#page=59). #### 3.2.2 Kolommen Er zijn twee hoofdtypen kolommen: * **Gepakte kolommen:** Deze zijn 2 tot 6 meter lang met een diameter van 2 tot 4 mm en bevatten de stationaire fase op kleine bolletjes. Ze kunnen grotere injectievolumes (0,1 tot 10 µl) aan [60](#page=60) [61](#page=61). * **Capillaire kolommen:** Dit zijn zeer dunne kolommen (0,25 mm diameter) die 10 tot 100 meter lang kunnen zijn. De stationaire fase bevindt zich hier op de binnenwand. Ze bieden snellere analyses, betere scheidingen en vereisen kleine injectievolumes (<0,02 µl). De hoeveelheid stationaire fase is erg klein, wat overladen kan voorkomen en frontvorming van pieken kan vermijden [60](#page=60) [61](#page=61) [63](#page=63). De keuze van de stationaire fase (bv. polair of apolair) is afhankelijk van de te scheiden componenten [62](#page=62). #### 3.2.3 Injector De injector brengt het monster op de kolom als een nauw bandje zonder dat de componenten degraderen of dat er piekverbreding optreedt. De injectietemperatuur moet hoger zijn dan de kolomtemperatuur. Er zijn verschillende injectortypen [56](#page=56) [64](#page=64): * **Split/splitless injector:** * **Split-injectie:** Een klein deel van de geïnjecteerde hoeveelheid gaat naar de kolom, terwijl het grootste deel via een split-kanaal wordt afgevoerd. Dit is geschikt voor hogere concentraties en maakt snelle analyses mogelijk. Een purge flow voorkomt contaminatie door het septum en carry-over [66](#page=66) [67](#page=67) [68](#page=68). * **Splitless-injectie:** De splitklep is gesloten gedurende de injectie, waardoor het gehele monster naar de kolom gaat. Dit is voordelig voor lagere concentraties en reproduceerbare injecties door het creëren van een nauw bandje aan het begin van de kolom bij lage kolomtemperaturen. Na transfer van het monster wordt de splitklep geopend om de kolom te spoelen [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71). * **Programmed temperature vaporisation (PTV) injector:** De injector begint op een lage temperatuur met de splitpoort open, waardoor het solvent verdampt en hogere kokende componenten in de liner concentreren. Daarna wordt de injector snel verwarmd tot 200-300°C met de splitpoort gesloten [72](#page=72). * **Cool on column injectie (gepakte kolom):** Het monster wordt direct op de kolom geïnjecteerd bij een lage temperatuur, zodat minder vluchtige componenten condenseren aan het begin van de kolom. Daarna wordt de kolomtemperatuur snel verhoogd [72](#page=72). * **Headspace analyse:** Geschikt voor vluchtige componenten in evenwicht met een vloeibare of vaste fase. Het monster wordt in een afgesloten flesje geplaatst, eventueel verwarmd, en de bovenstaande gasfase (headspace) wordt geïnjecteerd. Voorbeelden zijn alcohol in bloed en drugs in haar [73](#page=73) [76](#page=76). * **Solid Phase Micro-Extraction (SPME):** Een techniek die geassocieerd kan worden met headspace analyse, waarbij vluchtige componenten adsorberen op een vezel [74](#page=74). #### 3.2.4 Kolomoven De kolomoven regelt de temperatuur van de kolom, wat cruciaal is voor de scheiding. Er zijn twee manieren van temperatuurregeling [56](#page=56): * **Constante temperatuur:** Gebruikt wanneer de componenten een vergelijkbare vluchtigheid hebben [77](#page=77). * **Temperatuurprogrammatie:** De temperatuur van de kolom wordt stapsgewijs of lineair verhoogd tijdens de analyse. Dit verbetert de scheiding van vroeg eluerende pieken en zorgt voor betere piekprofielen en hogere detectielimieten voor laat eluerende pieken. Tijdens temperatuurprogrammatie wordt de druk vaak aangepast om een constante lineaire snelheid van de mobiele fase te behouden [78](#page=78) [79](#page=79). #### 3.2.5 Detectoren Detectoren meten de componenten die de kolom verlaten door veranderingen in de samenstelling van het uitstromende gas te registreren. Deze veranderingen worden omgezet in een elektrisch signaal dat, in functie van de tijd, een chromatogram vormt. De piekoppervlakte in het chromatogram is evenredig met de concentratie van de component. Gangbare detectoren zijn [80](#page=80) [81](#page=81): * **Vlamionisatiedetector (FID):** Verbrandt organische componenten in een waterstof/lucht vlam, waardoor ionen ontstaan. Deze ionen genereren een stroom die evenredig is met de concentratie van de component, mits deze klein is. De FID is zeer gevoelig voor organische verbindingen met veel koolstofatomen, maar minder geschikt voor anorganische gassen zoals water, CO₂, SO₂ of NOₓ [83](#page=83) [84](#page=84). * **Thermische geleidbaarheidsdetector (TCD):** Meet de thermische geleidbaarheid van de gasstroom. De draaggas (bv. He of H₂) heeft een hoge geleidbaarheid. Wanneer een component wordt gedetecteerd, verandert de geleidbaarheid van de gasstroom, wat leidt tot een verandering in de elektrische weerstand van een filament. De TCD meet alle componenten, maar heeft een hogere detectielimiet dan de FID (ongeveer 100 keer hoger) [85](#page=85). * **Electron Capture Detector (ECD):** Gebruikt een β-straler om het draaggas (bv. N₂) te ioniseren, wat resulteert in een constante stroom tussen twee elektroden. Stoffen met een hoge elektronenaffiniteit (elektronenvangers), zoals die met halogenen of nitro-groepen, verminderen de stroomsterkte. De ECD is selectief voor deze specifieke groepen [87](#page=87). * **Massaspectrometer (MS):** GC gekoppeld aan MS (GC-MS) wordt later behandeld [88](#page=88). ### 3.3 Voordelen en Nadelen van GC **Voordelen:** * Snelle analyse [89](#page=89). * Efficiënte scheiding [89](#page=89). * Lage detectielimieten [89](#page=89). * Hoge nauwkeurigheid (<1% RSD) [89](#page=89). * Vereist kleine hoeveelheden monster (<1 mL) [89](#page=89). * Gemakkelijk te koppelen aan MS [89](#page=89). * Brede toepassingsmogelijkheden [89](#page=89). **Nadelen:** * Beperkt tot gemakkelijk te vervluchtigen en thermisch stabiele stalen (ongeveer 10-20% van alle stoffen) [89](#page=89). * Meeste detectoren zijn destructief [89](#page=89). * De monstervoorbereiding kan complex zijn [89](#page=89). ### 3.4 Toepassingen van GC GC heeft een breed scala aan toepassingen, waaronder: * Analyse van organische polluenten in lucht, water en afvalwater (bv. VOC's, pesticiden, herbiciden) [90](#page=90). * Farmacie: analyse van geneesmiddelen en residuele solventen [90](#page=90). * Bloedalcoholanalyse [90](#page=90). * Screening van geneesmiddelen in urine [90](#page=90). * Analyse van aroma's en geurstoffen [90](#page=90) [93](#page=93). * Forensisch onderzoek (bv. brandversnellers, explosieven) [90](#page=90). * Analyse van allergenen in cosmetica [93](#page=93). ### 3.5 Kwantitatieve bepalingen Kwantitatieve bepalingen in GC kunnen worden uitgevoerd met behulp van externe kalibratie of interne standaardmethoden [94](#page=94). #### 3.5.1 Externe kalibratie Bij externe kalibratie wordt een kalibratierechte opgesteld met bekende concentraties van de analyt. De piekoppervlakte of piekhoogte wordt gemeten en afgezet tegen de concentratie. Deze methode is gevoelig voor variaties in injectievolume en monstervoorbereiding [94](#page=94) [95](#page=95). #### 3.5.2 Interne standaardmethode Bij de interne standaardmethode wordt aan alle stalen en standaarden een gekende hoeveelheid van een interne standaard (IS) toegevoegd. De IS mag niet in het oorspronkelijke monster aanwezig zijn, moet vergelijkbare chemische en fysische eigenschappen hebben als de analyt, en moet apart gemeten kunnen worden (gescheiden piek) [100](#page=100) [94](#page=94). **Voordelen van de interne standaardmethode:** * Compenseert voor variaties in injectievolume en monstervoorbereiding (zoals extractieverliezen). Dit leidt tot een hogere reproduceerbaarheid, zoals geïllustreerd door de lagere RSD bij het gebruik van een interne standaard vergeleken met externe standaardisatie [95](#page=95) [99](#page=99). * Geschikt voor handmatige injecties, autosamplers, headspace analyses en monsterbereidingen met extractie of derivatisatie [99](#page=99). **Keuze van de interne standaard:** De interne standaard moet niet aanwezig zijn in de stalen, een structuur en eigenschappen hebben die gelijkend zijn aan de analyt, bij voorkeur na de analyt elueren, en stabiel zijn met een gekende concentratie [100](#page=100). **Voorbeeld berekening met interne standaard:** Stel dat de verhouding van de piekoppervlaktes (analyt/IS) wordt afgezet tegen de concentratie van de analyt. Dit geeft een lineaire relatie, waardoor de concentratie van de analyt in een monster bepaald kan worden door de gemeten verhouding af te zetten op deze kalibratierechte [98](#page=98). **Voorbeeld uitwerking oefening:** Bij de bepaling van pesticide residu's (heptachloor-epoxide, HCE) in sinaasappels, wordt de verhouding van de piekoppervlaktes (HCE/IS) gemeten voor verschillende standaarden en het monster. Door deze verhoudingen af te zetten, kan de concentratie van HCE in het monster berekend worden . > **Tip:** Bij het oplossen van GC-oefeningen is het cruciaal om alle stappen van de monsterbereiding en analyse te visualiseren en de eenheden zorgvuldig bij te houden. Volg een systematische aanpak: noteer gegevens, bepaal de kalibratiemethode, stel de kalibratierechte op, bereken de concentratie in de gemeten oplossing, en reken vervolgens terug naar de oorspronkelijke vraag . --- # Vloeistofchromatografie (LC) en HPLC Vloeistofchromatografie, met een specifieke focus op High-Performance Liquid Chromatography (HPLC), omvat technieken voor scheiding gebaseerd op interacties tussen een stationaire en een mobiele fase in een kolom . ### 4.1 Algemene principes van Vloeistofchromatografie (LC) LC is een scheidingsmethode die gebruik maakt van een vloeibare mobiele fase en een vaste of vloeibare stationaire fase. Het kan worden onderverdeeld in verschillende mechanismen, waaronder adsorptiechromatografie, verdelingschromatografie, ionenuitwisselingschromatografie, gelfiltratie en affiniteitschromatografie. LC kan worden uitgevoerd voor preparatieve doeleinden (scheiding van grotere hoeveelheden stof) of analytische doeleinden (kwantificering en identificatie van componenten) . ### 4.2 Klassieke Kolomchromatografie Klassieke kolomchromatografie maakt gebruik van stationaire fasen zoals ionenuitwisselingsharsen, affiniteitsmatrices of gels, met deeltjesdiameters van ongeveer 100-150 µm. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor preparatieve doeleinden . ### 4.3 High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) HPLC is een geavanceerde vorm van kolomchromatografie die zich onderscheidt door het gebruik van hoge druk om de mobiele fase door de kolom te persen. Dit resulteert in een groter contactoppervlak met de stationaire fase en een snellere doorgang, wat leidt tot snellere en efficiëntere scheidingen vergeleken met klassieke kolomchromatografie . #### 4.3.1 Vergelijking HPLC en Klassieke Kolomchromatografie | Kenmerk | Klassieke Kolomchromatografie | HPLC | | :------------------ | :---------------------------- | :------------------- | | Kolommateriaal | Glas, plastic | Staal, PEEK | | Diameter kolom | > 1 cm | 0.2 – 0.8 cm | | Deeltjesgrootte (µm)| 100 – 150 | 3 – 10 | | Druk (bar) | 0.05 – 0.1 | > 200 (tot 1000-4000 psi) | | Duur | Uren | Minuten | | Toepassing | Preparatief | Analytisch | #### 4.3.2 Stationaire Fase in HPLC De stationaire fase (SF) in HPLC bestaat typisch uit amorfe silica deeltjes met een grootte van ongeveer 4 µm. Kleinere deeltjesgrootte van de stationaire fase leidt tot een vermindering van de eddy-diffusie (A-term in de Van Deempter vergelijking) en een kleinere diffusie-afstand binnen de deeltjes, wat resulteert in een snellere evenwichtsinstelling (C-term in de Van Deempter vergelijking) en dus een hogere efficiëntie van de kolom. Dit vereist echter wel een hogere druk om de mobiele fase door de kolom te persen . De stationaire fase kan vast zijn (zoals silica) of een vloeistof-film gecoat of chemisch verankerd op een drager (silica deeltjes). De polariteit van de stationaire fase kan polair of apolair zijn. Chemisch verankerde stationaire fasen kunnen ook onderworpen worden aan "end-capping" om de eigenschappen aan te passen, waarbij de invloed van de pH op de stabiliteit van de koppeling belangrijk is . ##### 4.3.2.1 Normale Fase (NP-HPLC) versus Omgekeerde Fase (RP-HPLC) * **Normale Fase (NP-HPLC):** De stationaire fase is polairder dan de mobiele fase. Voorbeelden van stationaire fasen zijn silica, of groepen zoals cyano- of amino- gebonden aan de drager. De mobiele fase is apolair, zoals hexaan, diethylether, chloroform of ethylacetaat. NP-HPLC wordt toegepast voor hydrofobe componenten, vooral wanneer RP niet geschikt is . * **Omgekeerde Fase (RP-HPLC):** De stationaire fase is apolairder dan de mobiele fase. Typische stationaire fasen zijn silica met lange koolwaterstofketens (bv. C8 of C18). De mobiele fase is een mengsel van water (vaak met een buffer tussen pH 3 en 7) en een organisch oplosmiddel zoals methanol, acetonitril of THF . RP-HPLC heeft de voorkeur boven NP-HPLC vanwege het gebruik van minder schadelijke en minder droge oplosmiddelen. De keuze tussen NP-HPLC en RP-HPLC hangt af van de aard van de te scheiden componenten, waarbij de interacties tussen analiet en mobiele fase, analiet en stationaire fase, en mobiele fase en stationaire fase een rol spelen . #### 4.3.3 Mobiele Fase in HPLC De mobiele fase (MF) speelt een cruciale rol in het scheidingsproces. De keuze is afhankelijk van de stationaire fase, mag niet reageren met de stationaire fase, en moet geschikt zijn voor de op te lossen componenten. De polariteit en selectiviteit van de mobiele fase zijn hierbij van belang . Bij RP-HPLC is de mobiele fase meestal een mengsel van water (of buffer) en een organisch oplosmiddel. De viscositeit van de mobiele fase en de elutiersterkte zijn belangrijke eigenschappen . * **Sterk eluens:** Heeft een polariteit die vergelijkbaar is met de stationaire fase, wat leidt tot een sterke interactie tussen de mobiele fase en de stationaire fase. Dit zorgt voor een snellere en minder selectieve scheiding . * **Zwak eluens:** Heeft een polariteit die verschilt van de kolom. De mobiele fase concurreert met de analieten voor interacties met de kolom . Bij UV-detectie is de absorptie van de mobiele fase bij de gekozen golflengte ook van belang. Een iso-eluotrope mobiele fase heeft dezelfde elutiersterkte, wat kan leiden tot elutie binnen dezelfde tijd maar met potentieel verschillende selectiviteit. Een constante samenstelling van de mobiele fase kan nadelen hebben, met name bij zeer zwakke eluenten . #### 4.3.4 Gradiëntelutie Bij gradiëntelutie verandert de samenstelling van de mobiele fase tijdens de analyse, in tegenstelling tot isocratische elutie waarbij de samenstelling constant blijft. Meestal wordt de samenstelling van de mobiele fase aangepast van zwak naar sterk eluens. Na de analyse wordt de samenstelling van de mobiele fase teruggebracht naar de beginwaarde en wordt de kolom geëquilibreerd met de initiële eluenssamenstelling. De pH van de mobiele fase kan de selectiviteit van de scheiding beïnvloeden . #### 4.3.5 Apparatuur in HPLC Een typisch HPLC-systeem is modulair opgebouwd en bestaat uit de volgende componenten : * **Vloeistofreservoir:** Bevat de mobiele fase. Het is belangrijk dat de mobiele fase geen vaste deeltjes bevat en geen opgelost gas, wat bereikt kan worden door vacuümfiltratie of het gebruik van keramische filters . * **Ontgasser:** Verwijderd opgeloste gassen uit de mobiele fase, automatisch of handmatig (bv. via ultrasoonbad) . * **Pomp:** Moet hoge druk (tot 400-600 bar) kunnen leveren zonder pulsen, met een debiet van 0.1 tot 10 ml/min. Een dubbele pistonpomp is hiervoor gebruikelijk . * **Menger:** Kan op hoge druk (na de pomp) of lage druk (voor de pomp) plaatsvinden om solventen te mengen . * **Guard column (Pre-column):** Een korte kolom (ca. 2 cm) die voor de analytische kolom wordt geplaatst om componenten op te vangen die sterke retentie vertonen op de analytische kolom, ter bescherming ervan en om slechte piek vormen te voorkomen. Deze wordt regelmatig vervangen . * **Kolom:** Moet hoge drukken weerstaan en is gemaakt van roestvrij staal of PEEK. De lengte varieert van 5-25 cm en de interne diameter van 1-5 mm . * **Injector:** Gebruikt een klep met 6 uitgangen om de mobiele fase onder hoge druk te injecteren zonder het systeem te onderbreken. Een lus van een bepaald volume wordt gevuld met het monster, waarna de mobiele fase de lus passeert en het monster op de kolom brengt . * **Detector:** Detecteert de gescheiden componenten na passage door de kolom . #### 4.3.6 Detectoren in HPLC Verschillende typen detectoren kunnen worden gebruikt: * **UV-spectrofotometer:** Vergelijkbaar met klassieke UV/Vis-spectrofotometrie, maar met een kleine doorstroomcel (1-10 µl). De detector selecteert een vaste golflengte . * **UV-photodiode array (DAD) detector:** Kan het gehele UV-spectrum van de doorgelaten componenten scannen, wat helpt bij piekidentificatie en zuiverheidsonderzoek. De gevoeligheid is lager dan bij een vaste golflengte detector . * **Fluorescentiedetector:** Detecteert stoffen die fluoresceren. Dit is een specifieke detector voor moleculen met fluorescerende eigenschappen, zoals polycyclische aromatische verbindingen. Post-column derivatisatie kan worden toegepast om niet-fluorescerende moleculen detecteerbaar te maken . * **Conductometrische detector:** Meet de geleidbaarheid van de mobiele fase. Een toename in geleidbaarheid duidt op de aanwezigheid van ionen en is afhankelijk van hun concentratie, lading en specifieke geleidbaarheid. Dit type detector is geschikt voor ionenchromatografie (IEC) . * **Massaspectrometrie (MS):** Na de kolom worden componenten geïoniseerd en gescheiden op basis van hun massa/lading-verhouding . #### 4.3.7 Toepassingen van HPLC HPLC wordt breed toegepast in diverse gebieden, waaronder: * Analyse van de samenstelling en zuiverheid van geneesmiddelen . * Analyse van metabolieten in serum . * Scheiding en analyse van peptiden . * Detectie van pesticiden . * Analyse van water- en vetoplosbare vitaminen . * Bepaling van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) in bodem . * Analyse van fluoxetine in serum, vaak in combinatie met Solid Phase Extraction (SPE) en fluorescentie-detectie . ### 4.4 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) UHPLC, ook wel UPLC genoemd, is een verdere ontwikkeling van HPLC waarbij gebruik wordt gemaakt van nog kleinere deeltjes (< 2 µm) in de kolom en zeer hoge drukken (tot 1000 atm) . #### 4.4.1 Voordelen van UHPLC * Snellere analyses . * Hogere resolutie . * Verbeterde gevoeligheid . * Kleinere injectievolumes mogelijk . * Lager solventverbruik . #### 4.4.2 Nadelen van UHPLC * Snel dichtslibben door de kleine deeltjesgrootte en de zeer nauwe ruimte ertussen . * Verhoogde eisen aan staalvoorbereiding . * Vereist zeer hoge druk . * Kortere levensduur van de kolom . ### 4.5 Monolithische Kolommen in HPLC Monolithische kolommen maken gebruik van een continue poreuze silica structuur in plaats van individuele deeltjes als stationaire fase . #### 4.5.1 Voordelen van Monolithische Kolommen * Werking bij lage drukken . * Snelle analyse . * Lange levensduur . * Geen uitgebreide staalvoorbereiding vereist . --- # Massaspectrometrie (MS) Massaspectrometrie is een analytische techniek die wordt gebruikt om de massa-tot-ladingverhouding van geïoniseerde atomen en moleculen te bepalen, wat structurele informatie en kwantitatieve gegevens oplevert, vaak met zeer lage detectielimieten . ### 5.1 Principe van massaspectrometrie Het principe van massaspectrometrie berust op de ionisatie en fragmentatie van analieten, gevolgd door de scheiding van de resulterende ionen op basis van hun massa-tot-ladingverhouding (m/z) in een vacuüm . #### 5.1.1 Ionisatie en fragmentatie Moleculen in gasfase worden blootgesteld aan energie die groter is dan hun ionisatie-energie, wat resulteert in het verwijderen van een elektron en de vorming van een moleculair ion (radicaalkation). Dit moleculaire ion is vaak instabiel en ondergaat fragmentatie, waarbij kleinere ionen worden gevormd . * **Voorbeeld:** Propaan kan geïoniseerd en gefragmentiseerd worden, wat leidt tot een massaspectrum met pieken die overeenkomen met het moleculaire ion en zijn fragmenten . * **Voorbeeld:** Ethylbenzeen toont zowel een moleculair ion als een basispiek, die het meest abundante fragment vertegenwoordigt . * **Voorbeeld:** Dichlorvos, een insecticide, vertoont isotopische pieken door de aanwezigheid van chloor-isotopen (³⁵Cl en ³⁷Cl) . #### 5.1.2 Het massaspectrum Een massaspectrum visualiseert de relatieve abundantie van de gevormde ionen op de y-as, tegenover hun m/z-verhouding op de x-as (#page=159, 160) . > **Tip:** In tegenstelling tot UV-Vis spectrometrie, waarbij spectra meer algemene absorptiekenmerken tonen, levert een massaspectrum een 'fingerprint' op die specifiek is voor het geïoniseerde molecuul en zijn fragmenten, wat gedetailleerde structurele informatie kan geven. Massaspectrometrie is een destructieve techniek . ### 5.2 Opbouw van een massaspectrometer Een massaspectrometer bestaat in principe uit drie hoofdonderdelen: een ionenbron, een massa-analysator en een ionendetector, met een inlaat voor het monster en een datasysteem (#page=166, 168). Afhankelijk van de techniek (bv. GC-MS of LC-MS) kan de ionisatie plaatsvinden bij verlaagde druk of atmosferische druk (#page=166, 167) . #### 5.2.1 Ionisatiebronnen De keuze van de ionisatiebron is cruciaal en hangt af van factoren zoals de molaire massa, oplosbaarheid en polariteit van het monster . ##### 5.2.1.1 Elektronimpact (EI) Bij elektronimpact (EI) worden gasvormige monsterdeeltjes beschoten met energetische elektronen, wat leidt tot de vorming van moleculaire radicale kationen en fragmentatie (#page=169, 171) . * **Voordelen:** Geschikt voor relatief kleine, vluchtige organische moleculen . * **Nadelen:** De hoge energie van de elektronen veroorzaakt aanzienlijke fragmentatie, wat het detecteren van het moleculaire ion bemoeilijkt. Het monster moet thermisch stabiel zijn. EI is een "harde" ionisatiemethode . ##### 5.2.1.2 Chemische ionisatie (CI) Chemische ionisatie (CI) gebruikt een reagensgas (zoals methaan of ammoniak) dat eerst wordt geïoniseerd door elektronimpact. Vervolgens botsen de analietmoleculen met deze reagensionen, wat resulteert in de ionisatie van het analiet (#page=172, 173) . * **Voordelen:** Een "zachte" ionisatiemethode die leidt tot minder fragmentatie en een hogere abundantie van moleculaire ionen, wat nuttig is voor het bepalen van de molaire massa. Geschikt voor kleinere organische moleculen die als Lewis-zuur of -base kunnen optreden . * **Nadelen:** Minder structurele informatie dan bij EI. Adduct-ionen kunnen gevormd worden . * **Toepassing:** Een van de meest toegepaste ionisatiebronnen bij GC-MS, samen met EI. MW-bereik tot ongeveer 1000 Dalton . ##### 5.2.1.3 Elektrospray-ionisatie (ESI) Elektrospray-ionisatie (ESI) is geschikt voor thermisch gevoelige, niet-vluchtige of grote (bio)moleculen die niet met EI of CI kunnen worden geïoniseerd. Het is een atmosferische druk ionisatiemethode die vaak wordt toegepast bij (HP)LC-MS . * **Proces:** Het HPLC-eluaat wordt door een capillair onder hoge spanning geleid, waardoor geladen druppels ontstaan (#page=176, 177). Solventverdamping en Coulomb-explosies leiden tot kleinere druppels, waaruit uiteindelijk gasvormige ionen vrijkomen (#page=178, 179) . * **Toepassing:** Analyse van proteïnen en DNA . ##### 5.2.1.4 Atmosferische druk chemische ionisatie (APCI) APCI is geschikt voor moleculen die thermisch stabiel zijn en een relatief lage molaire massa hebben. Het eluaat wordt verneveld, het oplosmiddel verdampt, en de analieten in gasfase worden geïoniseerd via een corona-ontlading, waarbij solventionen de lading overdragen aan de analietmoleculen (#page=181, 182) . ##### 5.2.1.5 Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) MALDI wordt gebruikt voor de niet-destructieve verdamping en ionisatie van zowel kleine als grote biomoleculen. Het analiet wordt gemengd met een grote overmaat aan matrixmoleculen die laserstraling absorberen. De laserpuls zorgt voor snelle opwarming en sublimatie van de matrix, waarbij de analietmoleculen worden meegesleept en geïoniseerd door protonoverdracht van de matrix (#page=183, 184) . * **Combinatie:** MALDI wordt typisch gecombineerd met een Time-of-Flight (TOF) analysator . #### 5.2.2 Massa-analysatoren Massa-analysatoren scheiden ionen op basis van hun m/z-verhouding. Belangrijke kenmerken zijn massa resolutie ($m/\Delta m$), massa nauwkeurigheid en massabereik . ##### 5.2.2.1 Magnetische sector analysator In een magnetische sector analysator worden ionen versneld en vervolgens afgebogen door een magnetisch veld. De afbuiging hangt af van de m/z-verhouding, snelheid en de sterkte van het magnetisch veld. Door variatie van het elektrische of magnetische veld kunnen ionen met verschillende m/z-verhoudingen de detector bereiken. Vaak gecombineerd met een elektrostatische sector voor dubbele focussering . ##### 5.2.2.2 Quadrupool analysator Een quadrupool analysator bestaat uit vier parallelle metalen staven waarop wisselende spanningen worden aangelegd. Hierdoor maken ionen een oscillerende beweging; alleen ionen met een specifieke m/z-verhouding volgen een stabiel traject en bereiken de detector (#page=193, 194). Door de spanning te variëren, kunnen ionen van verschillende m/z-verhoudingen sequentieel worden gedetecteerd (m/z scanning) . ##### 5.2.2.3 Time-of-Flight (TOF) analysator Bij een Time-of-Flight (TOF) analysator wordt een puls van ionen versneld en vervolgens door een vacuümbuis geleid. De tijd die ionen nodig hebben om een detector aan het einde van de buis te bereiken (de "time of flight") is afhankelijk van hun snelheid, welke bepaald wordt door hun m/z-verhouding . * **Toepassing:** Wordt meestal gecombineerd met zachte ionisatietechnieken zoals MALDI, waarbij voornamelijk éénwaardige ionen worden gevormd, zodat de scheiding primair door massa wordt bepaald . * **Verbetering:** Het gebruik van een 'ion reflectron' kan de resolutie verhogen door correctie voor kleine verschillen in kinetische energie . ##### 5.2.2.4 Tandem MS (MS/MS of MS²) Tandem massaspectrometrie maakt gebruik van twee (of meer) massa-analysatoren gescheiden door een 'collision cell'. In de eerste analysator wordt een specifiek precursor-ion geselecteerd. Dit ion wordt vervolgens in de botsingscel gefragmenteerd door botsing met een inert gas (bv. argon of xenon) (#page=199, 200). De fragmenten worden vervolgens door de tweede massa-analysator gescheiden (#page=199, 200) . * **Toepassing:** Zeer nuttig voor het verkrijgen van gedetailleerde structurele informatie en voor proteïne sequencing . #### 5.2.3 Detectoren Detectoren registreren de ionen die door de massa-analysator worden gescheiden . * **Elektronenvermenigvuldiger (Electron Multiplier):** Dit type detector registreeert de lading die geïnduceerd wordt wanneer een ion botst met het oppervlak. Door een reeks opeenvolgende dynodes met oplopende potentialen wordt een cascade van elektronen opgewekt, wat leidt tot een versterkt signaal . ### 5.3 Toepassingen Massaspectrometrie wordt vaak gekoppeld aan chromatografische technieken zoals Gaschromatografie-Massaspectrometrie (GC-MS) en Vloeistofchromatografie-Massaspectrometrie ((HP)LC-MS) (#page=157, 203) . #### 5.3.1 Scanmethoden en output Verschillende scanmethoden bieden diverse mogelijkheden voor data-acquisitie en -interpretatie: * **Total Ion Current (TIC):** Registreert de totale ionenstroom van een volledig massabereik op elk tijdstip tijdens de chromatografische scheiding. De totale ionenstroom per scan wordt weergegeven als functie van de tijd . * **Single/Selected Ion Monitoring (SIM):** Een zeer smal massabereik (bv. $\Delta m/z = 1$) wordt doorgelaten naar de detector, wat leidt tot een aanzienlijke verhoging van de gevoeligheid en verlaging van de LOD . * **Selected Reaction Monitoring (SRM) op QQQ/MS²:** Een specifiek precursor-ion wordt geselecteerd, gefragmenteerd, en vervolgens wordt een specifiek fragment geïonitord. Deze methode is optimaal voor complexe matrices omdat interferenties kunnen worden uitgeschakeld, hoewel dit gepaard kan gaan met enig verlies aan gevoeligheid . > **Voorbeeld:** De detectie van een bepaald pesticide (5 $\mu$g/kg) in komkommer met GC/MS in SIM-modus, waarbij specifieke m/z-waarden (290, 276, 305) worden gemonitord . --- # Capillaire elektroforese (CE) Capillaire elektroforese (CE) is een krachtige scheidingstechniek die gebruikmaakt van een aangelegd elektrisch veld om geladen analytische componenten te scheiden binnen een dun capillair buisje gevuld met een bufferoplossing . ### 6.1 Werking en principes van elektroforese Elektroforese is gebaseerd op de beweging van analieten in een geleidend medium onder invloed van een aangelegd elektrisch veld. Kationen (positief geladen deeltjes) bewegen naar de kathode (negatieve elektrode), terwijl anionen (negatief geladen deeltjes) naar de anode (positieve elektrode) bewegen. De snelheid van deze beweging is afhankelijk van verschillende factoren . #### 6.1.1 Vergelijking met gelelektroforese Traditionele gelelektroforese maakt gebruik van een gelmatrix en een bufferoplossing, maar kent nadelen zoals lange analysetijden, lage efficiëntie en het ontbreken van automatisatie, waardoor CE een aantrekkelijker alternatief is geworden . #### 6.1.2 Capillaire elektroforese (CE) Bij CE wordt een capillair buisje met een interne diameter van 25 tot 75 µm gevuld met een bufferoplossing. Na injectie van een monster en het aanleggen van een hoogspanning, bewegen de componenten door het capillair waarna detectie plaatsvindt, resulterend in een elektroferogram dat zowel kwalitatieve als kwantitatieve informatie kan verschaffen . ### 6.2 Scheidingsmechanismen De scheiding in CE is gebaseerd op de netto bewegelijkheid van de analieten, die een combinatie is van elektroforetische mobiliteit en de elektro-osmotische flow . #### 6.2.1 Elektroforetische flow (EF) De elektroforetische snelheid of mobiliteit ($\mu_{ef}$) van een deeltje wordt bepaald door de lading van het deeltje ($q$), de veldsterkte ($E$) van het aangelegde elektrische veld, de viscositeit van het medium ($\eta$) en de straal van het deeltje ($r$). De formule hiervoor is : $$v = \mu_{ef} E$$ waarbij $$\mu_{ef} = \frac{q}{6\pi\eta r}$$ #### 6.2.2 Elektro-osmotische flow (EOF) De elektro-osmotische flow ontstaat door de aanwezigheid van geladen groepen op de wand van het capillair, met name silicaatgroepen (SiO⁻) bij een pH > 3. Deze geladen wand trekt tegengestelde ionen aan, waardoor een elektrische dubbellaag ontstaat. Bij toepassing van een elektrisch veld bewegen deze geladen ionen in de dubbellaag naar de kathode, waarbij ze de gehele bufferoplossing meeslepen, wat effectief werkt als een pomp. De grootte van de EOF is afhankelijk van de lading van de capillaire wand (sterk pH-afhankelijk) en de ionensterkte van de buffer. Een hogere lading van de wand of een lagere ionensterkte leiden tot een hogere EOF-mobiliteit ($\mu_{eof}$) . #### 6.2.3 Combinatie van flows De netto snelheid van een deeltje wordt bepaald door de som van de elektroforetische snelheid en de elektro-osmotische flow, wat leidt tot de scheiding van de componenten. De volgorde waarin deeltjes de detector bereiken, is afhankelijk van deze gecombineerde beweging . ### 6.3 Efficiëntie van scheiding De efficiëntie van een CE-scheiding wordt uitgedrukt in het aantal theoretische platen ($N$), wat kan oplopen tot 100.000 - 200.000. De formule voor $N$ is : $$N = \frac{(\mu_{ef} + \mu_{eof})V}{2D}$$ Hierbij is $V$ de aangelegde spanning en $D$ de diffusiecoëfficiënt van de opgeloste stof. De Van Deempter-vergelijking in zijn basisvorm beschrijft hierbij alleen de verbreding door longitudinale diffusie . #### 6.3.1 Invloed van spanning Het verhogen van de aangelegde spanning ($V$) leidt tot een hogere resolutie en een snellere, efficiëntere scheiding. Echter, hogere spanningen kunnen ook leiden tot temperatuursgradiënten binnen het capillair, wat piekverbreding kan veroorzaken . ### 6.4 Apparatuur #### 6.4.1 Capillair De gebruikte capillairen variëren in lengte van 30 cm tot meer dan 1 meter . #### 6.4.2 Injectie van monster De injectie van het monster in het capillair kan op twee manieren plaatsvinden: * **Hydrodynamische injectie:** Gebaseerd op een drukverschil . * **Elektrokinetische injectie:** Gebaseerd op het aangelegde elektrische veld, waarbij injectievolumes typisch tussen 5 en 50 nL liggen . #### 6.4.3 Hoogspanningsbron Een hoogspanningsbron is essentieel voor het genereren van het elektrische veld dat de scheiding aandrijft . #### 6.4.4 Detectoren Verschillende detectiemethoden kunnen worden toegepast, vergelijkbaar met die in vloeistofchromatografie (LC) : * **UV-Vis detector:** Vaak gebruikt, waarbij de geringe weglengte van het capillair een voordeel is . * **Laser Induced Fluorescence (LIF):** Een gevoelige detectiemethode . * **Elektrospray (in combinatie met Massaspectrometrie - MS):** Voor koppeling met MS . * **Indirecte A-meting:** Mogelijk door toevoeging van een absorberende stof aan het buffer medium . ### 6.5 Elektroferogram Het elektroferogram visualiseert de scheiding en toont de gedetecteerde signalen als functie van de tijd of detectorrespons . ### 6.6 Toepassingen CE kent diverse toepassingen : * Scheiding van inkten . * Scheiding van eiwitten . #### 6.6.1 Samenvatting van de scheiding CE scheidt moleculen op basis van hun grootte en lading. Alle opgeloste stoffen bewegen in de richting van de EOF. De snelheid van de EOF kan worden aangepast door de pH en de concentratie van de buffer. CE biedt zeer efficiënte scheidingen met minimale piekverbreding, hoewel alle neutrale stoffen gelijktijdig elueren. CE kan dienen als een alternatief voor LC . > **Tip:** Bij het interpreteren van elektroferogrammen is het belangrijk om rekening te houden met de gecombineerde effecten van elektroforetische mobiliteit en elektro-osmotische flow, aangezien deze de retentietijd en resolutie van de analytes bepalen. --- # Dunnelaagchromatografie (TLC) Dunnelaagchromatografie (TLC) en hogedrukdunnelaagchromatografie (HPTLC) zijn planar chromatografietechnieken die gebruikt worden voor de scheiding en analyse van mengsels [228-229, 230](#page=230). ### 7.1 Principe van dunnelaagchromatografie TLC is een vorm van planaire vloeistofchromatografie waarbij een dunne laag van een adsorberend materiaal, de stationaire fase (SF), op een substraat zoals glas, metaal of kunststof wordt aangebracht. Monsters worden als spot of band op deze laag aangebracht (spotten). De mobiele fase (MF) wordt in contact gebracht met de plaat en migreert over de SF door capillaire krachten, wat het ontwikkelingsproces wordt genoemd. Tijdens de ontwikkeling zullen stoffen die goed oplossen in de MF sneller stijgen, terwijl stoffen die sterker interageren met de SF langzamer migreren, wat leidt tot de scheiding van de componenten . ### 7.2 Praktische uitvoering van TLC De praktische uitvoering van TLC omvat verschillende stappen : * **Ontwikkelkamer:** Een ontwikkelkamer (OK) of tank wordt gebruikt, waarvan de binnenwanden vaak bekleed zijn met filtreerpapier om een verzadigde atmosfeer te creëren. De eluens (mobiele fase) wordt in de OK geplaatst . * **Spotten:** De stationaire fase wordt gespoten met het monster. De grootte van de initiële spot moet minimaal zijn om scherpe banden te verkrijgen. Voor evaluatie met een TLC-scanner moet de afstand tussen de spots constant zijn. Het is belangrijk om voldoende afstand van de randen te houden . * **Ontwikkeling:** De gespoten plaat wordt in de tank gebracht. Het eluens wordt door capillaire kracht omhoog gezogen. Na de elutie wordt de positie van het eluens gemarkeerd . * **Detectie:** Na ontwikkeling wordt de mobiele fase laten verdampen. De componenten kunnen zichtbaar worden gemaakt met behulp van kleurreagentia (universeel of specifiek) of onder UV-licht . #### 7.2.1 Spotten Het spotten vereist dat de initiële spot zo klein mogelijk is, wat mede afhangt van de keuze van het oplosmiddel van het monster . #### 7.2.2 Stationaire fase De stationaire fase is een dunne laag adsorberend materiaal . * **Silica gel:** Dit is een veelgebruikte stationaire fase. De polariteit en zuur/base-eigenschappen zijn belangrijk voor de interactie met de mobiele fase en de te scheiden stoffen . * **Partikelgrootte:** * Voor TLC ligt de partikelgrootte tussen 10 en 30 µm . * Voor HPTLC is de partikelgrootte kleiner dan 10 µm. Dit resulteert in scherpere banden/spots, een lagere detectielimiet, snellere scheiding en vereist minder staal . * **Fluorescentie-indicator:** Vaak wordt een fluorescentie-indicator toegevoegd aan de stationaire fase, waardoor de vlekken zichtbaar worden na bestraling met UV-licht (bijvoorbeeld Silicagel GF 254) . #### 7.2.3 Ontwikkeling van de plaat De ontwikkelkamer moet worden verzadigd met de mobiele fase voordat de plaat wordt ontwikkeld . ### 7.3 Kwalitatieve en kwantitatieve bepaling #### 7.3.1 Kwalitatieve bepaling Voor kwalitatieve analyse wordt de retentiefactor ($R_f$) bepaald. De $R_f$-waarde is de ratio van de afgelegde afstand door de stof tot de afgelegde afstand door het oplosmiddel : $$R_f = \frac{\text{afstand afgelegd door stof}}{\text{afstand afgelegd door oplosmiddel}}$$ Door $R_f$-waarden van standaarden en het monster te vergelijken, kan worden vastgesteld of componenten identiek zijn (zelfde $R_f$ betekent waarschijnlijk dezelfde stof) . #### 7.3.2 Kwantitatieve bepaling Voor kwantitatieve analyse worden standaardoplossingen met verschillende concentraties gebruikt. Na het spotten van standaarden en het monster, en het ontwikkelen van de plaat, kan een densitometer-scan worden uitgevoerd . ##### 7.3.2.1 Densitometer-scan Een densitometer meet de absorptie of fluorescentie van de stoffen op de plaat . * **Kalibratiecurve:** De piekoppervlakte wordt uitgezet tegen de concentratie om een kalibratiecurve te verkrijgen . * **Concentratiebepaling:** De concentratie van de componenten in de stalen wordt bepaald aan de hand van de vergelijking met de kalibratierechte . ### 7.4 Voordelen van TLC TLC biedt verschillende voordelen : * Snelle analyse van meerdere stalen, geschikt voor procescontrole en screening testen . * De TLC-plaat kan na scheiding bewaard worden voor latere evaluatie . * Snelle optimalisatie van de analyse door het gemakkelijk veranderen van de stationaire en mobiele fase . * HPTLC biedt kwantitatieve analyse met goede precisie en juistheid . **Voorbeelden van toepassingen:** * Fytotherapeutica (medicinale kruidenextracten) . * Metabolische studies in de klinische chemie . * Analyse van cosmetische producten . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Chromatografie | Een scheidingstechniek waarbij componenten van een mengsel worden verdeeld tussen een stationaire fase en een mobiele fase die zich in een bepaalde richting beweegt. De componenten verplaatsen zich met verschillende snelheden, afhankelijk van hun interactie met de fasen. | | Vloeistof-vloeistofextractie (LLE) | Een scheidingsmethode die berust op de verdeling van componenten tussen twee niet-mengbare vloeistoffen, gebaseerd op hun verschillende affiniteiten voor deze fasen. | | Stationaire fase | De fase in een chromatografische scheiding die stilstaat of beweegt met een verwaarloosbare snelheid. Dit kan een vaste stof, een vloeistof gefixeerd op een vaste drager, of een gas zijn. | | Mobiele fase | De fase die zich verplaatst in een chromatografische scheiding en de componenten van het mengsel meevoert. Dit kan een vloeistof of een gas zijn. | | Interferenties | Stoffen die de selectiviteit van een analysetechniek verstoren en verwijderd moeten worden, vaak met behulp van een scheidingsmethode. | | Elutie | Het proces van het uitspoelen van componenten uit een chromatografische kolom met behulp van de mobiele fase. | | Chromatogram | Een grafische weergave van het signaal van een detector in functie van de tijd of het volume van de mobiele fase, die de gescheiden componenten van een mengsel weergeeft. | | Retentietijd (tR) | De tijd die een component nodig heeft om de chromatografische kolom te doorlopen vanaf de injectie tot aan de detectie van de piek. | | Retentievolume (VR) | Het volume van de mobiele fase dat de kolom passeert gedurende de retentietijd van een component. Het wordt berekend als $VR = t_R \times v$, waarbij $v$ de flow rate van de mobiele fase is. | | Dode tijd (tM) of t0 | De tijd die de mobiele fase nodig heeft om de chromatografische kolom te doorlopen. Dit is de retentietijd van een component die geen interactie heeft met de stationaire fase. | | Piekbreedte (w) | De breedte van een chromatografische piek, meestal gemeten aan de basislijn. | | Resolutie (Rs) | Een maat voor de kwaliteit van de scheiding tussen twee naburige pieken in een chromatogram. Een hogere resolutie duidt op een betere scheiding. | | Verdelingscoëfficiënt (KD) | Een constante die de verhouding weergeeft van de concentratie van een stof in de stationaire fase tot de concentratie van dezelfde stof in de mobiele fase bij evenwicht. $K_D = C_s / C_m$. | | Retentiefactor (k) of Capaciteitsfactor (k') | Een dimensieloze parameter die de verhouding weergeeft van de tijd die een component in de stationaire fase doorbrengt tot de tijd die het in de mobiele fase doorbrengt. $k = (t_R - t_M) / t_M$. | | Selectiviteit (α) | De relatieve retentie van twee componenten in een chromatografische scheiding. Het is de verhouding van de verdelingscoëfficiënten of retentiefactoren van de twee componenten. $\alpha = K_{D,2} / K_{D,1} = k'_2 / k'_1$. | | Kolomefficiëntie (N) | Een maat voor de scherpte van de pieken die door een kolom worden geproduceerd. Hogere efficiëntie resulteert in smallere pieken. Het wordt vaak uitgedrukt in het aantal theoretische platen. | | Theoretische plaat | Een concept uit de schoteltheorie dat een hypothetische schijf in de kolom voorstelt waarin evenwicht wordt bereikt tussen de mobiele en stationaire fase. Het aantal theoretische platen (N) is een maat voor de efficiëntie van de kolom. | | HETP (Height Equivalent of a Theoretical Plate) | De hoogte van een theoretische plaat, die een maat is voor de efficiëntie van de kolom. Een lage HETP duidt op een efficiënte kolom. $H = L / N$, waarbij L de lengte van de kolom is. | | Van Deempter vergelijking | Een vergelijking die de relatie beschrijft tussen de kolomhoogte-equivalent van een theoretische plaat (H) en de lineaire snelheid van de mobiele fase (u). Het model houdt rekening met eddy-diffusie (A), longitudinale diffusie (B) en massatransfer (C). $H = A + B/u + Cu$. | | Gaschromatografie (GC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een gas is. Deze techniek wordt voornamelijk gebruikt voor de analyse van vluchtige en thermisch stabiele verbindingen. | | Vlamionisatiedetector (FID) | Een veelgebruikte detector in gaschromatografie die organische componenten detecteert door hun verbranding in een waterstof/lucht vlam, wat resulteert in een ionenstroom die wordt gemeten. | | Thermische geleidbaarheidsdetector (TCD) | Een universele detector in gaschromatografie die veranderingen in de thermische geleidbaarheid van het gasmengsel meet wanneer componenten de kolom verlaten. Alle stoffen die een andere thermische geleidbaarheid hebben dan het draaggas kunnen worden gedetecteerd. | | Elektronengecapture-detector (ECD) | Een selectieve detector in gaschromatografie die stoffen met een hoge elektronenaffiniteit detecteert, zoals gehalogeneerde verbindingen en nitro-groepen. | | Vloeistofchromatografie (LC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een vloeistof is. Dit omvat technieken zoals HPLC en HPTLC. | | High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) | Een geavanceerde vorm van vloeistofchromatografie die hoge druk gebruikt om de mobiele fase door een kolom met kleine deeltjes te persen, wat resulteert in snelle en efficiënte scheidingen. | | Normale fase chromatografie (NP-HPLC) | Een chromatografische techniek waarbij de stationaire fase polair is en de mobiele fase apolair. De scheiding is gebaseerd op polariteitsverschillen. | | Omgekeerde fase chromatografie (RP-HPLC) | Een chromatografische techniek waarbij de stationaire fase apolair is en de mobiele fase polair. Dit is de meest gebruikte modus in HPLC. | | Isocratische elutie | Een chromatografische scheiding waarbij de samenstelling van de mobiele fase constant blijft gedurende de analyse. | | Gradiëntelutie | Een chromatografische scheiding waarbij de samenstelling van de mobiele fase gedurende de analyse verandert, meestal van zwak naar sterk eluens, om de scheiding van componenten met sterk uiteenlopende retenties te verbeteren. | | Massaspectrometrie (MS) | Een analytische techniek die moleculen ioniseert en vervolgens scheidt op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z). Het levert informatie over de molaire massa en structuur van een stof. | | Ionisatiebron | Het onderdeel van een massaspectrometer dat de atomen of moleculen ioniseert. Verschillende methoden omvatten Elektronenimpact (EI), Chemische ionisatie (CI), Elektrospray (ESI) en MALDI. | | Massa-analysator | Het onderdeel van een massaspectrometer dat de gevormde ionen scheidt op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z). Voorbeelden zijn magnetische sector, quadrupool en time-of-flight (TOF). | | Tandem MS (MS-MS of MS²) | Een techniek waarbij een geselecteerd ion in een eerste massa-analysator wordt gefragmenteerd en de fragmentionen vervolgens worden geanalyseerd door een tweede massa-analysator. Dit verhoogt de specificiteit en selectiviteit. | | Capillaire elektroforese (CE) | Een scheidingstechniek die een hoge spanning gebruikt om geladen moleculen door een dunne capillaire buis te bewegen, gescheiden op basis van hun elektroforetische mobiliteit en de elektro-osmotische flow. | | Elektroforetische mobiliteit (μef) | De snelheid van een geladen deeltje in een elektrisch veld, exclusief de invloed van de elektro-osmotische flow. | | Elektro-osmotische flow (EOF) | De netto beweging van de gehele bufferoplossing in een capillaire elektroforese buis, veroorzaakt door de lading op de wand van de capillair en het aangelegde elektrische veld. | | Elektroferogram | De grafische weergave van het signaal van de detector in functie van de tijd in een capillaire elektroforese analyse, vergelijkbaar met een chromatogram. | | Dunnelaagchromatografie (TLC) | Een planaire chromatografische techniek waarbij de stationaire fase een dunne laag adsorberend materiaal is op een plat substraat. De mobiele fase migreert door capillaire krachten, wat leidt tot scheiding. | | Retentiefactor (Rf) | De verhouding van de afstand die een stof aflegt tot de afstand die de mobiele fase aflegt op een TLC-plaat. $R_f = afstand_{stof} / afstand_{mobiele\_fase}$. | | Densitometer | Een apparaat dat wordt gebruikt voor kwantitatieve analyse in TLC door de absorptie of fluorescentie van de gescheiden componenten (vlekken) op de plaat te meten. |

# Introductie tot chromatografie en scheidingsmethoden Dit onderdeel introduceert het belang van scheidingsmethoden, met name voor het verwijderen van interferenties in analyses, en legt de principes uit van vloeistof-vloeistofextractie als een voorloper van chromatografie. ### 1.1 De noodzaak van scheidingsmethoden Analysetechnieken hebben vaak te kampen met onvoldoende selectiviteit, wat leidt tot interferenties door storende stoffen. Om dit probleem op te lossen, zijn scheidingsmethoden essentieel om deze interfererende componenten te verwijderen voordat de eigenlijke analyse plaatsvindt [3](#page=3). ### 1.2 Vloeistof-vloeistofextractie (LLE) Vloeistof-vloeistofextractie (LLE) is een veelgebruikte scheidingsmethode en een voorloper van chromatografie. Het principe berust op de verdeling van componenten van een mengsel tussen twee niet-mengbare vloeistoffen. Een voorbeeld hiervan is de extractie van dijood uit een waterige oplossing naar n-hexaan [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.2.1 Principe van LLE Bij LLE verdelen de componenten van een mengsel zich tussen twee immisicibele vloeistoffen, gebaseerd op hun verschillende affiniteit voor de desbetreffende fasen. Een enkele extractiestap leidt vaak niet tot een goede scheiding, maar door meerdere extractiestappen uit te voeren, waarbij zowel de bovenste als de onderste vloeistof herhaaldelijk worden geëxtraheerd, kan een volledige scheiding worden bereikt [5](#page=5). > **Tip:** De verschillende affiniteit van de componenten (analyt en storende stof) voor de twee fasen is cruciaal voor een succesvolle scheiding middels LLE. ### 1.3 Chromatografie: een geavanceerde scheidingstechniek Chromatografie omvat een reeks scheidingstechnieken waarbij componenten van een mengsel worden verdeeld tussen twee fasen: een stationaire fase en een mobiele fase. De mobiele fase stroomt langs de stationaire fase en transporteert de componenten van het mengsel met verschillende snelheden [6](#page=6). #### 1.3.1 Het chromatografische proces De snelheid waarmee een component zich verplaatst, is afhankelijk van de mate waarin deze interageert met de stationaire en de mobiele fase. Componenten met een grotere affiniteit voor de mobiele fase zullen sneller "elueren" (uitspoelen). Aan het uiteinde van de kolom wordt de mobiele fase door een detector geregistreerd, die de eluerende stoffen detecteert. Dit resulteert in een chromatogram, een grafische weergave van de scheiding [6](#page=6) [8](#page=8) [9](#page=9). > **Tip:** Chromatografie combineert zowel scheiding als detectie van componenten. ### 1.4 Indeling van chromatografische methoden Chromatografische technieken kunnen op verschillende manieren worden ingedeeld: #### 1.4.1 Indeling op basis van de mobiele fase * **Gaschromatografie (GC):** De mobiele fase is een gas [10](#page=10). * **Vloeistofchromatografie (LC):** De mobiele fase is een vloeistof [10](#page=10). #### 1.4.2 Indeling op basis van de configuratie van de stationaire fase * **Kolomchromatografie:** De stationaire fase bevindt zich in een glazen of metalen buis (kolom) [10](#page=10). * **Planaire chromatografie:** De stationaire fase is aangebracht op een plaat of op papier. Bij vloeibare stationaire fasen is deze doorgaans gebonden aan een vaste drager [10](#page=10). #### 1.4.3 Indeling op basis van het scheidingsmechanisme Dit type indeling is gerelateerd aan de aard van de stationaire fase: * **Verdelingschromatografie:** Scheiding gebaseerd op het verschil in oplosbaarheid van componenten tussen de mobiele en stationaire fase [12](#page=12). * **Adsorptiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op het verschil in adsorptie van componenten aan het oppervlak van de stationaire fase [12](#page=12). * **Ionuitwisselingschromatografie:** Scheiding gebaseerd op de interactie van geladen componenten met geladen groepen op de stationaire fase [12](#page=12). * **Moleculaire zeef (gelfiltratie/gelpermeatie):** Scheiding gebaseerd op het verschil in molecuulgrootte, waarbij grotere moleculen sneller worden geëlueerd omdat ze de poriën van de stationaire fase niet kunnen binnendringen [12](#page=12). #### 1.4.4 Uitvoeringswijzen Afhankelijk van de configuratie kan de mobiele fase op verschillende manieren worden verplaatst: * **Planaire chromatografie:** * Capillaire krachten kunnen de mobiele fase omhoog laten stijgen op een plaat of papier [11](#page=11). * Zwaartekracht kan ook een rol spelen in de beweging van de mobiele fase [11](#page=11). * **Kolomchromatografie:** De mobiele fase wordt vaak onder druk door de kolom verplaatst [11](#page=11). ### 1.5 Courante chromatografische technieken Een overzicht van veelgebruikte technieken, ingedeeld naar mobiele fase, stationaire fase en mechanisme: | Techniek | Mobiele fase | Stationaire fase | Configuratie | Mechanisme | | :----------------------- | :----------- | :--------------- | :------------- | :-------------- | | Gas-Liquid (GLC) | gas | vloeistof | kolom | verdeling | | Liquid-Liquid (LLC) | vloeistof | vloeistof | kolom | verdeling | | Liquid-Solid (LSC) | vloeistof | vaste stof | kolom | adsorptie | | Paper Chromatography (PC)| vloeistof | papier | plaat | verdeling | | Thin Layer (TLC) | vloeistof | vaste stof | plaat | adsorptie | | Ion-Exchange (IEC) | vloeistof | hars | kolom | ionenuitwisseling | ### 1.6 Toepassingen van chromatografie Chromatografische technieken hebben diverse toepassingen: * **Eenvoudige scheidingen:** * Zuivering van producten, waarbij storende stoffen uit een mengsel worden gehaald die de analyse kunnen beïnvloeden [14](#page=14). * Controle van de zuiverheid van producten, bijvoorbeeld na chemische syntheses [14](#page=14). * **Analytische technieken (bv. GC, HPLC):** * Kwantitatieve bepaling van componenten in een mengsel na de scheiding [14](#page=14). --- # Chromatografische begrippen en theorie Dit deel van de studiehandleiding behandelt de fundamentele theoretische aspecten van chromatografie, gericht op de concepten die de kwaliteit en efficiëntie van scheidingen bepalen. ### 2.1 Verdelingsmechanisme Chromatografie berust op het principe dat verschillende componenten in een mengsel interageren met de stationaire fase (SF) en de mobiele fase (MF) op een verschillende manier. Deze differentiële interactie leidt tot scheiding [17](#page=17). ### 2.2 De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) is een maat voor de affiniteit van een component voor de stationaire fase ten opzichte van de mobiele fase. Het wordt gedefinieerd als de verhouding van de concentratie van een component in de stationaire fase ($C_s$) tot zijn concentratie in de mobiele fase ($C_m$) wanneer een evenwicht is ingesteld [18](#page=18). $$K_D = \frac{C_s}{C_m}$$ De verdelingscoëfficiënt is temperatuurafhankelijk [18](#page=18). ### 2.3 Chromatogram, retentietijd en retentievolume Een chromatogram visualiseert de scheiding van componenten over tijd. Verschillende termen zijn hierbij van belang: * **Retentietijd ($t_R$)**: De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen en gedetecteerd te worden [19](#page=19). * **Dode tijd ($t_m$ of $t_0$)**: De tijd die de mobiele fase nodig heeft om de kolom te doorlopen. Dit is ook de tijd die een component die geen interactie heeft met de stationaire fase, nodig heeft om de kolom te passeren [19](#page=19). * **Gecorrigeerde retentietijd ($t'_R$)**: De retentietijd van een component, gecorrigeerd voor de dode tijd [19](#page=19). $$t'_R = t_R - t_m$$ Dit vertegenwoordigt de tijd die de component daadwerkelijk in de stationaire fase heeft doorgebracht [26](#page=26). * **Retentievolume ($V_R$)**: Het volume van de mobiele fase dat nodig is om een component te elueren [19](#page=19). $$V_R = t_R \times \text{stroomsnelheid van de mobiele fase}$$ * **Piekbreedte ($w$)**: De breedte van de elutiepiek, vaak gemeten aan de basislijn [19](#page=19). ### 2.4 Evaluatie van de scheiding: Resolutie ($R_s$) Resolutie is een maat voor de kwaliteit van de scheiding tussen twee componenten. Een hogere resolutie betekent een betere scheiding [20](#page=20). De resolutie kan worden berekend met de volgende formule, waarbij $\Delta t_R$ het verschil in retentietijden is en $w$ de gemiddelde piekbreedte aan de basis [21](#page=21): $$R_s = \frac{\Delta t_R}{\frac{w_1 + w_2}{2}}$$ Waarbij: * $\Delta t_R = t_{R2} - t_{R1}$ is het verschil in retentietijden van twee componenten. * $w_1$ en $w_2$ zijn de piekbreedtes van component 1 en 2 aan de basislijn. Een resolutie van 1 betekent een overlap van ongeveer 2,3% tussen de pieken. Een resolutie van 1,5 wordt vaak beschouwd als een goede scheiding, terwijl 2 de basislijnscheiding aangeeft [22](#page=22). **Voorbeeld van resolutieberekening:** Voor een chromatografische analyse van citroenolie worden de volgende gegevens verkregen voor limoneen en $\gamma$-terpineen [23](#page=23): * Limoneen: $t_R = 8,36$ min, $w_b = 0,64$ min * $\gamma$-Terpineen: $t_R = 9,54$ min, $w_b = 0,96$ min De resolutie ($R_s$) kan als volgt worden berekend [24](#page=24): $$R_s = \frac{2 \times (t_{R2} - t_{R1})}{w_{b1} + w_{b2}} = \frac{2 \times (9,54 - 8,36)}{0,64 + 0,96} = \frac{2 \times 1,18}{1,60} = 1,475$$ Deze waarde van 1,475 geeft aan dat de componenten goed gescheiden zijn, maar nog net geen basislijnscheiding vertonen [24](#page=24). #### 2.4.1 Het verbeteren van de resolutie De resolutie kan worden verbeterd door: * De interactie van de stoffen met de stationaire fase te verhogen (grotere retentiefactor $k'$), wat de selectiviteit ($\alpha$) ten opzichte van een andere component kan verhogen [25](#page=25). * Piekverbreding te verminderen, wat gerelateerd is aan de kinetiek en de kolomefficiëntie (hoger aantal platen $N$, kleinere plaathoogte $H$) [25](#page=25). ### 2.5 Interactie componenten met de stationaire fase: Retentiefactor ($k'$) of capaciteitsfactor De retentiefactor ($k'$) is een genormaliseerde maat voor de retentie van een component, onafhankelijk van de dode tijd van de kolom. Het geeft aan hoe sterk een component wordt weerhouden door de stationaire fase [26](#page=26). $$k' = \frac{t'_R}{t_m} = \frac{t_R - t_m}{t_m}$$ De retentiefactor is ook gerelateerd aan de verdelingscoëfficiënt ($K_D$), het volume van de stationaire fase ($V_s$) en het volume van de mobiele fase ($V_m$): $$k' = K_D \frac{V_s}{V_m} = \frac{n_s}{n_m}$$ Waarbij $n_s$ en $n_m$ de hoeveelheden van de stof in respectievelijk de stationaire en mobiele fase zijn [26](#page=26). * **Voorkeurswaarde:** Een retentiefactor tussen 1 en 10 wordt vaak als optimaal beschouwd voor goede scheidingen [26](#page=26). * **Aanpassing:** De retentiefactor kan worden aangepast door de temperatuur (GC, via temperatuurgradiënt) of de samenstelling van de mobiele fase (LC, via gradiënt-elutie) te wijzigen. Temperatuurswisselingen hebben met name invloed op de resolutie bij lage $k'$-waarden [26](#page=26) [27](#page=27). ### 2.6 Selectiviteit ($\alpha$) Selectiviteit is een maat die aangeeft in hoeverre twee componenten van elkaar te onderscheiden zijn in een chromatografische scheiding. Het is de verhouding van de verdelingscoëfficiënten of de retentiefactoren van twee componenten. Voor twee componenten 1 en 2, met $t'_{R2} > t'_{R1}$ [29](#page=29): $$\alpha = \frac{K_{D2}}{K_{D1}} = \frac{k'_2}{k'_1} = \frac{t'_{R2}}{t'_{R1}}$$ * **Interpretatie:** * Een grote $\alpha$ duidt op een grote afstand tussen de pieken, maar dit kan ook betekenen dat de scheiding meer tijd in beslag neemt dan strikt noodzakelijk [29](#page=29). * $\alpha = 1$ betekent dat er geen scheiding plaatsvindt tussen de componenten, omdat hun interactie met de stationaire fase identiek is [29](#page=29). * **Aanpassing:** De selectiviteit kan worden aangepast door: * De keuze van de stationaire fase (andere kolom) [29](#page=29). * De keuze van de mobiele fase (LC) of kolomtemperatuur (GC) [29](#page=29). ### 2.7 Kolomefficiëntie en piekverbreding Kolomefficiëntie is gerelateerd aan hoe smal de elutiepieken zijn. Een hogere efficiëntie leidt tot smallere pieken en dus tot een betere resolutie. Piekverbreding, het tegenovergestelde van efficiëntie, wordt veroorzaakt door verschillende factoren [25](#page=25): * **Eddy-diffusie (A*)**: Veroorzaakt door verschillen in de afgelegde weg die moleculen door de kolom nemen als gevolg van niet-homogene pakking van de stationaire fase [31](#page=31) [32](#page=32). * **Longitudinale diffusie (B*)**: De beweging van moleculen in de mobiele fase in de lengterichting van de kolom, gedreven door concentratiegradiënten [31](#page=31) [33](#page=33). * **Snelheid van stofoverdracht (C*)**: De weerstand tegen massatransfer wanneer een component tussen de stationaire en mobiele fase wisselt; er is geen snelle instelling van het evenwicht tussen de fasen [31](#page=31) [34](#page=34). ### 2.8 De schoteltheorie: Aantal theoretische platen ($N$) en plaathoogte ($H$) De schoteltheorie modelleert een chromatografische kolom als een reeks van ideale "schotels" (plates) waarin de concentraties in de mobiele en stationaire fase in evenwicht zijn [35](#page=35). * **Aantal theoretische platen ($N$)**: Een maat voor de scheidende kracht van de kolom. Hoe groter $N$, hoe efficiënter de kolom. Het kan worden berekend uit de retentietijd en de piekbreedte aan de basis [35](#page=35): $$N = 16 \left(\frac{t_R}{w_b}\right)^2$$ Een kolom met veel platen resulteert in smallere pieken [36](#page=36). * **Plaathoogte ($H$) of HETP (Height Equivalent of a Theoretical Plate)**: De gemiddelde hoogte van een theoretische plaat. Een kleinere plaathoogte ($H$) indiceert een hogere kolomefficiëntie [35](#page=35). $$H = \frac{L}{N}$$ Waarbij $L$ de lengte van de kolom is. ### 2.9 Optimalisatie van de scheiding Het optimaliseren van een chromatografische scheiding omvat het verbeteren van de resolutie, wat kan worden bereikt door het aanpassen van de volgende parameters, vaak gemodelleerd door de Van Deemter vergelijking: De relatie tussen het aantal platen ($N$) en de resolutie ($R_s$) kan worden uitgedrukt als [37](#page=37): $$R_s = \frac{\sqrt{N}}{4} \left(\frac{\alpha - 1}{\alpha}\right) \left(\frac{k'_2}{k'_2 + 1}\right)$$ Als $k'_1 \approx k'_2$, kan dit vereenvoudigd worden tot: $$R_s = \frac{1}{4} \sqrt{N} \frac{\alpha - 1}{\alpha} \frac{k'}{k' + 1}$$ Om de resolutie te verbeteren, kan men: * **De retentiefactor ($k'$) verhogen:** Dit kan door middel van temperatuurprogrammatie (GC) of gradiënt-elutie (LC). Een niet-selectieve verhoging van $k'$ kan de resolutie verbeteren [39](#page=39). * **De kolomselectiviteit ($\alpha$) verhogen:** Dit kan door het veranderen van de stationaire fase (GC/HPLC) of de mobiele fase (HPLC) [39](#page=39). * **De kolomefficiëntie verhogen ($N \uparrow$ of $H \downarrow$):** Dit wordt beïnvloed door de snelheid van de mobiele fase, zoals beschreven door de Van Deempter vergelijking [40](#page=40). #### 2.9.1 De Van Deemter vergelijking De Van Deemter vergelijking beschrijft de relatie tussen de plaathoogte ($H$) en de snelheid van de mobiele fase ($u$). Het houdt rekening met de bijdragen van eddy-diffusie (A), longitudinale diffusie (B) en snelheid van stofoverdracht (C) [41](#page=41). $$H = A + \frac{B}{u} + C u$$ * De **A-term** is onafhankelijk van de snelheid ($u$) en vertegenwoordigt de eddy-diffusie [41](#page=41). * De **B-term** is omgekeerd evenredig met de snelheid ($u$) en vertegenwoordigt de longitudinale diffusie. Bij hogere snelheden wordt de invloed van longitudinale diffusie kleiner [41](#page=41). * De **C-term** is evenredig met de snelheid ($u$) en vertegenwoordigt de weerstand tegen massatransfer (snelheid van stofoverdracht). Bij hogere snelheden neemt de invloed van de C-term toe [41](#page=41). Een optimale mobiele fase snelheid bestaat om de plaathoogte ($H$) te minimaliseren en daarmee de kolomefficiëntie ($N$) te maximaliseren [41](#page=41) [42](#page=42). ### 2.10 Invloed van kolomlengte De lengte van de kolom ($L$) beïnvloedt zowel de resolutie als de retentietijd. Een langere kolom vergroot het aantal theoretische platen ($N$) voor een gegeven plaathoogte ($H$), wat leidt tot een hogere resolutie, maar ook tot langere retentietijden [43](#page=43). $$N = L/H$$ --- # Gaschromatografie (GC) Gaschromatografie (GC) is een krachtige analytische techniek die wordt gebruikt voor de scheiding, identificatie en kwantificering van vluchtige verbindingen [50](#page=50). ### 3.1 Principes van Gaschromatografie #### 3.1.1 Het scheidingsprincipe GC berust op de verdeling van componenten in een mengsel tussen een mobiele fase en een stationaire fase [56](#page=56). * **Mobiele fase (MF):** Een inert gas, ook wel draaggas genoemd (bv. waterstof, helium, stikstof), dat de componenten door de kolom transporteert [52](#page=52). * **Stationaire fase (SF):** Meestal een vloeistof die thermisch stabiel is en een hoog kookpunt heeft, aangebracht op een dragermateriaal (gepakte kolom) of op de binnenwand van de kolom (capillaire kolom) [52](#page=52). De scheiding van componenten is afhankelijk van hun vluchtigheid (kookpunt/verdampingswarmte) en hun interactie met de stationaire fase. Componenten die sterker interageren met de stationaire fase of een lager kookpunt hebben, zullen langzamer door de kolom bewegen en dus later elueren [57](#page=57). #### 3.1.2 Toepasbaarheid GC is toepasbaar voor stoffen die in dampvorm gebracht kunnen worden zonder te ontbinden. Als stoffen niet vluchtig of thermisch instabiel zijn, kan derivatisatie worden toegepast om ze vluchtig en stabiel te maken voor GC-analyse [53](#page=53) [89](#page=89). ### 3.2 Apparatuur in GC De GC-opstelling bestaat uit verschillende kerncomponenten die samenwerken om de analyse uit te voeren [54](#page=54). #### 3.2.1 Gastoevoer De gastoevoer regelt de levering van gassen die nodig zijn voor de werking van het systeem. Dit omvat: * **Draaggas (Carrier gas):** Transporteert de analieten door de kolom. Keuzes zijn H2, He of N2, waarbij He en H2 vaak de voorkeur hebben vanwege hun efficiëntie over een breed scala aan flowsnelheden. De regeling kan op constante druk of constante flow gebeuren, wat belangrijk is bij temperatuurprogrammatie [58](#page=58) [59](#page=59). * **Make-up gas:** Soms toegevoegd aan de detectoruitlaat om de flow te verhogen. * **Detector Gas:** Gassen zoals H2 en lucht (voor FID) of Ar/N2 (voor andere detectoren) zijn afhankelijk van het specifieke detector type [58](#page=58). #### 3.2.2 Kolommen De kolom is het hart van de GC waar de scheiding plaatsvindt. Er zijn twee hoofdtypen: * **Gepakte kolommen:** Korte (2-6 m), dikkere (2-4 mm diameter) kolommen met de stationaire fase gesuspendeerd op kleine bolletjes. Ze kunnen grotere monsters injecteren (0.1-10 µl) [60](#page=60) [61](#page=61). * **Capillaire kolommen:** Lange (10-100 m), zeer dunne (0.25 mm diameter) kolommen waarbij de stationaire fase op de binnenwand is aangebracht. Ze bieden snellere analyses, betere scheidingen en vereisen zeer kleine monsterhoeveelheden (<0.02 µl). De hoeveelheid stationaire fase is hier zeer klein, wat kan leiden tot snelle overbelading en frontvorming van pieken als er te veel geïnjecteerd wordt [60](#page=60) [61](#page=61) [63](#page=63). De keuze van de stationaire fase (polair of apolair) beïnvloedt de oplosbaarheid van componenten en daarmee de scheiding [62](#page=62). #### 3.2.3 Injector De injector brengt het monster in de kolom, idealiter als een nauw bandje om piekverbreding te minimaliseren en zonder dat de analieten degraderen. Er zijn verschillende injectortypes [64](#page=64): * **Split/splitless injector:** * **Split-injectie:** Een groot deel van de monsterflow wordt via een splitkanaal afgevoerd, waardoor slechts een kleine fractie naar de kolom gaat. Dit is geschikt voor concentratie monsters en de splitratio kan ingesteld worden (bv. 20:1 tot 400:1). Voordelen zijn een smal analietband en de mogelijkheid om niet-vluchtige componenten achter te laten in de liner. Nadelen zijn de hoge injectortemperatuur die degradatie kan veroorzaken en dat componenten in de liner kunnen achterblijven [65](#page=65) [66](#page=66) [67](#page=67) [68](#page=68). * **Splitless-injectie:** De splitklep is tijdens de injectie gesloten. Het monster verdampt in de liner en wordt langzaam naar de kolom gevoerd, waardoor het als een nauw bandje aan het begin van de kolom condenseert (bij lage kolomtemperatuur). Na de transfer van het monster wordt de splitklep geopend. Dit is nuttig voor lagere concentraties en reproduceerbare injecties [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71). * **Programmed Temperature Vaporisation (PTV) injector:** Het monster wordt geïnjecteerd bij lage temperatuur met de splitpoort open. Het solvent verdampt, terwijl hoger kokende componenten in de liner concentreren. Daarna wordt de injector snel opgewarmd en de splitpoort gesloten [72](#page=72). * **Cool on column injectie (gepakt):** Het monster (klein volume) wordt direct op de kolom geïnjecteerd. De injector temperatuur is laag, maar hoger dan de oven temperatuur, waardoor minder vluchtige componenten aan het begin van de kolom condenseren [72](#page=72). * **Headspace analyse:** Analyseert vluchtige componenten in de gasfase boven een vloeistof of vaste stof. Het monster wordt in een afgesloten flesje geplaatst (eventueel verwarmd) en het evenwicht tussen de gas- en vloeistoffase wordt benut. Alleen de gasfase (headspace) wordt geïnjecteerd. Toepassingen zijn o.a. bloedalcoholbepalingen en drugs in haar [73](#page=73) [76](#page=76). * **SPME (Solid Phase Micro-Extraction):** Een vorm van headspace analyse waarbij vluchtige componenten adsorberen op een vezel [74](#page=74). #### 3.2.4 Kolomoven De kolomoven regelt nauwkeurig de temperatuur van de kolom, wat cruciaal is voor de scheiding [56](#page=56). * **Constante temperatuur:** Wordt gebruikt wanneer de componenten goed scheidbaar zijn bij één temperatuur [77](#page=77) [78](#page=78). * **Temperatuurprogrammatie:** De temperatuur van de kolom wordt stapsgewijs verhoogd tijdens de analyse. Dit verbetert de scheiding van vroeg eluerende pieken en geeft beter gevormde pieken voor laat eluerende componenten, wat de detectielimiet verhoogt. Bij temperatuurprogrammatie is het vaak wenselijk om met een constante lineaire snelheid van de mobiele fase te werken, wat vereist dat de druk wordt aangepast [78](#page=78) [79](#page=79). #### 3.2.5 Detector De detector meet de componenten die de kolom verlaten en zet de veranderingen in de gasstroom om in een elektrisch signaal. Het signaal wordt weergegeven als een chromatogram, waarbij de piekretentietijd de component identificeert en de oppervlakte onder de piek de concentratie aangeeft [80](#page=80) [81](#page=81). **Veelvoorkomende detectortypes:** * **Vlamionisatiedetector (FID):** Verbrandt organische componenten in een H2/lucht vlam, wat ionen genereert. Een aangelegde spanning zorgt voor een stroom die proportioneel is met de concentratie C-atomen. Zeer gevoelig voor organische verbindingen, maar niet geschikt voor de meeste anorganische stoffen [83](#page=83) [84](#page=84). * **Thermische Geleidbaarheidsdetector (TCD):** Meet de verandering in thermische geleidbaarheid van de gasstroom. Componenten die de kolom verlaten, veranderen de geleidbaarheid van het draaggas (bv. He of H2), wat een verandering in de weerstand van een filament veroorzaakt. Alle componenten zijn meetbaar, maar de detectielimiet is hoger dan bij FID [85](#page=85). * Voorbeeld relatieve thermische geleidbaarheden: Helium (5.97), Waterstof (7.15), Methaan (1.25), Koolstofdioxide (0.55) [86](#page=86). * **Electron Capture Detector (ECD):** Gebruikt een -straler om het draaggas te ioniseren. Aanwezigheid van stoffen met een hoge elektronenaffiniteit (elektronenvangers, bv. halogenen en nitro-groepen) verlaagt de stroomsterkte, waardoor selectieve detectie mogelijk is [87](#page=87). * **Massaspectrometer (MS):** GC-MS is een krachtige combinatie waarbij de MS de moleculaire massa en fragmentatiepatronen van de geëlueerde componenten analyseert, wat leidt tot een zeer specifieke identificatie [88](#page=88). ### 3.3 Voordelen en Nadelen van GC **Voordelen:** * Snelle analyse [89](#page=89). * Efficiënte scheiding [89](#page=89). * Lage detectielimieten [89](#page=89). * Hoge nauwkeurigheid (<1% RSD) [89](#page=89). * Kleine monsterhoeveelheid nodig (<1 ml) [89](#page=89). * Vlotte koppeling met Massaspectrometrie (MS) [89](#page=89). * Brede toepassingsmogelijkheden [89](#page=89). **Nadelen:** * Beperkt tot gemakkelijk te vervluchtigen en thermisch stabiele stalen (ongeveer 10-20%) [89](#page=89). * De meeste detectoren zijn destructief [89](#page=89). * Monster voorbereiding kan complex zijn [89](#page=89). ### 3.4 Toepassingen GC heeft een breed scala aan toepassingen in diverse velden: * **Milieu-analyse:** Organische polluenten in lucht, water en afvalwater, zoals VOC's, pesticiden en herbiciden [90](#page=90). * **Farmacie:** Analyse van geneesmiddelen, resterende solventen, en screening van geneesmiddelen in urine [90](#page=90). * **Forensisch onderzoek:** Identificatie van brandversnellers en explosieven [90](#page=90). * **Voedsel- en drankindustrie:** Analyse van aroma's, geurstoffen, en allergenen in cosmetica [90](#page=90) [93](#page=93). * **Klinische chemie:** Bloedalcoholbepalingen [90](#page=90). ### 3.5 Kwantitatieve Bepalingen Kwantificering in GC gebeurt meestal via chromatogram-integratie van piekoppervlaktes. Er zijn verschillende kalibratiemethoden: #### 3.5.1 Externe Kalibratie Een reeks standaarden met bekende concentraties wordt geanalyseerd om een kalibratierechte op te stellen (piekoppervlakte vs. concentratie). Deze methode is gevoelig voor variaties in injectievolume en monstervoorbereiding [94](#page=94) [95](#page=95). #### 3.5.2 Interne Standaard Methode Aan alle te analyseren monsters en standaarden wordt een bekende hoeveelheid van een interne standaard (IS) toegevoegd. De IS mag niet in het oorspronkelijke monster aanwezig zijn, moet vergelijkbare chemische eigenschappen hebben als de analiet, en apart meetbaar zijn met een eigen piek. De ratio van de piekoppervlakte van de analiet tot die van de IS wordt gebruikt voor de kwantificering [94](#page=94). **Voordelen van de interne standaard methode:** * Compenseert voor variaties in injectievolume en monstervoorbereiding, wat leidt tot een hogere nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid (bv. RSD van 0.51% vergeleken met 22.8% bij externe standaard) [95](#page=95). * Is wenselijk bij manuele injecties, headspace analyse, en monstervoorbereidingen met extractie of derivatisatie waarbij verliezen kunnen optreden [99](#page=99). **Keuze van de interne standaard:** * Niet aanwezig in de stalen [100](#page=100). * Structureel en fysisch/chemisch vergelijkbaar met de analiet [100](#page=100). * Bij voorkeur elueert de IS na de analiet [100](#page=100). * Stabiel en met een gekende concentratie [100](#page=100). #### 3.5.3 Oefeningen en Stappenplan voor Kalibratiemethoden De analyse van gegevens voor kwantificering vereist een gestructureerde aanpak : 1. **Gegevens noteren/visualiseren:** Specificeer massa's en volumes duidelijk. Visualiseer complexe procedures . 2. **Analyseer gegevens:** Identificeer de gebruikte kalibratiemethode (bv. éénpunts of meerpunts) . 3. **Kalibratierechte opstellen (indien niet gegeven):** Bepaal de assen (bv. x-as: concentratie analiet, y-as: piekoppervlakte of ratio) . 4. **Bereken concentratie in gemeten oplossing:** Gebruik de meetwaarde van het staal en de kalibratierechte . 5. **Reken terug naar gevraagde eenheid:** Houd rekening met verdunnings-/concentratiefactoren en relevante volumes/massa's . **Voorbeeld:** Een oefening demonstreert de berekening van pesticide residu's met een interne standaard, waarbij de ratio van piekoppervlaktes wordt gebruikt om de concentratie van heptachloor epoxide (HCE) te bepalen . > **Tip:** Bij het opstellen van kalibratierechten is het cruciaal om de juiste eenheden en relaties tussen analiet en interne standaard correct toe te passen, vooral wanneer er complexe monstervoorbereidingen aan voorafgaan [99](#page=99). --- # Vloeistofchromatografie (LC) en High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Dit gedeelte biedt een gedetailleerd overzicht van vloeistofchromatografie, met een specifieke focus op de principes, componenten, en toepassingen van High Performance Liquid Chromatography (HPLC) . ### 4.1 Algemene principes van vloeistofchromatografie Vloeistofchromatografie (LC) omvat verschillende technieken die gebaseerd zijn op de scheiding van componenten in een mengsel door middel van een stationaire en een mobiele fase. De belangrijkste scheidingsmechanismen zijn adsorptie, verdeling, ionenuitwisseling, gelfiltratie en affiniteitschromatografie. LC kan worden onderverdeeld in planaire chromatografie (zoals dunne laag chromatografie - TLC) en kolomchromatografie. Kolomchromatografie wordt verder onderverdeeld in preparatieve chromatografie (voor scheiding en zuivering van grotere hoeveelheden) en analytische chromatografie (voor kwantitatieve analyse) . ### 4.2 High Performance Liquid Chromatography (HPLC) HPLC vertegenwoordigt een geavanceerdere vorm van kolomchromatografie die is ontworpen voor snellere en efficiëntere scheidingen. Het belangrijkste verschil met klassieke kolomchromatografie is het gebruik van kleinere deeltjes voor de stationaire fase, wat resulteert in een groter contactoppervlak en een snellere doorgang van de mobiele fase door de kolom. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van hoge drukken (tot wel 400-600 bar) om de mobiele fase door de kolom te persen . #### 4.2.1 Vergelijking met klassieke kolomchromatografie | Kenmerk | Klassieke kolomchromatografie | HPLC | | ------------------ | ----------------------------- | --------------------------- | | Kolommateriaal | Glas, plastic | Staal, PEEK | | Diameter kolom | > 1 cm | 0,2 – 0,8 cm | | Deeltjesgrootte (µm) | 100 – 150 | 3 – 10 | | Druk (bar) | 0,05 – 0,1 | > 200 (1000-4000 psi) | | Duur | Lang: uren | Kort: minuten | | Toepassing | Preparatief | Analytisch | #### 4.2.2 Stationaire fase (SF) De stationaire fase in HPLC is doorgaans gebaseerd op silica deeltjes, die amorf zijn en een diameter hebben van ongeveer 4 µm. Kleinere deeltjes in de stationaire fase leiden tot een vermindering van de 'A-term' (eddy diffusie) en de 'C-term' (diffusieafstand in partikels) in de Van Deempter vergelijking, wat resulteert in een hogere efficiëntie van de kolom en een snellere evenwichtsinstelling. Het gebruik van kleinere deeltjes vereist echter hogere druk . De stationaire fase kan vast (bv. silica) of een vloeistof-film zijn die gecoat of chemisch verankerd is op een drager. De aard van de stationaire fase kan polair of apolair zijn. Chemisch verankerde stationaire fasen op silica dragers, met de mogelijkheid tot 'end-capping' om de vrije silanolgroepen te neutraliseren, worden veelvuldig gebruikt. De stabiliteit van de stationaire fase is afhankelijk van de pH van de mobiele fase . ##### 4.2.2.1 Normale fase (NP) versus omgekeerde fase (RP) HPLC * **Normale fase (NP-HPLC):** De stationaire fase is polairder dan de mobiele fase. Voorbeelden van stationaire fasen zijn silica, of cyano- of amino-groepen gebonden aan de drager. De mobiele fase bestaat uit apolaire organische solventen zoals hexaan, diethylether, chloroform, of ethylacetaat. NP-HPLC wordt toegepast voor hydrofobe componenten wanneer RP niet geschikt is . * **Omgekeerde fase (RP-HPLC):** De stationaire fase is apolairder dan de mobiele fase. Typische stationaire fasen zijn silica met lange C-ketens, zoals C8 of C18. De mobiele fase bestaat uit water (vaak met een buffer tussen pH 3 en 7) en een organisch oplosmiddel zoals methanol, acetonitrile, of tetrahydrofuran (THF) . RP-HPLC is over het algemeen de voorkeursmethode vanwege het gebruik van minder droge, minder gevaarlijke solventen in vergelijking met NP-HPLC. De keuze tussen NP-HPLC en RP-HPLC hangt af van de aard van de te scheiden componenten, waarbij de interactie tussen analiet, mobiele fase en stationaire fase een cruciale rol speelt . #### 4.2.3 Mobiele fase De mobiele fase speelt een essentiële rol in het scheidingsproces en de keuze ervan is afhankelijk van de stationaire fase, de aard van de te scheiden componenten en de gewenste polariteit en selectiviteit. De mobiele fase mag niet reageren met de stationaire fase . * **Sterke en zwakke eluenten:** Een sterk eluens heeft een polariteit die vergelijkbaar is met die van de stationaire fase, wat leidt tot een sterke interactie tussen de mobiele fase en de stationaire fase. Een zwak eluens heeft een polariteit die verschilt van de kolom. Hoe meer de mobiele fase lijkt op de stationaire fase, hoe sneller en minder selectief de scheiding zal zijn, omdat de mobiele fase in competitie treedt met de analieten voor kolominteracties . Veelgebruikte mobiele fasen bij RP-HPLC zijn mengsels van water (of buffer) met organische solventen zoals methanol of acetonitrile. Andere belangrijke eigenschappen van de mobiele fase zijn de viscositeit en de elutiesterkte . > **Tip:** Bij UV-detectie is het belangrijk om rekening te houden met de absorptie van de mobiele fase bij de gekozen golflengte . * **Iso-eluotrope mobiele fase:** Een mobiele fase met dezelfde elutiesterkte, wat betekent dat de eluatie binnen dezelfde tijd plaatsvindt, maar mogelijk met een verschillende selectiviteit . #### 4.2.4 Eluatiemethoden Er zijn twee primaire eluatiemethoden in HPLC: * **Isocratische eluatie:** De samenstelling van de mobiele fase blijft constant gedurende de gehele analyse. Dit is geschikt voor eenvoudige scheidingen . * **Gradiënt elutie:** De samenstelling van de mobiele fase wordt gedurende de analyse gevarieerd, meestal van een zwak naar een sterk eluens. Na de analyse wordt de samenstelling van het eluens teruggebracht naar de initiële waarde om de kolom te laten equilibreren voor de volgende analyse. Gradiënt elutie is nuttig voor monsters met een breed bereik aan retentie-eigenschappen, waardoor zowel snel eluerende als langzaam eluerende componenten efficiënt gescheiden kunnen worden . De pH van de mobiele fase kan de selectiviteit van de scheiding aanzienlijk beïnvloeden, met name voor ioniseerbare componenten . #### 4.2.5 Apparatuur voor HPLC Een typisch HPLC-systeem is modulair opgebouwd en bestaat uit de volgende componenten: 1. **Vloeistofreservoir:** Bevat de mobiele fase. De mobiele fase moet vrij zijn van vaste deeltjes en opgelost gas, daarom wordt filtratie aanbevolen . 2. **Ontgasser:** Verwijdert opgeloste gassen uit de mobiele fase, hetzij automatisch of handmatig . 3. **Pomp:** Levert de mobiele fase onder hoge druk (tot 400-600 bar) zonder pulsen, met een debiet van 0,1 tot 10 ml/min. Dubbele pistonpompen worden vaak gebruikt . * **Menging:** De menging van solventen kan plaatsvinden op hoge druk (na aanzuiging door de pomp) of op lage druk (voordat de pomp de solventen aanzuigt) . 4. **Guard column (pre-column):** Een korte kolom (ongeveer 2 cm) die vóór de analytische kolom wordt geplaatst. Deze vangt componenten op die sterke retentie vertonen op de analytische kolom of die de kolom kunnen aantasten, ter bescherming van de analytische kolom. Guard columns worden regelmatig vervangen . 5. **Kolom:** De stationaire fase is verpakt in een kolom die hoge drukken kan weerstaan. Kolommen zijn meestal gemaakt van roestvrij staal of PEEK, met lengtes van 5-25 cm en interne diameters van 1-5 mm . 6. **Injector:** Maakt het mogelijk om het monster in de onder hoge druk staande mobiele fase te injecteren. Een klep met 6 uitgangen wordt hiervoor gebruikt. De injectie gebeurt met behulp van een lus van een bepaald volume . 7. **Detector:** Detecteert de componenten die de kolom verlaten. Gangbare detectoren zijn: * **UV-spectrofotometer:** Werkt met een kleine doorstroomcel (1-10 µl) en selecteert een vaste golflengte . * **UV Photodiode Array (DAD) detector:** Kan het volledige UV-spectrum van de eluerende componenten afscannen, wat helpt bij piekidentificatie en zuiverheidsbeoordeling . * **Fluorescentiedetector:** Specifiek voor fluorescerende moleculen. Derivatisatie kan worden gebruikt om niet-fluorescerende moleculen detecteerbaar te maken . * **Conductometrische detector:** Meet de geleidbaarheid van de mobiele fase en is geschikt voor ionenuitwisseling chromatografie (IEC) . * **Massaspectrometrie (MS):** Componenten worden na de kolom geïoniseerd en gescheiden op basis van hun massa/lading verhouding . #### 4.2.6 Ultra High Performance Liquid Chromatography (UHPLC) UHPLC (ook wel UPLC genoemd) maakt gebruik van nog kleinere deeltjes (< 2 µm) in de kolom en zeer hoge drukken (tot wel 1000 atm). Dit resulteert in een significant hogere efficiëntie, snellere analyses, hogere resolutie en verbeterde gevoeligheid, met een lager solventverbruik. Nadelen zijn onder andere een verhoogd risico op dichtslibben door de zeer kleine deeltjes, een meer veeleisende monsterbereiding, een kortere levensduur van de kolom en de noodzaak van apparatuur die de zeer hoge druk aankan . #### 4.2.7 Monolithische kolommen Monolithische kolommen bevatten een continue poreuze silica structuur in plaats van afzonderlijke deeltjes. Voordelen van deze kolommen zijn werking bij lagere drukken, snelle analyses, een lange levensduur en geen noodzaak voor uitgebreide monsterbereiding . ### 4.3 Toepassingen van HPLC HPLC wordt in diverse analytische gebieden toegepast, waaronder de analyse van de samenstelling en zuiverheid van geneesmiddelen, metabolieten in serum, peptiden, pesticiden, en vitaminen. Een specifiek voorbeeld is de analyse van fluoxetine in serum, waarbij Solid Phase Extraction (SPE) wordt gebruikt voor opzuivering, gevolgd door HPLC met een C8-kolom en fluorescentiedetectie . Oefeningen illustreren de praktische toepassing van HPLC, zoals de bepaling van polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) in bodemmonsters met behulp van extractie, HPLC en UV-Vis of fluorescentie detectie, waarbij kwantificatie plaatsvindt op basis van meetwaarden en een trendlijn . --- # Massaspectrometrie (MS) Massaspectrometrie is een techniek die atomen en moleculen ioniseert en fragmenteert, waarna de gevormde ionen worden geanalyseerd op basis van hun massa-tot-lading-verhouding ($m/z$) om structurele en kwantitatieve informatie te verkrijgen . ### 5.1 Principe van Massaspectrometrie Het principe van massaspectrometrie omvat drie hoofdfasen: ionisatie, scheiding van ionen op basis van $m/z$, en detectie. De techniek is destructief, in tegenstelling tot UV-Vis spectrometrie . #### 5.1.1 Ionisatie en Fragmentatie Moleculen in gasfase worden blootgesteld aan energie die groter is dan hun ionisatie-energie, wat resulteert in het verwijderen van een elektron en de vorming van een moleculair ion (radicaalkation). Dit moleculaire ion is vaak instabiel en ondergaat fragmentatie, waarbij kleinere ionen ontstaan . > **Voorbeeld:** Propaan kan na ionisatie fragmenteren . > **Voorbeeld:** Ethylbenzeen toont een moleculair ion en fragmentpieken, waaronder een basispiek . > **Voorbeeld:** Dichlorvos laat zien hoe isotopen (zoals chloor) zichtbaar zijn in het massaspectrum . #### 5.1.2 Opbouw van een Massaspectrometer Een massaspectrometer bestaat uit drie basisonderdelen: een ionenbron, een massa-analysator, en een ionen-detector. Een inlaat verzorgt de introductie van het monster. Voor GC-MS vindt ionisatie plaats onder verlaagde druk terwijl LC-MS ionisatie bij atmosferische druk gebruikt . ### 5.2 Ionisatiebronnen De keuze van de ionisatiebron is cruciaal en afhankelijk van factoren zoals molaire massa, oplosbaarheid en polariteit van het monster . #### 5.2.1 Elektron Impact (EI) Bij elektron impact (EI) worden moleculen in gasfase beschoten met energetische elektronen, wat leidt tot de vorming van moleculaire ionen en fragmentatie (#page=169, page=170, page=171). Dit is een "harde" ionisatiemethode, geschikt voor relatief kleine, vluchtige, en thermisch stabiele organische moleculen . #### 5.2.2 Chemische Ionisatie (CI) Chemische ionisatie (CI) is een "zachtere" ionisatiemethode die ionen vormt door botsingen tussen analytemoleculen en reagent-ionen, die op hun beurt geïoniseerd zijn door elektronimpact (#page=172, page=173). Dit leidt tot minder fragmentatie en meer moleculaire ionen, wat nuttig is voor het bepalen van de molaire massa. Het is geschikt voor kleinere organische moleculen . > **Tip:** EI en CI zijn de meest toegepaste ionisatiebronnen bij GC-MS . > **Voorbeeld:** Vergelijking van EI en CI spectra voor een molecuul met molaire massa 299 . #### 5.2.3 Elektrospray Ionisatie (ESI) Elektrospray ionisatie (ESI) is geschikt voor thermisch gevoelige, niet-vluchtige en grotere biomoleculen die niet met EI of CI geanalyseerd kunnen worden. Het vindt plaats bij atmosferische druk en wordt vaak gebruikt in combinatie met (HP)LC-MS. Het proces omvat de vorming van geladen druppels, solventverdamping, en Coulomb-explosies totdat gasvormige ionen vrijkomen (#page=176, page=177, page=178, page=179) . #### 5.2.4 Atmosferische Druk Chemische Ionisatie (APCI) APCI wordt gebruikt voor moleculen die thermisch stabiel zijn en een relatief lage molaire massa hebben. Het eluaat wordt verneveld, het solvent verdampt, en de analytmoleculen worden geïoniseerd via een corona-ontlading naald en interactie met geïoniseerde mobiele fase moleculen (#page=181, page=182) . #### 5.2.5 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation (MALDI) MALDI is een niet-destructieve methode voor de verdamping en ionisatie van kleine en grote biomoleculen. Analieten worden gemengd met een matrix die UV-straling absorbeert. Bestraling met een laserpuls zorgt voor snelle opwarming en sublimatie van de matrix, waarbij de analietmoleculen worden meegesleurd en geïoniseerd door protonoverdracht. MALDI wordt typisch gecombineerd met een Time-of-Flight (TOF) analysator . ### 5.3 Massa-Analysatoren Massa-analysatoren scheiden ionen op basis van hun $m/z$-verhouding. Belangrijke kenmerken zijn massa-resolutie ($m/\Delta m$), massa-accuraatheid, en massabereik (dynamic range) . #### 5.3.1 Magnetische Sector Analysator In een magnetische sector analysator worden ionen versneld in een elektrisch veld en vervolgens afgebogen door een magnetisch veld. De afbuiging, en daarmee het ionenpad, is afhankelijk van de $m/z$-verhouding, snelheid en magnetische veldsterkte. Door variatie van het elektrische of magnetische veld kunnen ionen met verschillende $m/z$-verhoudingen de detector bereiken. Een dubbel-focuserende analysator combineert een magnetische en een elektrostatische sector om de kinetische energie van de deeltjes te egaliseren . #### 5.3.2 Quadrupool Analysator Een quadrupool analysator bestaat uit vier parallelle metalen staven waarop afwisselend positieve en negatieve spanningen worden aangelegd. Ionen maken een oscillerende beweging, en alleen ionen met een specifieke $m/z$-verhouding volgen een stabiel traject en bereiken de detector (#page=193, page=194). Het variëren van de spanning maakt $m/z$-scanning mogelijk . #### 5.3.3 Time-of-Flight (TOF) Analysator Bij een Time-of-Flight (TOF) analysator wordt een puls van ionen versneld en passeert deze door een vacuümbuis naar een detector. De tijd die de ionen nodig hebben om de detector te bereiken (de "time of flight") is afhankelijk van hun snelheid, welke bepaald wordt door hun massa/lading-verhouding. TOF-analysatoren worden vaak gecombineerd met zachte ionisatietechnieken zoals MALDI. De resolutie kan verhoogd worden met een "ion reflectron" . #### 5.3.4 Tandem MS (MS-MS of MS²) Tandem massaspectrometrie (MS-MS) maakt gebruik van twee massa-analysatoren gescheiden door een botsingscel (#page=199, page=200). In de eerste analysator wordt een specifiek ion geselecteerd, waarna dit ion in de botsingscel fragmenteert bij botsing met een inert gas. De resulterende fragmenten worden vervolgens door de tweede analysator gescheiden. Dit is nuttig voor structurele analyse, bijvoorbeeld bij proteïne sequencing . ### 5.4 Detectoren Detectoren registreren de hoeveelheid ionen die de massa-analysator bereiken. Een veelgebruikte detector is de elektronen-vermenigvuldiger (electron multiplier), die werkt via secundaire elektronemissie . ### 5.5 Scan Methoden en Output Massaspectrometrie kan verschillende scan methoden gebruiken, wat resulteert in diverse data-outputs. #### 5.5.1 Total Ion Current (TIC) Bij Total Ion Current (TIC) wordt elke scan een volledig massabereik geregistreerd. De totale ionenstroom van elke scan wordt weergegeven als intensiteit ten opzichte van de tijd . #### 5.5.2 Single/Selected Ion Monitoring (SIM) Single Ion Monitoring (SIM) of Selected Ion Monitoring (SIM) laat slechts een zeer klein massabereik (bijvoorbeeld $\Delta m/z = 1$) door naar de detector, wat leidt tot een verhoogde gevoeligheid en lagere limieten voor detectie (LOD) . #### 5.5.3 Selected Reaction Monitoring (SRM) Selected Reaction Monitoring (SRM) wordt toegepast op tandem MS-systemen (zoals QQQ/MS²). Hierbij wordt één $m/z$ geselecteerd, gefragmenteerd, en vervolgens één specifiek fragment gemonitord. Dit is zeer effectief voor het uitschakelen van interferenties in complexe matrices, hoewel dit gepaard kan gaan met een verlies aan gevoeligheid . > **Voorbeeld:** Detectie van een specifieke pesticide met behulp van GC/MS in SIM-modus, met selectie van bepaalde $m/z$-waarden . --- # Capillaire Elektroforese (CE) Capillaire elektroforese (CE) is een scheidingstechniek die gebruik maakt van een aangelegd elektrisch veld om analytische componenten te scheiden binnen een dunne capillaire buis gevuld met een geleidend medium [10](#page=10) [5](#page=5). ### 6.1 Algemene principes van elektroforese Elektroforese is gebaseerd op de beweging van geladen deeltjes in een geleidend medium onder invloed van een aangelegd elektrisch veld. Kationen bewegen naar de kathode (negatieve elektrode) en anionen bewegen naar de anode (positieve elektrode). De snelheid van deze beweging is afhankelijk van de lading van het deeltje, de sterkte van het elektrische veld, de viscositeit van het medium en de grootte van het deeltje [12](#page=12) [3](#page=3). Traditionele gelelektroforese kent nadelen zoals lange analysetijden, lage efficiëntie en het ontbreken van automatisering, waardoor CE als een geavanceerd alternatief is ontstaan [4](#page=4). ### 6.2 Principe van capillaire elektroforese Bij CE wordt een waterige bufferoplossing in een dun capillair buisje (interne diameter van 25-75 µm en lengte van 30-100 cm) geplaatst. Na injectie van een monster wordt een hoge spanning aangelegd, waardoor de componenten door de kolom migreren en gedetecteerd worden, resulterend in een elektroferogram [6](#page=6) [9](#page=9). #### 6.2.1 Scheidingsmechanismen De scheiding in CE is gebaseerd op de relatieve snelheden waarmee de analytische componenten bewegen, welke worden beïnvloed door twee hoofdmechanismen: * **Elektroforetische snelheid/mobiliteit ($\mu_{ef}$)**: Dit is de snelheid waarmee een geladen deeltje beweegt onder invloed van het aangelegde elektrische veld ($E$). De formule hiervoor is: $$v = \mu_{ef} E$$ [12](#page=12). waarbij $\mu_{ef}$ de elektroforetische mobiliteit is, gedefinieerd als: $$\mu_{ef} = \frac{q}{6\pi\eta r}$$ [12](#page=12). Hierbij is $q$ de lading van het deeltje, $\eta$ de viscositeit van het milieu, en $r$ de straal van het deeltje [12](#page=12). * **Elektro-osmotische flow (EOF)**: Dit is de stroming van de bufferoplossing in het capillair, voornamelijk veroorzaakt door de lading op de binnenwand van het capillair. Bij een pH groter dan 3 ontstaan negatieve ladingen (SiO$^{-}$) op de wand van een glazen capillair. Kationen in de buffer migreren naar de kathode, waardoor de oplossing mee wordt getrokken. De EOF fungeert als een 'pomp' die de gehele oplossing, inclusief de analytische componenten, richting de detector stuwt [13](#page=13). De grootte van de EOF wordt beïnvloed door de lading van de capillaire wand (die afhangt van de pH) en de ionensterkte (IS) van de buffer. Een hogere lading op de wand of een lagere ionensterkte resulteert in een grotere EOF [14](#page=14). #### 6.2.2 Integratie van flows voor scheiding De netto snelheid van een deeltje is de som van de elektroforetische snelheid en de elektro-osmotische flow. De scheiding treedt op omdat verschillende deeltjes verschillende netto snelheden hebben, waardoor ze op verschillende tijdstippen de detector bereiken [15](#page=15) [16](#page=16). > **Tip:** Bij een pH waarbij de EOF significant is, bewegen alle deeltjes (kationen, anionen en neutrale stoffen) naar één elektrode. De scheiding van geladen deeltjes is dan gebaseerd op hun relatieve mobiliteiten binnen deze globale stroming. ### 6.3 Efficiëntie van scheiding De efficiëntie van een scheiding wordt uitgedrukt in het aantal theoretische platen ($N$). Een hogere $N$ duidt op een betere scheiding en scherpere pieken. De Van Deempter-vergelijking, hoewel primair ontworpen voor chromatografie, kan worden aangepast om de efficiëntie in CE te beschrijven, waarbij longitudinale diffusie als de belangrijkste oorzaak van piekverbreding wordt beschouwd. De formule voor $N$ is [17](#page=17): $$N = \frac{(\mu_{ef} + \mu_{eof}) \cdot V}{2D}$$ [17](#page=17). Hierbij is $V$ de aangelegde spanning en $D$ de diffusiecoëfficiënt van de opgeloste stof [17](#page=17). * **Hogere spanning ($V$)** leidt tot een hogere $N$ en dus een betere resolutie en snellere scheiding [18](#page=18). * **Nadelen van hogere spanning:** kan leiden tot temperatuursgradiënten binnen het capillair, wat weer piekverbreding kan veroorzaken [18](#page=18). ### 6.4 Apparatuur voor Capillaire Elektroforese #### 6.4.1 Capillair De gebruikte capillairen variëren in lengte van 30 cm tot wel 1 meter [19](#page=19) [9](#page=9). #### 6.4.2 Injectie van staal Het capillair wordt gevuld met de bufferoplossing. Een uiteinde van het capillair wordt vervolgens in de monsteroplossing geplaatst voor injectie. Er zijn twee hoofdmethoden voor injectie [10](#page=10) [20](#page=20): * **Hydrodynamische injectie:** Hierbij wordt het monster geïnjecteerd door een drukverschil te creëren [20](#page=20). * **Elektrokinetische injectie:** Hierbij wordt het monster geïnjecteerd onder invloed van het elektrische veld. Het injectievolume varieert typisch van 5 tot 50 nL [20](#page=20) [21](#page=21). #### 6.4.3 Hoogspanningsbron Een hoogspanningsbron is essentieel voor het genereren van het elektrische veld dat de migratie van de analytische componenten aandrijft. Hogere spanningen leiden tot een betere resolutie, snellere scheiding en hogere efficiëntie [22](#page=22) [6](#page=6). #### 6.4.4 Detectoren Verschillende detectoren kunnen worden gebruikt in CE, vergelijkbaar met die in vloeistofchromatografie (LC) [23](#page=23): * **UV-Vis detector:** Dit is de meest gebruikte detector. De detectie vindt plaats door de geringe weglengte in de smalle capillairen [23](#page=23). * **LIF (Laser Induced Fluorescence):** Een zeer gevoelige detectiemethode voor fluorescerende stoffen [23](#page=23). * **Elektrospray (MS):** Koppeling met massaspectrometrie voor identificatie en kwantificering [23](#page=23). Indirecte A-meting is ook mogelijk door de toevoeging van een absorberende stof aan de buffer [24](#page=24). ### 6.5 Elektroferogram Het resultaat van een CE-analyse is een elektroferogram, dat de detectorrespons weergeeft als functie van de tijd. Ditogram maakt kwalitatieve en kwantitatieve analyse mogelijk [24](#page=24) [6](#page=6). ### 6.6 Samenvatting van CE CE is een scheidingstechniek die analytische componenten scheidt op basis van hun molecuulgrootte en lading onder invloed van een elektrisch veld. De EOF, die de snelheid van de mobiele fase bepaalt, kan worden aangepast door de pH en de concentratie van de buffer. CE biedt zeer efficiënte scheidingen met minimale piekverbreding. Alle neutrale stoffen elueren doorgaans gelijktijdig. Het wordt beschouwd als een waardevol alternatief voor LC [25](#page=25). ### 6.7 Toepassingen Capillaire elektroforese kent diverse toepassingen, waaronder: * Scheiding van inkten [26](#page=26). * Scheiding van proteïnen [27](#page=27). --- # Dunnelaagchromatografie (TLC) Dit hoofdstuk behandelt de uitvoering, stationaire en mobiele fasen, detectiemethoden en toepassingen van dunnelaagchromatografie (TLC) en hogedrukdunnelaagchromatografie (HPTLC), zowel voor kwalitatieve als kwantitatieve analyses . ### 1.1 Algemene principes van TLC Dunnelaagchromatografie (TLC) is een vorm van planaire vloeistofchromatografie. Hierbij wordt een dunne laag adsorberend materiaal, de stationaire fase (SF), aangebracht op een drager zoals glas, metaal of kunststof. Op deze laag worden de te analyseren stoffen aangebracht als kleine spotjes of banden. De mobiele fase (MF) wordt vervolgens in contact gebracht met de plaat, waarna deze door capillaire krachten over de SF migreert en de componenten scheidt . ### 1.2 Praktische uitvoering van TLC #### 1.2.1 De ontwikkelkamer Voor de ontwikkeling van de TLC-plaat wordt een ontwikkelkamer (OK, tank) gebruikt. De binnenwanden van de kamer worden bekleed met filtreerpapier om een verzadigde atmosfeer te verkrijgen. De mobiele fase, ook wel eluens genoemd, wordt in de OK geplaatst . #### 1.2.2 Spotten van de plaat Het aanbrengen van de staalspotjes is een cruciale stap. De initiële spot moet zo klein mogelijk zijn. Dit kan met een microapplicator of micropipet. Voor een optimale scheiding en analyse, zeker bij gebruik van een TLC-scanner, is het belangrijk dat de afstand tussen de spots constant is en dat de spots voldoende afstand houden van de randen van de plaat. De keuze van het oplosmiddel voor het staal is bepalend voor de grootte van de spot . > **Tip:** Een automatische applicator kan zorgen voor een consistente en optimale spotgrootte . #### 1.2.3 Ontwikkeling van de plaat Nadat de plaat gespot is, wordt deze in de ontwikkelkamer geplaatst, waarbij de spotjes zich boven het niveau van het eluens bevinden. Het eluens zal door capillaire kracht omhoog trekken over de stationaire fase. Stoffen die goed oplossen in de mobiele fase stijgen sneller, terwijl stoffen die sterker interageren met de stationaire fase langzamer migreren. Dit verschil in migratiesnelheid leidt tot de scheiding van de componenten van het staal. Het is essentieel om de ontwikkelkamer te verzadigen met de mobiele fase om een consistente ontwikkeling te garanderen. Na de elutie moet worden aangegeven tot waar het eluens is gekomen . ### 1.3 Stationaire fase (SF) De meest gebruikte stationaire fase is silica gel, een polair adsorberend materiaal. Andere materialen kunnen ook gebruikt worden. De partikelgrootte van de stationaire fase is van belang : * **TLC:** partikels van 10 tot 30 µm . * **HPTLC (High Performance TLC):** partikels kleiner dan 10 µm, wat resulteert in scherpere banden en spots, een lagere detectielimiet, snellere scheidingen en een kleiner staalverbruik . Vaak wordt een fluorescentie-indicator toegevoegd aan de stationaire fase, zoals in silicagel GF 254, waardoor vlekken zichtbaar worden na bestraling met UV-licht . ### 1.4 Detectiemethoden en kwalitatieve bepaling #### 1.4.1 Visualisatie van componenten Na de ontwikkeling van de TLC-plaat moet de mobiele fase verdampen. De gescheiden componenten (de 'spots') kunnen vervolgens zichtbaar worden gemaakt door middel van visualisatie. Dit kan gebeuren met : * **Kleurreagentia:** Deze kunnen universeel zijn of specifiek voor bepaalde groepen stoffen . * **UV-licht:** Als de stationaire fase een fluorescentie-indicator bevat, worden de spots zichtbaar onder UV-bestraling . #### 1.4.2 Retentiefactor (Rf) Voor kwalitatieve bepalingen worden de retentiefactoren (Rf) bepaald van zowel standaarden als de componenten in het staal. De Rf-waarde is de ratio van de afgelegde afstand door de stof tot de afgelegde afstand door het oplosmiddel (de front) : $$R_f = \frac{\text{afstand afgelegd door stof}}{\text{afstand afgelegd door solvent}} = \frac{a}{b}$$ Als de Rf-waarden van een component in het staal overeenkomen met die van een standaard, duidt dit erop dat het om dezelfde stof gaat . > **Tip:** Vergelijk Rf-waarden altijd tussen standaarden en onbekende stalen onder identieke omstandigheden . ### 1.5 Kwantitatieve bepaling Voor kwantitatieve analyse worden standaardoplossingen met verschillende concentraties bereid. Deze standaarden, samen met het onbekende staal, worden op de TLC-plaat gespot en ontwikkeld. Na ontwikkeling en eventuele derivatisatie kan een densitometer worden gebruikt om de absorptie of fluorescentie van de componenten te meten . #### 1.5.1 Densitometrie en kalibratiecurve Een densitometer scant de plaat en meet de intensiteit van de detectie (absorptie of fluorescentie) van elke spot. De piekoppervlakte of piekhoogte wordt uitgezet tegen de concentratie van de standaardoplossingen om een kalibratiecurve te verkrijgen. De concentratie van de componenten in de onbekende staaloplossingen wordt vervolgens bepaald door de gemeten waarde te vergelijken met de kalibratierechte . > **Tip:** Zorg voor een consistente afstand tussen de spots indien een TLC-scanner wordt gebruikt voor kwantitatieve analyse . ### 1.6 Voordelen van TLC Dunnelaagchromatografie biedt diverse voordelen: * Snelle analyse van meerdere stalen, wat het geschikt maakt voor procescontrole en screeningstesten . * De TLC-plaat kan na scheiding bewaard worden voor latere evaluatie . * Snelle optimalisatie van de analyse door eenvoudig de stationaire en mobiele fase te wijzigen . * HPTLC maakt kwantitatieve analyses met goede precisie en juistheid mogelijk . #### 1.6.1 Toepassingen TLC en HPTLC vinden toepassing in diverse gebieden, zoals: * Analyse van fytotherapeutica (medicinale kruidenextracten) . * Metabole studies in de klinische chemie . * Analyse van cosmetische producten . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Chromatografie | Een scheidingstechniek waarbij componenten van een mengsel worden verdeeld tussen twee fasen: één stationaire fase en één mobiele fase die in een bepaalde richting beweegt. De componenten bewegen met verschillende snelheden, afhankelijk van hun interactie met de fasen. | | Stationaire fase (SF) | De fase in een chromatografisch systeem die niet beweegt. Dit kan een vaste stof zijn, een vloeistof gebonden aan een vaste stof, of een stationaire vloeistoffilm op de wand van een kolom. | | Mobiele fase (MF) | De fase in een chromatografisch systeem die beweegt en de componenten van het mengsel transporteert. Dit kan een gas (in gaschromatografie) of een vloeistof (in vloeistofchromatografie) zijn. | | Elutie | Het proces waarbij componenten van een mengsel uit de stationaire fase worden gespoeld door de mobiele fase. | | Chromatogram | Een grafische weergave van de resultaten van een chromatografische scheiding, meestal met de detectorrespons op de y-as en de retentietijd op de x-as. | | Retentietijd (tR) | De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen vanaf de injectie tot aan de detectie. | | Verdelingscoëfficiënt (KD) | Een maat voor de affiniteit van een component voor de stationaire fase ten opzichte van de mobiele fase. Het is de ratio van de concentratie van de stof in de stationaire fase tot de concentratie in de mobiele fase bij evenwicht. | | Resolutie (Rs) | Een maat voor de kwaliteit van de scheiding tussen twee naburige pieken in een chromatogram. Een hogere resolutie geeft een betere scheiding aan. | | Retentiefactor (k') of Capaciteitsfactor | Een dimensieloze maat die de verhouding aangeeft van de tijd die een component in de stationaire fase doorbrengt tot de tijd die het in de mobiele fase doorbrengt. Het is gerelateerd aan de verdelingscoëfficiënt en de volumes van de fasen. | | Selectiviteit (α) | Een maat die aangeeft in hoeverre de stationaire en mobiele fasen twee componenten van elkaar kunnen onderscheiden. Het is de ratio van de verdelingscoëfficiënten of retentiefactoren van twee componenten. | | Kolomefficiëntie (N) | Een maat voor de scherpte van de pieken in een chromatogram. Het wordt vaak uitgedrukt in het aantal theoretische platen, waarbij een hoger aantal N duidt op een efficiëntere kolom. | | Plaathoogte (H) of HETP (Height Equivalent of a Theoretical Plate) | De hoogte van een theoretische plaat in een chromatografische kolom. Een lagere plaathoogte correspondeert met een hogere kolomefficiëntie. | | Gaschromatografie (GC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een gas is en de stationaire fase een vloeistof of vaste stof in een kolom. Geschikt voor de analyse van vluchtige en thermisch stabiele verbindingen. | | Vloeistofchromatografie (LC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een vloeistof is. Dit omvat technieken zoals dunnelaagchromatografie (TLC) en hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC). | | High Performance Liquid Chromatography (HPLC) | Een geavanceerde vorm van vloeistofchromatografie die hoge drukken gebruikt om de mobiele fase door een kolom met kleine deeltjes te persen, wat resulteert in snelle en efficiënte scheidingen. | | Ion Chromatografie (IC) | Een type ionenuitwisselingschromatografie die wordt gebruikt voor de scheiding en kwantificering van ionen in een oplossing, zoals anionen en kationen. | | Massaspectrometrie (MS) | Een analytische techniek die moleculen ioniseert en de massa-tot-lading verhouding (m/z) van de gevormde ionen meet, wat structurele informatie en kwantitatieve gegevens oplevert. | | Elektrospray Ionisatie (ESI) | Een ionisatiemethode die wordt gebruikt bij LC-MS om thermisch gevoelige en niet-vluchtige moleculen, inclusief grote biomoleculen, om te zetten in gasvormige ionen bij atmosferische druk. | | Elektron Impact (EI) | Een harde ionisatiemethode die veel wordt gebruikt bij GC-MS, waarbij moleculen worden gebombardeerd met energetische elektronen, wat leidt tot ionisatie en fragmentatie. | | Quadrupool Analysator | Een massa-analysator die vier parallelle staven gebruikt om ionen te scheiden op basis van hun m/z-verhouding door middel van variërende elektrische velden. | | Time of Flight (TOF) Analysator | Een massa-analysator die de tijd meet die ionen nodig hebben om een bekende afstand af te leggen nadat ze zijn versneld. Deze tijd is afhankelijk van de m/z-verhouding van de ionen. | | Tandem MS (MS-MS of MS²) | Een techniek waarbij ionen worden gescheiden, vervolgens worden gefragmenteerd in een botsingscel, en de fragmentionen opnieuw worden gescheiden en gedetecteerd. Dit levert gedetailleerde structurele informatie op. | | Capillaire Elektroforese (CE) | Een scheidingstechniek waarbij moleculen worden gescheiden op basis van hun lading en grootte in een dunne capillaire buis onder invloed van een elektrisch veld. | | Elektro-osmotische flow (EOF) | De netto vloeistofstroom in een capillair buisje die optreedt door de interactie tussen de geladen wand van het capillair en de ionen in de bufferoplossing, onder invloed van een elektrisch veld. | | Dunnelaagchromatografie (TLC) | Een planaire chromatografische techniek waarbij de stationaire fase een dunne laag adsorberend materiaal is op een plat substraat, en de mobiele fase capillariteit gebruikt om omhoog te migreren. | | Retentiefactor (Rf) | Bij TLC, de ratio van de afstand die een stof heeft afgelegd vanaf de startlijn tot de afstand die de mobiele fase (eluens) heeft afgelegd. Het is een maat voor de mobiliteit van een stof op de plaat. |

# Inleidende begrippen van instrumentele chemie Chemische analyses zijn essentieel in diverse wetenschappelijke disciplines en hebben tot doel de aanwezigheid en concentratie van specifieke componenten (analyt) in een materiaal te bepalen. Dit document introduceert de basisconcepten van instrumentele chemie, waaronder de classificatie van analysemethoden, het verloop van een analyse, de karakteristieken van methoden zoals precisie, juistheid, gevoeligheid, selectiviteit en robuustheid, lineaire regressie, kalibratiecurves en verschillende concentratie-uitdrukkingen [5](#page=5). ### 1.1 Inleiding tot instrumentele chemie Instrumentele chemie richt zich op het gebruik van instrumenten om chemische samenstellingen te analyseren. Voordat een analyse kan plaatsvinden, is de ontwikkeling en validatie van een geschikte methode cruciaal. De keuze van een analysetechniek hangt af van factoren zoals de hoeveelheid staal, de samenstelling, en de vereiste nauwkeurigheid en snelheid [5](#page=5). ### 1.2 Indeling van analysemethoden Analysemethoden worden onderverdeeld in klassieke (natte chemie) en instrumentele methoden [5](#page=5). * **Klassieke analytische methoden:** * Gebruiken scheidingstechnieken zoals neerslagvorming, extractie en destillatie [5](#page=5). * Kwalitatieve identificatie gebeurt via kleurreacties, smelt-/kookpunten, oplosbaarheid, geur, optische activiteit of brekingsindex [5](#page=5). * Kwantitatieve bepalingen worden uitgevoerd met gravimetrie of titrimetrie [5](#page=5). * **Instrumentele analytische methoden:** * Meting van specifieke fysische eigenschappen van componenten. Voorbeelden zijn [5](#page=5): * Spectroscopische technieken (absorptie, emissie, verstrooiing van licht) [5](#page=5). * Elektrochemische technieken (geleidbaarheid, elektrodepotentiaal) [5](#page=5). * Massaspectrometrie (massa/lading verhouding) [5](#page=5). * Kinetische methoden (reactiesnelheid) [5](#page=5). * Daarnaast zijn er scheidingsmethoden zoals chromatografie en elektroforese die componenten in een mengsel scheiden vóór kwantificatie [5](#page=5). De keuze van een analysemethode wordt beïnvloed door de aard en kwaliteit van de benodigde informatie (welke componenten, kwalitatief/kwantitatief, vereiste nauwkeurigheid/precisie) en randvoorwaarden zoals concentratiegebied, monsterhoeveelheid (snelheid) en economische factoren (kostprijs) [6](#page=6). ### 1.3 Verloop van een analyse Elke analyse doorloopt doorgaans de volgende stadia [6](#page=6): 1. **Keuze van de methode (choice of method):** Selectie van de meest geschikte methode voor het analytische probleem [6](#page=6). 2. **Monstername (sampling):** Afzonderen van een representatieve fractie van het te onderzoeken materiaal; dit is cruciaal voor een betrouwbare analyse [6](#page=6). 3. **Voorbereiding (preliminary sample treatment):** Omvat homogenisatie van het monster en verwijdering van niet-monster gerelateerd materiaal [6](#page=6). 4. **Opzuiveringen (separations):** Scheiden van het te meten bestanddeel van interfererende componenten, eventueel door omzetting naar een meetbare vorm (bv. derivatisatie) [6](#page=6). 5. **Meting (final measurement):** Het daadwerkelijk meten van het signaal, waarvan de betrouwbaarheid afhangt van de voorgaande stappen. Resultaten worden hieruit berekend [6](#page=6). 6. **Evaluatie van het resultaat (the assessment of results):** Statistische of andere methoden worden toegepast om de resultaten te beoordelen [6](#page=6). ### 1.4 Karakteristieken van een methode De betrouwbaarheid van analyses wordt geëvalueerd aan de hand van precisie en juistheid. Meerdere metingen van een monster zijn gebruikelijk om het gemiddelde te berekenen [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.4.1 Precisie Precisie is de mate van spreiding in meetresultaten bij herhaalde metingen op hetzelfde monster [7](#page=7). * **Herhaalbaarheid:** Metingen onder identieke condities (zelfde analist, apparatuur, korte tijdspanne) [7](#page=7). * **Reproduceerbaarheid:** Metingen onder variërende condities (verschillende dagen, reagentia, laboratoria) [7](#page=7). Precisie wordt uitgedrukt als de standaarddeviatie (SD, $s$) ] [7](#page=7): $$s = \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2}{n-1}}$$ waarbij $\overline{x}$ het gemiddelde is van $n$ metingen en $x_i$ de individuele meetwaarden zijn. De resultaten worden vaak weergegeven als $\overline{x} \pm s$ [7](#page=7). * **Voorbeeld:** Bepaling van de Na$^+$-concentratie in serum [7](#page=7): | Meting | [Na+] (mmol/L) | $(x_i - \overline{x})$ | $(x_i - \overline{x})^2$ | | :----- | :------------- | :-------------------- | :----------------------- | | 1 | 143 | 1 | 1 | | 2 | 141 | -1 | 1 | | 3 | 137 | -5 | 25 | | 4 | 157 | 15 | 225 | | 5 | 132 | -10 | 100 | | 6 | 143 | 1 | 1 | | **Som**| **853** | **0** | **353** | $\overline{x} = \frac{853}{6} \approx 142$ mmol/L [7](#page=7). $s = \sqrt{\frac{353}{6-1}} = \sqrt{\frac{353}{5}} = \sqrt{70.6} \approx 8.4$ [7](#page=7). Statistisch gezien betekent dit, bij een normale verdeling, dat er 68% kans is dat het resultaat tussen $\overline{x} \pm s$ ligt en 99.7% kans tussen $\overline{x} \pm 3s$ [8](#page=8). De relatieve standaarddeviatie (RSD) geeft inzicht in de precisie ten opzichte van de gemiddelde waarde [8](#page=8): $$RSD = \frac{s}{\overline{x}} \times 100\%$$ In het voorbeeld: $RSD = \frac{8.4}{142} \times 100\% \approx 5.9\%$. Resultaten binnen 5% RSD worden vaak als aanvaardbaar beschouwd, afhankelijk van de methode. Precisie weerspiegelt de toevallige (random) fouten [8](#page=8). #### 1.4.2 Juistheid Juistheid is de mate van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen ($\overline{x}$) en de werkelijke waarde ($\mu_0$). De absolute waarde van het verschil is de bias [8](#page=8): $bias = |\overline{x} - \mu_0|$ De juistheid wordt bepaald met controlestalen (gecertificeerde referentiematerialen) waarvan de concentratie gekend is, of door middel van 'spiking' (toevoegen van een gekende hoeveelheid analyt aan een blanco met dezelfde matrix). Het terugvindingspercentage (recovery) wordt berekend als [8](#page=8): $$recovery = \frac{gemeten\ hoeveelheid\ analiet}{toegevoegde\ hoeveelheid\ analiet} \times 100\%$$ Bij matrixeffecten die niet gemodelleerd kunnen worden, wordt de standaardadditieprocedure toegepast. Juistheid wordt beïnvloed door systematische fouten, die constant of proportioneel kunnen zijn [9](#page=9). #### 1.4.3 Gevoeligheid en detectielimiet De gevoeligheid van een methode is het vermogen om kleine veranderingen in concentratie betrouwbaar te meten. Het wordt weergegeven door de helling van de ijklijn (kalibratiecurve) [9](#page=9). * **Detectielimiet (LOD, limit of detection):** De kleinste concentratie die nog betrouwbaar aangetoond kan worden, onderscheidbaar van de achtergrondruis [10](#page=10). Het wordt berekend als: $y_{LOD} = y_{BLK} + 3 s_{BLK}$ waarbij $y_{BLK}$ het signaal van de blanco is en $s_{BLK}$ de standaarddeviatie van de blanco. De LOD-concentratie ($x_{LOD}$) wordt vervolgens afgeleid uit de ijklijn [10](#page=10). * **Bepalingslimiet of kwantificatielimiet (LOQ):** De laagste concentratie waarbij de concentratie betrouwbaar gekwantificeerd kan worden. Het signaal moet minimaal de blancowaarde plus tien maal de standaarddeviatie van de blanco zijn ($y_{LOQ} = y_{BLK} + 10 s_{BLK}$) [10](#page=10). #### 1.4.4 Selectiviteit (Specificiteit) Selectiviteit geeft aan in hoeverre een analyt bepaald kan worden zonder interferentie van andere componenten in de matrix. Een hoge selectiviteit is wenselijk, hoewel niet altijd haalbaar [10](#page=10). #### 1.4.5 Robuustheid Robuustheid is de ongevoeligheid van een methode voor kleine variaties in omstandigheden zoals temperatuur, reagentia, pH, analysewachttijd, of analist. Een robuuste methode ondervindt geen significante veranderingen in precisie en juistheid bij dergelijke kleine variaties [10](#page=10). ### 1.5 Lineaire regressie, correlatiecoëfficiënt, lineariteit en dynamisch bereik Een kalibratiecurve (standaardcurve) wordt gebruikt om onbekende concentraties te bepalen wanneer het meetsignaal lineair varieert met de concentratie. De curve wordt opgesteld door standaarden met bekende concentraties te analyseren en het meetsignaal uit te zetten tegen de concentratie [11](#page=11). Het lineaire verband tussen concentratie ($x$) en meetsignaal ($y$) wordt beschreven door de vergelijking: $$y = a \cdot x + b$$ De parameters $a$ (helling) en $b$ (intercept) worden vaak bepaald met de kleinste kwadratenmethode [11](#page=11). $$a = \frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})(y_i - \overline{y})}{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2}$$ $$\overline{y} = a \cdot \overline{x} + b \implies b = \overline{y} - a\overline{x}$$ * **Lineariteit:** De eigenschap dat er een lineair verband bestaat tussen de respons en de concentratie binnen de bepalingsgrenzen [11](#page=11). * **Dynamisch bereik:** Het meetgebied tussen de kwantificatielimiet (LOQ) en de concentratie waarbij de kalibratiecurve begint af te wijken van een rechte lijn (limit of linearity, LOL) [11](#page=11). De correlatiecoëfficiënt ($r$) geeft de kwaliteit van de kalibratiecurve aan, oftewel hoe goed de punten op één lijn liggen [12](#page=12). $$r = \frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})(y_i - \overline{y})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \overline{x})^2 \sum_{i=1}^{n}(y_i - \overline{y})^2}}$$ Een correlatiecoëfficiënt van $r > 0.997$ wordt over het algemeen vereist voor nauwkeurig analytisch werk. Een hoge $r$ waarde (dicht bij 1) duidt op een sterke lineaire correlatie [12](#page=12). ### 1.6 Kalibratiemethoden Kalibratie bepaalt het verband tussen het analytisch signaal en de analytconcentratie, meestal met behulp van standaarden en correctie met een blanco [13](#page=13). #### 1.6.1 Externe standaardmethode Dit is een veelgebruikte methode waarbij standaarden met toenemende concentratie onafhankelijk van het staal worden gemeten [13](#page=13). * **Werkwijze:** * Bereid een reeks standaarden met oplopende concentraties [13](#page=13). * Meet de standaarden, bij voorkeur vlak voor de onbekende monsters [13](#page=13). * **Verwerking meetwaarden:** * Bepaal de lineaire trendlijn (meetsignaal vs. concentratie) binnen het lineaire gebied [13](#page=13). * Vul de meetwaarde van het staal in de trendlijn in om de concentratie te berekenen [13](#page=13). * Houd rekening met verdunningen en staalvoorbereiding [13](#page=13). De methode veronderstelt dat dezelfde hoeveelheid analyt hetzelfde signaal oplevert, wat niet altijd het geval is vanwege matrixeffecten [13](#page=13). #### 1.6.2 Standaardadditiemethode Hierbij wordt de standaardoplossing toegevoegd aan het te meten staal, wat nuttig is bij verwachte matrixeffecten [13](#page=13). * **Werkwijze:** * Bereid standaardoplossingen door eenzelfde hoeveelheid staal in maalkolven te nemen en daar een toenemende hoeveelheid analyt aan toe te voegen. Eén maatkolf bevat alleen het staal [13](#page=13). * Een alternatieve methode is het 'spiken' van één staal [13](#page=13). * **Verwerking meetwaarden:** * Zet de meetwaarden uit, waarbij de concentratie aan analyt op de x-as wordt gezet (zonder rekening te houden met de initiële hoeveelheid in het staal) [14](#page=14). * De concentratie in de verdunde staaloplossing wordt bepaald uit het snijpunt met de x-as (waar $y=0$) [14](#page=14). * Houd rekening met verdunningen bij de bereiding van standaarden en staalvoorbereiding [14](#page=14). #### 1.6.3 Interne standaardmethode Een interne standaard (IS) wordt toegevoegd aan elke standaard, blanco en elk staal. Dit is nuttig wanneer variaties in het meetproces kunnen optreden, zoals bij extractieopbrengsten of injectievolumes [14](#page=14). * **Voorwaarde:** De IS heeft vergelijkbare chemische eigenschappen als het analyt, maar kan afzonderlijk gemeten worden [15](#page=15). * **Verwerking meetwaarden:** * Bepaal de verhouding van het signaal van het analyt ten opzichte van het signaal van de IS voor zowel standaarden als de staaloplossingen [15](#page=15). * Stel de lineaire trendlijn op door deze verhoudingen uit te zetten tegen de concentratie van het analyt [15](#page=15). ### 1.7 Concentratie uitdrukkingen in oplossing #### 1.7.1 Molaire concentratie De hoeveelheid opgeloste stof wordt uitgedrukt als het aantal mol per volume-eenheid (mol/L) [15](#page=15). $$c = \frac{n}{V}$$ waarbij $n$ het aantal mol is en $V$ het volume. Het aantal mol kan berekend worden uit massa ($m$) en molaire massa ($MM$): $n = \frac{m}{MM}$. De dichtheid ($\rho$) relateert massa en volume: $\rho = \frac{m}{V}$ (bv. in g/cm$^3$, kg/L, g/mL) [15](#page=15). #### 1.7.2 Massaconcentratie De hoeveelheid opgeloste stof wordt uitgedrukt als het aantal gram per volume-eenheid (g/L, mg/L) [16](#page=16). $$c_m = \frac{m}{V}$$ #### 1.7.3 Fractionele concentraties Deze geven de fractie (deel) opgeloste stof in het gehele mengsel weer en kunnen worden uitgedrukt in procent (%), promille (‰), parts per million (ppm) of parts per billion (ppb) [16](#page=16). | Concentratie-uitdrukking | Eenheid | Percentage | Promille | ppm | ppb | | :----------------------- | :------ | :--------- | :------- | :------ | :------ | | Massafractie | m/m | % m/m | ‰ m/m | ppm m/m | ppb m/m | | Volumefractie | V/V | % V/V | ‰ V/V | ppm V/V | ppb V/V | | Massa/volumefractie | m/V | % m/V | ‰ m/V | ppm m/V | ppb m/V | Voor verdunde waterige oplossingen geldt dat 1 liter ongeveer gelijk is aan 1000 gram. Hierdoor zijn de volgende relaties bruikbaar [16](#page=16): * 1 ppm = 1 mg/L * 1 ppb = 1 µg/L --- # Chromatografische scheidingstechnieken Hier volgt een gedetailleerd studieoverzicht van chromatografische scheidingstechnieken, gebaseerd op de verstrekte documentatie (pagina's 20-64). ## 2 Chromatografische analysemethodes Chromatografie is een verzameling technieken die gebruikt worden om componenten in een mengsel te scheiden, identificeren en/of kwantificeren, gebaseerd op hun verdeling tussen een mobiele en een stationaire fase die zich relatief ten opzichte van elkaar bewegen. De term "chromatografie" (kleuren-schrijven) werd geïntroduceerd door Tswett, die hiermee gekleurde bladpigmenten scheidde [20](#page=20). ### 2.1 Principe van scheiding Elk chromatografiesysteem omvat een stationaire fase (vast of vloeibaar, geïmmobiliseerd) en een mobiele fase (vloeistof of gas) die langs de stationaire fase stroomt. Wanneer een mengsel wordt aangebracht, worden de componenten meegenomen door de mobiele fase. De snelheid waarmee ze migreren, hangt af van de interactie van elke component met zowel de stationaire als de mobiele fase. Componenten die sterker aan de stationaire fase binden, migreren trager. Dit verschil in migratiesnelheid leidt tot scheiding, waarbij de gescheiden componenten aan de kolomuitgang worden gedetecteerd, wat resulteert in een chromatogram [20](#page=20) [21](#page=21). ### 2.2 Algemene termen in de chromatografie * **Mobiele fase:** Vloeistof of gas dat door het systeem vloeit [21](#page=21). * **Stationaire fase:** Vast materiaal of vloeistof geïmmobiliseerd op een drager, waar de mobiele fase doorheen stroomt [21](#page=21). * **Ontwikkeling:** Het proces waarbij componenten met de mobiele fase door de stationaire fase bewegen [21](#page=21). * **Visualisatie of detectie:** Gebeurt nadat componenten gescheiden zijn [21](#page=21). * **Elutie:** Het proces waarbij een stof van de stationaire fase wordt afgewassen [21](#page=21). * **Elueren:** De mobiele fase [21](#page=21). * **Eluaat:** De oplossing die de kolom verlaat [21](#page=21). * **Retentie:** Het vasthouden/vertragen van een stof op de stationaire fase [21](#page=21). * **Retentietijd:** De tijd die een stof nodig heeft om te elueren [21](#page=21). * **Chromatogram:** Grafische weergave van de scheiding, met het detectorsignaal uitgezet tegen de tijd (#page=20, 21) [20](#page=20) [21](#page=21). ### 2.3 Indeling van chromatografische technieken Chromatografische technieken kunnen op verschillende criteria worden ingedeeld [22](#page=22). #### 2.3.1 Indeling op basis van de mobiele fase * **Gaschromatografie (GC):** De mobiele fase is een gas. Gebruikt voor vluchtige stoffen (#page=21, 22) [21](#page=21) [22](#page=22). * **Vloeistofchromatografie (LC):** De mobiele fase is een vloeistof. Gebruikt voor stoffen met een hoog kookpunt of die thermisch instabiel zijn (#page=21, 22) [21](#page=21) [22](#page=22). #### 2.3.2 Indeling op basis van de vorm van de stationaire fase * **Planaire chromatografie:** De stationaire fase is een vlakke laag (bv. dunne laag, papier) [22](#page=22). * **Kolomchromatografie:** De stationaire fase bevindt zich in een kolom (glas, staal, kunststof) [22](#page=22). #### 2.3.3 Indeling op basis van het scheidingsmechanisme * **Adsorptiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op de adsorptie van componenten aan een vaste stationaire fase via intermoleculaire krachten. Polaire fasen zijn silicagel, aluminiumoxide; apolaire is actieve kool [22](#page=22). * **Partitie- of verdelingschromatografie:** Scheiding door verdeling van componenten tussen een vloeibare stationaire fase en een mobiele fase (vloeistof of gas). Stoffen die beter oplossen in de stationaire fase, worden langer weerhouden [22](#page=22). * **Ionenuitwisselingschromatografie (IEC):** Scheiding gebaseerd op de interactie van ioniseerbare groepen op de stationaire fase met ionen in de mobiele fase (#page=22, 57) [22](#page=22) [57](#page=57). * **Exclusiechromatografie:** Scheiding op basis van molecuulgrootte en/of vorm of lading, via exclusie uit de poriën van de stationaire fase (bv. size exclusion, gelfiltratie) [23](#page=23). * **Affiniteitschromatografie:** Scheiding gebaseerd op de unieke biologische specificiteit van een analyt voor een ligand (bv. immunoaffiniteitschromatografie) [23](#page=23). ### 2.4 Papierchromatografie Dit is de eenvoudigste chromatografievorm, waarbij de scheiding plaatsvindt op filtreerpapier, dat cellulosevezels bevat die water vasthouden en als stationaire fase dienen. Het eluens is een vloeistof die slecht mengbaar is met water, waardoor het een vorm van vloeistof-vloeistofchromatografie is. De scheiding berust op de verdeling van componenten tussen het gebonden water en het eluens. Het is voornamelijk geschikt voor kwalitatieve analyse en wordt zelden nog toegepast [23](#page=23) [24](#page=24). ### 2.5 Dunnelaagchromatografie (TLC) TLC is vergelijkbaar met papierchromatografie, maar gebruikt een dunne laag van een adsorberende stof (vaak silicagel) op een plaat als stationaire fase. De mobiele fase is een vloeistof (solvent, eluens) [24](#page=24). #### 2.5.1 Principe en uitvoering Na het aanbrengen van het monster (spotten) op de plaat, wordt deze in een afgesloten ontwikkelkamer geplaatst met het eluens. Door capillaire krachten migreert het eluens, waarbij scheiding optreedt op basis van interactie met de stationaire en mobiele fase. Na ontwikkeling wordt de plaat gedroogd en geëvalueerd [24](#page=24). #### 2.5.2 High Performance Dunnelaagchromatografie (HPTLC) HPTLC gebruikt kleinere, uniformere deeltjes voor de stationaire fase, wat leidt tot lagere detectielimieten, betere efficiëntie en snellere analyses (#page=24, 25) [24](#page=24) [25](#page=25). #### 2.5.3 Spotten - opbrengen van het staal Stalen of standaarden worden op de TLC-plaat aangebracht, bij voorkeur als kleine, smalle spots om betere scheiding te verkrijgen. Dit kan manueel met een capillair of micropipet, of geautomatiseerd voor kwantitatieve bepalingen [25](#page=25). #### 2.5.4 Basiscomponenten van het chromatografisch systeem * **Stationaire fasen:** * **Adsorbentia (vaste fasen):** Silicagel (SiO2) is het meest gebruikte polaire adsorbens met zure eigenschappen door SiOH-groepen. De activiteit wordt beïnvloed door het vochtgehalte; drogen verhoogt de activiteit. Voor polaire stationaire fasen wordt een minder polaire mobiele fase gebruikt (normale fase, NP) [26](#page=26). * **Chemisch gebonden stationaire fasen:** Apoline fasen worden verkregen door het koppelen van C8- of C18-koolwaterstoffen aan silica. Deze worden gecombineerd met een polaire mobiele fase (omgekeerde fase, RP) [26](#page=26). * **HPTLC:** Gebruikt kleinere deeltjes dan klassieke TLC, wat leidt tot betere prestaties [27](#page=27). * **De mobiele fase:** De keuze van de mobiele fase is cruciaal en kan worden aangepast om de scheiding te optimaliseren. De fase moet de componenten kunnen verplaatsen, vluchtig zijn voor detectie, en verschillende migratiesnelheden voor de componenten mogelijk maken. Vaak worden mengsels van solventen gebruikt om de gewenste polariteit te bereiken [27](#page=27). * **De ontwikkelkamer:** Een afgesloten kamer die verzadigd is met de mobiele fase om verdamping vanaf de plaat te voorkomen. De plaat wordt zo geplaatst dat de spots onder het solventniveau blijven [27](#page=27) [28](#page=28). #### 2.5.5 Detectie * **Kwalitatief:** * **Visueel:** Voor gekleurde componenten [28](#page=28). * **UV-lamp:** Voor UV-absorberende componenten op TLC-platen met een fluorescentie-indicator; UV-absorberende stoffen doven de fluorescentie [28](#page=28). * **Chemische reacties:** Sproei- of dip-technieken om kleurloze componenten zichtbaar te maken [28](#page=28). * **Kwantitatief:** * **Rf-waarde (retentiefactor):** De verhouding van de afgelegde afstand door de component tot de afgelegde afstand door de loopvloeistof. Waarden liggen tussen 0 en 1 en zijn karakteristiek voor een specifiek TLC-systeem [28](#page=28). $$R_f = \frac{\text{afstand afgelegd door de component}}{\text{afstand afgelegd door de loopvloeistof}}$$ [28](#page=28). * **Densitometrie/TLC scanner:** De oppervlakte onder de densitometrische pieken wordt gebruikt voor kwantificatie, in vergelijking met standaarden [30](#page=30). #### 2.5.6 Voor- en nadelen van dunnelaagchromatografie * **Voordelen:** Snel, meerdere stalen tegelijk mogelijk, weinig solventgebruik, goede precisie, juistheid en gevoeligheid (vooral met HPTLC) [31](#page=31). * **Nadelen:** Minder scheidende componenten per analyse dan bij HPLC [31](#page=31). ### 2.6 Chromatografische begrippen #### 2.6.1 De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) Beschrijft de verdeling van een stof tussen de mobiele en stationaire fase. Het is de verhouding van de concentratie in de stationaire fase tot de concentratie in de mobiele fase. Een groter verschil in $K_D$ tussen componenten leidt tot betere scheiding [32](#page=32). $$K_D = \frac{C_s}{C_m}$$ waarbij $C_s$ de concentratie in de stationaire fase en $C_m$ de concentratie in de mobiele fase is [32](#page=32). #### 2.6.2 De retentietijd ($t_R$) De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen. Het is de som van de dode tijd ($t_m$, tijd in de mobiele fase) en de gecorrigeerde retentietijd ($t'_R$, tijd in de stationaire fase) [33](#page=33). $$t_R = t'_R + t_m$$ [33](#page=33). #### 2.6.3 Resolutie ($R_s$) Een maat voor de scheidingskwaliteit, die aangeeft hoe goed twee pieken gescheiden zijn (#page=33, 34). Het is afhankelijk van het verschil in retentietijd en de piekbreedte (#page=33, 34) [33](#page=33) [34](#page=34). $$R_s = \frac{2(t_{R2} - t_{R1})}{w_1 + w_2}$$ waarbij $t_{R1}$ en $t_{R2}$ de retentietijden zijn en $w_1$ en $w_2$ de piekbreedtes op de basislijn. De resolutie wordt beïnvloed door de retentiefactor ($k'$), selectiviteit ($\alpha$) en de efficiëntie van de kolom ($N$) [34](#page=34). #### 2.6.4 Retentiefactor (of capaciteitsfactor, $k'$) De verhouding van de tijd die een component in de stationaire fase doorbrengt tot de tijd in de mobiele fase. Het is een dimensieloze parameter die onafhankelijk is van de kolomlengte en de flowsnelheid, en een betere maat is voor retentie dan $t_R$ [35](#page=35). $$k' = \frac{t'_R}{t_m} = \frac{t_R - t_m}{t_m}$$ [35](#page=35). Ideale waarden liggen tussen 2 en 10. De retentiefactor kan worden beïnvloed door de kolomtemperatuur (GC) of de samenstelling van de mobiele fase (HPLC) [35](#page=35). #### 2.6.5 Selectiviteit ($\alpha$) De relatieve retentie van twee verbindingen, gedefinieerd als de verhouding van hun gecorrigeerde retentietijden. Het geeft aan hoe goed de piekmaxima gescheiden zijn [35](#page=35). $$\alpha = \frac{t'_{R2}}{t'_{R1}} = \frac{K_{D2}}{K_{D1}}$$ waarbij $t'_{R2} > t'_{R1}$. Een $\alpha$ verder van 1 betekent betere scheiding. De selectiviteit kan worden beïnvloed door de samenstelling van de mobiele fase, de stationaire fase en de temperatuur [35](#page=35) [36](#page=36). #### 2.6.6 Bandverbreding - piekverbreding Componenten verlaten de kolom als banden die leiden tot pieken in het chromatogram, idealiter Gauss-curves. Piekverbreding kan worden veroorzaakt door [36](#page=36): * **Eddy-diffusie:** Niet elk deeltje legt dezelfde afstand af binnen de kolom (#page=36, 37) [36](#page=36) [37](#page=37). * **Longitudinale diffusie:** Moleculen verspreiden zich van een hoge concentratie naar een lage concentratie door willekeurige beweging. Dit is belangrijker in gassen door de grotere afstand tussen moleculen [37](#page=37). * **Massatransfer:** Tijd die nodig is voor het instellen van het evenwicht tussen mobiele en stationaire fase. Een hogere stroomsnelheid van de mobiele fase geeft minder tijd voor evenwichtsinzetting en leidt tot verbreding [37](#page=37). De chromatografische efficiëntie wordt uitgedrukt als het aantal theoretische platen ($N$) [37](#page=37). $$N = 16 \left( \frac{t_R}{w} \right)^2$$ waarbij $w$ de piekbreedte op de basislijn is. Een theoretische plaat is een zone waar een evenwicht is ingesteld tussen de concentraties in de mobiele en stationaire fase [37](#page=37). De plaathoogte (HETP - Height Equivalent of a Theoretical Plate) is de kolomlengte gedeeld door $N$. Een lagere HETP duidt op een hogere scheidingskwaliteit [38](#page=38). $$HETP = \frac{L}{N}$$ waarbij $L$ de lengte van de kolom is [38](#page=38). ### 2.7 Gaschromatografie (GC) GC wordt gebruikt voor het scheiden van vluchtige stoffen (#page=21, 38) [21](#page=21) [38](#page=38). #### 2.7.1 Principe Twee types: gas-vast (GSC) en gas-vloeistof (GLC). GLC is het meest courant, met een vloeibare stationaire fase op een drager en een inert gas als mobiele fase. Componenten worden gescheiden op basis van hun vluchtigheid en interactie met de stationaire fase. GC is snel, biedt hoge resolutie en gevoeligheid (tot 1 ppm met FID) [38](#page=38) [39](#page=39). #### 2.7.2 Onderdelen van de gaschromatograaf * **Draaggas:** Inert, zuiver gas (He, H2, N2, Ar) dat de monstercomponenten transporteert [39](#page=39). * **Injectiepoort:** Waar het monster in dampvorm op de kolom wordt gebracht, ideaal als een smal bandje (#page=39, 40) [39](#page=39) [40](#page=40). * **Split/splitless injector:** Meest gebruikt, kan in split- of splitless-modus werken. Split-injectie verdunt het monster, wat resulteert in een smal bandje. Splitless-injectie laadt de volledige kolom, vaak gecombineerd met een lage initiële kolomtemperatuur om reconcentratie te bevorderen [40](#page=40) [41](#page=41). * **PTV (Programmed Temperature Vaporization) injector:** Voor injectie van grote volumes, met snelle temperatuurwisselingen voor reconcentratie [41](#page=41). * **(Cool-)On-column injectie:** Directe injectie in de kolom bij lagere temperaturen, gebruikt voor zeer kleine hoeveelheden hoogkokende componenten [41](#page=41). * **Head space analyse:** Analyse van vluchtige stoffen boven een vloeibaar of vast monster; het gasmengsel boven het monster wordt geïnjecteerd [42](#page=42). * **Kolom:** * **Gepakte kolom:** Gevuld met inerte vaste fase met daarop een stationaire vloeistof. Typische lengte 1,5-10m, diameter 2-4mm [43](#page=43). * **Capillaire kolom:** Stationaire fase op de wand van de kolom; interne diameter enkele tienden van mm, lengte 10-100m. Hoger scheidend vermogen maar lagere staalcapaciteit [43](#page=43). De keuze van de stationaire fase hangt af van de polariteit van de componenten: polaire componenten op polaire fasen, apolaire op apolaire. De film*dikte* van de stationaire fase en de kolom*diameter* beïnvloeden de scheiding en capaciteit [43](#page=43) [44](#page=44). * **Kolomoven:** Regelt de temperatuur van de kolom, kan isotherm of met temperatuurprogrammering zijn [45](#page=45). * **Detector:** Registreert de gassamenstelling aan de kolomuitgang en zet deze om in een elektrisch signaal [46](#page=46). * **FID (Vlamionisatiedetector):** Zeer gevoelig voor organische componenten, meet de ionisatie door verbranding [46](#page=46). * **TCD (Thermische geleidbaarheidsdetector/Katharometer):** Universele detector, meet de thermische geleidbaarheid van het gasmengsel [47](#page=47). * **ECD (Elektron capture detector):** Zeer gevoelig voor elektronegatieve stoffen (bv. halogenen) [47](#page=47). #### 2.7.3 Kwantitatieve analyses in GC * **Identificatie:** Gebaseerd op de retentietijd door vergelijking met standaarden [47](#page=47). * **Kwantificatie:** Gebaseerd op piekhoogte of piekoppervlakte, die evenredig zijn met de concentratie [48](#page=48). * **Externe standaard methode:** Vergelijking van piekoppervlakten/hoogtes met die van standaardoplossingen [48](#page=48). * **Interne standaard methode:** Toevoegen van een standaard die aan specifieke eisen voldoet, om toestel- en procedurefouten te elimineren. De verhouding van de piek van het analyt tot die van de interne standaard wordt gebruikt [49](#page=49). ### 2.8 Vloeistofchromatografie (LC) LC scheidt ionen of moleculen opgelost in een vloeistof [50](#page=50). #### 2.8.1 Types LC * **Liquid-solid chromatography (LSC):** Vloeistof-vast, adsorptiechromatografie (bv. TLC) [50](#page=50). * **Normale fase (NP):** Polaire stationaire fase, apolaire mobiele fase [50](#page=50). * **Omgekeerde fase (RP):** Apoline stationaire fase, polaire mobiele fase [50](#page=50). * **Liquid-liquid chromatography (LLC):** Vloeistof-vloeistof, verdelingschromatografie (bv. papierchromatografie) [50](#page=50). * **Ionenchromatografie (IC):** Scheiding op basis van lading op geïoniseerde stationaire fasen [50](#page=50). #### 2.8.2 HPLC (High Performance Liquid Chromatography) HPLC gebruikt hoge druk (tot 200 bar) om de mobiele fase door een gepakte kolom te persen. Dit resulteert in een hoge resolutie en redelijk korte analyseduur [50](#page=50). #### 2.9 HPLC instrumentatie Omvat vloeistofreservoirs, ontgasser, hogedrukpomp, pre-kolom, injector, kolom en detector. Alle componenten die in contact komen met de mobiele fase moeten inert zijn (bv. roestvrij staal, teflon, PEEK). Het minimaliseren van 'dood volume' (niet-bezette volumes) is cruciaal voor efficiëntie [51](#page=51). #### 2.9.1 Mobiele fase in HPLC De mobiele fase speelt een actieve rol in het scheidingsproces en de selectiviteit kan worden aangepast door de samenstelling te wijzigen. De keuze hangt af van de stationaire fase en de aard van de componenten. Mengsels van solventen worden gebruikt om de elutieversterkte in te stellen [51](#page=51) [52](#page=52). * **Isocratische elutie:** Constante samenstelling van de mobiele fase [52](#page=52). * **Gradiënt elutie:** Langzame verandering van de samenstelling van de mobiele fase om alle componenten te elueren [52](#page=52). De 'solventsterkte' geeft aan hoe goed een solvent interacties kan verbreken en analieten elueren [52](#page=52). #### 2.9.2 Stationaire fase in HPLC * **Normale fase (NP-HPLC):** Meestal polaire stationaire fase (bv. silica, cyano, amino) met een apolaire mobiele fase (bv. hexaan). Geschikt voor sterk hydrofobe componenten [52](#page=52). * **Omgekeerde fase (RP-HPLC):** Meest courante vorm, met apolaire stationaire fasen (bv. silica met C8 of C18 ketens) en een polaire mobiele fase (bv. water met methanol of acetonitril) (#page=52, 53) [52](#page=52) [53](#page=53). #### 2.9.3 Injectiesysteem in HPLC Maakt gebruik van een injectieklep met een lusvolume om een vaste hoeveelheid monster op de kolom te brengen [53](#page=53). #### 2.9.4 Kolommen in HPLC Meestal vervaardigd uit roestvrij staal, met chemisch gebonden apolaire fasen (Si-R, met R=C2, C8, C18) voor reversed phase chromatografie [53](#page=53). #### 2.9.5 Leidingen (tubings) en fittings Verbinden de componenten van het systeem met kleine interne diameters (0.25 mm) om extra-kolom volume te minimaliseren. Materialen zijn inert staal of PEEK [54](#page=54). #### 2.9.6 Pompen in HPLC Meestal pistonpompen die een gelijkmatige flow genereren. Ze moeten in staat zijn de samenstelling van de mobiele fase te mengen voor gradiënt elutie [55](#page=55). #### 2.9.7 Detectoren voor HPLC Meten continu een eigenschap van de doorstromende vloeistof [55](#page=55). * **UV-absorptie detector:** Detecteert stoffen die UV-licht absorberen (180-350nm) [56](#page=56). * **UV-photodiode-array detector (PAD):** Meet het gehele UV-spectrum simultaan [56](#page=56). * **Fluorescentiedetector:** Detecteert stoffen die fluoresceren [56](#page=56). * **Conductometrische detector:** Meet de geleidbaarheid van de mobiele fase, gevoelig voor geïoniseerde componenten [56](#page=56). * **Massaspectrometrie (MS):** Scheidt en bepaalt ionen op basis van hun massa-lading verhouding (m/z) [56](#page=56). #### 2.9.8 Praktische elementen bij HPLC * Gebruik zuivere, gefilterde en ontgaste solventen [57](#page=57). * Gebruik een guard column ter bescherming van de analytische kolom [57](#page=57). * Spoel het systeem na gebruik van zouten [57](#page=57). * Onderhoud RP- en silica-kolommen zorgvuldig (bv. vermijd extreme pH, puur water voor RP-kolommen) [57](#page=57). ### 2.10 Ionenuitwisselingschromatografie (IEC) IEC scheidt ionen op basis van hun lading via een stationaire fase met ioniseerbare groepen (ionenwisselaar) [57](#page=57). #### 2.10.1 Principe en werking Synthetische ionenwisselaars zijn polymeren met ioniseerbare groepen die, geneutraliseerd door tegenionen, een netwerk vormen [58](#page=58). * **Kationenuitwisselaars:** Hebben negatieve groepen en wisselen positieve ionen uit (bv. sulfonzuurgroepen -SO3⁻H⁺) [58](#page=58). * **Anionenuitwisselaars:** Hebben positieve groepen en wisselen negatieve ionen uit (bv. kwatternaire ammoniumbasen) [59](#page=59). #### 2.10.2 Selectiviteit van ionenwisselaars De selectiviteit ($K_{AB}$) is de evenwichtsconstante voor de uitwisseling tussen twee ionen. De affiniteit hangt af van de lading, grootte van het gehydrateerde ion, concentratie en aard van het hars (#page=60, 61) [60](#page=60) [61](#page=61). * Hogere lading van het ion leidt tot sterkere binding [60](#page=60). * Bij gelijke lading bindt een kleiner gehydrateerd ion sterker [60](#page=60). * De selectiviteit is concentratieafhankelijk en kan veranderen bij hogere concentraties [61](#page=61). * Harsen met meer kruisverbindingen zijn selectiever voor ionen met verschillende grootte [62](#page=62). #### 2.10.3 Capaciteit van de ionenwisselaar De totale capaciteit is het aantal ionactieve groepen per gewichtseenheid, meestal uitgedrukt in meq/g. De capaciteit van zwak zure en zwak basische wisselaars is pH-afhankelijk [63](#page=63). #### 2.10.4 Mobiele fase in IEC Meestal een waterige buffer; de pH en ionische sterkte bepalen de retentietijd. Bij gradiënt elutie wordt de pH of ionische sterkte aangepast [63](#page=63). #### 2.10.5 Detector in IEC Meestal een conductometrische detector die de geleidbaarheid van de mobiele fase meet. Een ion-onderdrukkingskolom wordt vaak gebruikt om de achtergrondgeleidbaarheid van de mobiele fase te verminderen [64](#page=64). --- # Massaspectrometrie Massaspectrometrie (MS) is een analytische techniek waarbij moleculen worden geïoniseerd en gefra gmenteerd, waarna de resulterende ionen worden gescheiden op basis van hun massa-lading (m/z) verhouding, om uiteindelijk een massaspectrum te genereren voor identificatie en structuuranalyse [65](#page=65). ### 3.1 Principe Het basisprincipe van massaspectrometrie is het genereren van ionen uit de te analyseren moleculen. Dit gebeurt typisch door het verwijderen van een elektron uit een molecuul (M), resulterend in een positief geladen moleculair ion (M.+). $$M: \rightarrow M.^+ + e^-$$ Het moleculair ion bezit twee cruciale eigenschappen voor MS: de massa (m) en de lading (z). De massaspectrometer meet de verhouding m/z. Bij een lading (z) van 1 is de m/z-verhouding gelijk aan de massa van het ion. De gevormde ionen zijn doorgaans instabiel en ondergaan fragmentatie, wat leidt tot een verzameling van verschillende ionen. De relatieve abundantie van elk ion wordt weergegeven in het massaspectrum, dat karakteristiek is voor een specifieke component [65](#page=65). Het massaspectrum wordt vaak weergegeven als een staafdiagram, waarbij de meest intense piek, de basispiek genoemd, overeenkomt met 100%. De piek met de hoogste m/z-waarde in het spectrum is doorgaans afkomstig van het moleculair ion [66](#page=66). > **Voorbeeld:** Het massaspectrum van methanol toont ionen op m/z 32 (moleculair ion, 70%), m/z 31 (basispiek, 100%), m/z 29 (60%) en m/z 15 (20%) [66](#page=66). ### 3.2 De massaspectrometer Een massaspectrometer bestaat uit verschillende functionele eenheden: een inlaatsysteem, een ionisatiebron, een massa-analysator, een detector en een registratiesysteem. Het monster wordt via het inlaatsysteem, waar het verdampt wordt, in de massaspectrometer gebracht. De ionisatiebron zet de moleculen om in ionen, waarna de massa-analysator de ionen scheidt op basis van hun m/z-verhouding. De gedetecteerde ionen worden vervolgens geregistreerd. Het gehele systeem opereert onder vacuüm om interferentie van luchtmoleculen te minimaliseren [66](#page=66). #### 3.2.1 Principe van een Electron Impact (EI) bron en Magnetische Analysator In een typische opstelling met een "elektron impact" (EI) ionenbron en een magnetische analysator, wordt het monster in gasvorm gebombardeerd met elektronen met hoge energie (meestal 70 eV) afkomstig van een verhit filament (#page=66, 67). Deze elektronenbundel staat loodrecht op de monsterinlaat. De botsing tussen de elektronen en monstermoleculen leidt tot excitatie, fragmentatie en ionisatie [66](#page=66) [67](#page=67). De gevormde positieve ionen worden vervolgens versneld in een elektrisch veld en komen in de massa-analysator terecht. In een magnetische analysator worden de ionen afgebogen door een magnetisch veld. De mate van afbuiging is afhankelijk van de m/z-verhouding, de snelheid van de ionen en de sterkte van het magnetisch veld. Door variatie van het elektrische of magnetische veld kunnen ionen met verschillende m/z-verhoudingen de detector bereiken. De detector, vaak een elektronenmultiplier, zet de detectie van ionen om in een elektrisch signaal [67](#page=67). > **Tip:** Het gehele massaspectrometerapparaat werkt onder vacuüm om botsingen met luchtmoleculen te voorkomen en de ionenbaan te garanderen [66](#page=66). #### 3.2.2 Ionisatiesystemen Naast Elektron Impact (EI) zijn er diverse andere ionisatiemethoden beschikbaar, waaronder Chemische Ionisatie (CI), MALDI en atmosferische druk ionisatietechnieken (#page=67, 68) [67](#page=67) [68](#page=68). * **Elektron Impact (EI):** Dit is de meest toegepaste ionisatiemethode bij GC-MS, omdat het doorgaans zowel het moleculair ion als fragmentionen genereert. Nadelen kunnen zijn dat spectra van isomeren moeilijk te onderscheiden zijn en dat de fragmentatie te intens kan zijn voor sommige verbindingen [68](#page=68). * **Chemische Ioni satie (CI):** CI is een "zachtere" ionisatiemethode die leidt tot minder fragmentatie en een hogere kans op de vorming van (pseudo-)moleculaire ionen. De ionisatie vindt plaats via reacties tussen geïoniseerde reagentia (zoals methaan, isobutaan of ammoniak) en de analyten [68](#page=68). * **Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI):** APCI is een zachte en robuuste ionisatietechniek voor analyten met lage tot gemiddelde polariteit en die vluchtig en thermisch stabiel zijn. De ionisatie vindt plaats onder atmosferische druk, wat resulteert in een veel hogere ionisatie-efficiëntie dan bij EI. Het proces omvat het vernevelen van het monster in een hete buis, gevolgd door een corona-ontlading die de analyten ioniseert [68](#page=68). * **Electrospray Ionisation (ESI):** ESI is een zeer zachte ionisatietechniek die plaatsvindt bij atmosferische druk en uitermate geschikt is voor het ioniseren van polaire verbindingen, inclusief grote biomoleculen zoals proteïnes. De analyten komen in oplossing de bron binnen via een hooggespannen naald, waarbij een nevel van geladen druppels wordt gevormd. Door verdamping van het oplosmiddel neemt de ladingsdichtheid toe, wat leidt tot uiteenspatten van de druppels en uiteindelijk tot de emissie van gasfase-ionen. ESI maakt meervoudige lading van macromoleculen mogelijk, waardoor deze meetbaar worden [69](#page=69). #### 3.2.3 Massa Analyse De massa-analysator is het kerndeel van een massaspectrometer. Veelgebruikte types zijn de kwadrupool-analysator, de magnetische analysator (vaak in combinatie met een elektrostatische analysator), de ionenvangst (ion trap) analysator en de TOF (Time of Flight) analysator [70](#page=70). * **Kwadrupool Massa-analysator:** Dit type analysator maakt gebruik van vier parallelle staven waartussen een wisselende spanning wordt aangelegd. De ionen volgen een oscillerende baan tussen de staven. Alleen ionen met een specifieke m/z-verhouding bereiken het einde van de staven bij een bepaalde spanning; andere ionen worden gevangen. Door de spanning continu te variëren (massa scanning), kunnen ionen van verschillende massa's opeenvolgend worden gedetecteerd. Dit principe wordt gebruikt in een quadrupool massa filter [70](#page=70). * **Ionenvangst Analysator:** De ionenvangstanalyzer is een compacte massafilter die lijkt op een kwadrupool. Ionen worden opgeslagen in een geëvacueerde holte met behulp van elektrische velden en kunnen vervolgens selectief worden uitgestoten op basis van hun moleculaire massa (#page=70, 71) [70](#page=70) [71](#page=71). * **Time of Flight (TOF) Analysator:** Bij de TOF-analysator worden ionen door een elektrisch veld versneld, waarbij ionen met dezelfde lading dezelfde kinetische energie ($E_k = \frac{1}{2}mv^2$) krijgen. De snelheid van de ionen hangt af van hun massa; lichtere deeltjes bewegen sneller dan zwaardere. Het verschil in aankomsttijd bij de detector is gecorreleerd aan de m/z-verhouding. TOF-analysatoren worden vaak gecombineerd met MALDI-ionisatie, waarbij hoofdzakelijk éénwaardige ionen worden gevormd, waardoor de massa direct uit het spectrum kan worden afgelezen. Dit type analysator wordt veel toegepast voor de detectie van biopolymeren [71](#page=71). #### 3.2.4 Het scheidend vermogen of resolutie De resolutie (R) van een massaspectrometer geeft aan hoe goed twee ionen met een verschillende m/z-waarde van elkaar gescheiden kunnen worden en wordt gedefinieerd als $R = \frac{m}{\Delta m}$, waarbij $m$ de gemeten massa is en $\Delta m$ het meetbare verschil in massa [71](#page=71). > **Tip:** Hoge resolutie is cruciaal voor het onderscheiden van moleculen met vergelijkbare massa's, zoals isotopen of isomeren [71](#page=71). Hoge resolutie massaspectrometrie (HRMS) meet de massa op 4 of 5 decimalen, terwijl lage resolutie MS (LRMS) de massa bepaalt tot op het dichtstbijzijnde gehele getal. Een kwadrupool-massafilter biedt doorgaans een lage resolutie, terwijl een magnetische sectoranalysator een zeer hoge resolutie kan bereiken [71](#page=71). > **Voorbeeld:** Twee stoffen met een massa van 32, waarbij de ene een accurate massa heeft van 32.0263 en de andere van 31.9898, kunnen alleen met hoge resolutie van elkaar worden onderscheiden [71](#page=71). --- # Elektroforetische technieken Elektroforese is een scheidingsmethode gebaseerd op de beweging van ionen in een elektrisch veld, resulterend in een elektroferogram [72](#page=72). ### 4.1 Inleiding tot elektroforese Elektroforese maakt gebruik van de beweging van geladen deeltjes onder invloed van een elektrisch veld om scheiding te bewerkstelligen. Anionen migreren naar de anode (positieve pool) en kationen naar de kathode (negatieve pool) met een constante migratiesnelheid [72](#page=72). #### 4.1.1 Elektroforetische mobiliteit De snelheid waarmee een ion in een elektrisch veld beweegt, wordt bepaald door de elektroforetische mobiliteit ($\mu_{EF}$) [73](#page=73). De relatie is: $v = \mu_{EF} E$ [73](#page=73). Waarbij: * $v$: snelheid [73](#page=73). * $\mu_{EF}$: elektroforetische mobiliteit [73](#page=73). * $E$: veldsterkte (V/cm) [73](#page=73). De elektroforetische mobiliteit zelf kan worden uitgedrukt als: $\mu_{EF} = \frac{q}{6\pi\eta r}$ [73](#page=73). Waarbij: * $q$: lading van het ion [73](#page=73). * $\eta$: viscositeit van het milieu [73](#page=73). * $r$: straal van het deeltje [73](#page=73). Dit toont aan dat $\mu_{EF}$ afhangt van de kenmerken van het ion ($q$ en $r$) en van het medium waarin de beweging plaatsvindt ($\eta$). Verschillende ionen zullen daardoor verschillende migratiesnelheden vertonen in hetzelfde medium, wat scheiding mogelijk maakt [73](#page=73). Scheiding is effectiever bij: * Toenemende analyse tijd [73](#page=73). * Hogere gebruikte veldsterkte ($E_{veld}$) [73](#page=73). * Een groter verschil in de verhouding $q/r$ tussen de ionen [73](#page=73). #### 4.1.2 Invloed van pH en iso-elektrisch punt De pH heeft een significante invloed op de migratiesnelheid van amfolieten, dit zijn verbindingen die zowel zure als basische eigenschappen bezitten, zoals aminozuren, peptiden en proteïnen. Aminozuren hebben minimaal een basische aminogroep (-NH₂) met een pK-waarde rond 9-9.5 en een zure carboxylgroep (-COOH) met een pK-waarde rond 2.0-2.5. Afhankelijk van de pH kunnen deze groepen al dan niet geladen zijn via protonering of deprotonering [73](#page=73). * Carboxylgroep: $-COOH \rightleftharpoons -COO^- + H^+$ [73](#page=73). * Aminogroep: $RNH_2 + H^+ \rightleftharpoons RNH_3^+$ [73](#page=73). Bij een specifieke pH, het iso-elektrisch punt (pI), komt een aminozuur voornamelijk voor als zwitterion, waarbij de positieve en negatieve ladingen elkaar compenseren. Bij deze pH is de netto lading van het molecuul vrijwel nul, wat resulteert in een mobiliteit van ongeveer nul. Het iso-elektrisch punt kan berekend worden als het gemiddelde van de pK-waarden van de ioniseerbare groepen [73](#page=73): $pI = \frac{pK_1 + pK_2}{2}$ [73](#page=73). Experimenteel wordt het iso-elektrisch punt gedefinieerd als de pH waarbij een proteïne niet migreert in een elektrisch veld [74](#page=74). * Bij een pH hoger dan pI heeft de amfoliet een anionisch karakter en migreert naar de anode [74](#page=74). * Bij een pH lager dan pI heeft de amfoliet een kationisch karakter en migreert naar de kathode [74](#page=74). De mobiliteit wordt verder beïnvloed door de lading ($q$) en de afmetingen (straal $r$) van het ion; hogere lading en kleinere afmetingen leiden tot sterkere aantrekking tot de tegenovergestelde elektrode [74](#page=74). #### 4.1.3 Overgang naar capillaire elektroforese Klassieke elektroforese in vlakke poreuze gels is vaak tijdrovend, inefficiënt en niet te automatiseren. Capillaire elektroforese biedt daarentegen snelle en efficiënte scheidingen [74](#page=74). ### 4.2 Capillaire (zone)elektroforese (CE) Capillaire elektroforese (CE) wordt uitgevoerd in capillairen met interne diameters van 25 tot 100 µm, meestal gemaakt van kwarts (fused silica). Deze capillairen kunnen naakt, gecoat of gevuld met een gel worden gebruikt. Er worden zeer hoge potentiaalvelden toegepast, tot 30 kV [74](#page=74). Een standaard CE-opstelling bestaat uit een capillair waarvan de uiteinden in twee reservoirs met bufferoplossing zijn geplaatst, elk met een elektrode. Een spanningsbron zorgt voor een groot potentiaalverschil tussen de elektroden. Aan het einde van het capillair bevindt zich een detector voor on-line detectie van gepasseerde componenten [74](#page=74). > **Tip:** CE wordt niet alleen in de biochemie, maar ook in de farmaceutische analyse veelvuldig toegepast en wordt beschouwd als een belangrijk alternatief voor omgekeerde-fase (RP) scheidingen, mede door de mogelijkheid van on-line detectie [75](#page=75). Het resultaat, het elektroferogram, lijkt sterk op een chromatogram [75](#page=75). #### 4.2.1 Voordelen van CE * Zeer goede scheidingen mogelijk (tot 30 miljoen theoretische platen per meter) [75](#page=75). * Snelle analyse (5 tot 30 minuten) [75](#page=75). * Vereist geen grote hoeveelheden dure of toxische solventen, maar voornamelijk waterige buffers [75](#page=75). * Slechts nanoliters van het monster zijn nodig. Dit is zowel een voordeel (weinig monster nodig) als een nadeel wat betreft gevoeligheid in concentratietermen [75](#page=75). #### 4.2.2 Uitvoeringsmethoden in CE Er zijn vier hoofduitvoeringsmethoden te onderscheiden: ##### 4.2.2.1 Capillaire zone-elektroforese (CZE) In CZE bepaalt naast het elektroforetische effect (EF) ook het elektro-osmotische effect (EOF) de mobiliteit. Het EOF is gerelateerd aan de structuur van het capillairmateriaal, zoals kwarts met SiO-groepen. Deze silanolgroepen zijn zuur en ioniseren boven pH 3, waardoor het oppervlak van een naakt capillair een negatieve lading krijgt [75](#page=75) [76](#page=76). Positieve ionen uit de buffer vormen een dubbellaag: een niet-mobiele laag met niet-gehydrateerde kationen en een mobiele laag met gehydrateerde kationen. Bij het aanleggen van een hoogspanning bewegen de vrije kationen naar de negatieve elektrode, waarbij de bulk van de oplossing wordt meegesleept. Dit fenomeen wordt het elektro-osmotisch effect genoemd en verklaart waarom ook neutrale bestanddelen bewegen onder invloed van het elektrische veld. De potentiaal geassocieerd met dit effect wordt de stromingspotentiaal genoemd [76](#page=76). > **Tip:** De grootte van de EOF wordt beïnvloed door bufferconcentratie, viscositeit en pH. De EOF kan worden gewijzigd door modificatie van de capillairwand [76](#page=76). Een belangrijk voordeel van de EOF is dat alle deeltjes, ongeacht hun lading, in één richting bewegen. Onder normale omstandigheden (negatieve capillairwand) beweegt de EOF naar de kathode [76](#page=76). * **Kationen:** Migreren het snelst omdat zowel de elektroforetische flow als de EOF dezelfde richting op wijzen (naar de kathode) [76](#page=76). * **Niet-geladen deeltjes:** Bewegen met de snelheid van de EOF en kunnen onderling niet gescheiden worden [76](#page=76). * **Anionen:** Bereiken de detector het laatst. Zij worden door de elektroforetische flow naar de anode getrokken, maar de EOF voert ze naar de kathode. De EOF is hierbij groter dan de elektroforetische flow [76](#page=76).  [77](#page=77). CZE kan zowel organische verbindingen, anorganische ionen als peptiden scheiden [77](#page=77). ##### 4.2.2.2 Micellaire elektrokinetische capillaire chromatografie (MEKC) MEKC combineert capillaire elektroforese met micelvorming. Micellen zijn sferische aggregaten van tensioactieve stoffen, zoals natriumdodecylsulfaat (SDS), met een hydrofiel exterieur en hydrofobe interieur. Ze dragen een uitwendige lading en hun beweging is het resultaat van de som van elektroforetische en elektro-endosmotische effecten [77](#page=77). Neutrale moleculen kunnen interageren met het hydrofobe deel van de micellen en verdelen zich tussen de micelle en de omringende vloeistof, afhankelijk van de interactiekracht. De scheiding wordt bepaald door de eigen elektroforetische beweging van de stof en de mate van partitie naar de micelle. De micellen fungeren als een stationaire fase, waarbij de interactiesterkte de elutievolgorde bepaalt, maar in tegenstelling tot een stationaire fase bewegen de micellen [77](#page=77). > **Voorbeeld:** Stoffen verdelen zich tussen de micel en de oplossing. Verschillende interactiesterktes met de micellen resulteren in scheiding [78](#page=78). ##### 4.2.2.3 Capillaire elektrochromatografie (CEC) CEC is een hybride techniek die HPLC en CE combineert. Een omgekeerde-fase stationaire fase wordt in een fused silica capillair gepakt (interne diameter 50-200 µm, partikelgrootte 1-5 µm). Door het aanleggen van een elektrisch veld wordt de mobiele fase door de stationaire fase geduwd, waardoor geen hoge druk pomp nodig is [78](#page=78). ##### 4.2.2.4 Capillaire gel elektroforese Deze techniek maakt gebruik van met gel gevulde capillairen en wordt vaak toegepast voor de scheiding van DNA-fragmenten (variërend van minder dan 100 tot meer dan 2000 baseparen). De scheiding is gebaseerd op de grootte van de ionen, vergelijkbaar met klassieke gelelektroforese, waarbij de gel fungeert als een moleculaire zeef. Componenten met vergelijkbare lading of lading/grootte-verhouding, maar verschillende grootte, kunnen gescheiden worden, zoals DNA-fragmenten en SDS-proteïnen. Dit is een geminiaturiseerde vorm van klassieke gelelektroforese [78](#page=78). ##### 4.2.2.5 Capillaire isoelektrische focusering (CIEF) CIEF wordt gebruikt voor de scheiding van peptiden en proteïnen op basis van hun iso-elektrisch punt (pI). Zie klinische chemie voor meer informatie [78](#page=78). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Analyten | De componenten in een materiaal die men wenst te bepalen middels een chemische analyse. | | Kwalitatieve analyse | Een analysetechniek die tot doel heeft te achterhalen welke elementen of moleculen aanwezig zijn in een monster. | | Kwantitatieve analyse | Een analysetechniek die tot doel heeft de concentratie van aanwezige componenten in een monster te bepalen. | | Klassieke analytische methoden (Natte chemie) | Analysemethoden die gebruikmaken van scheidingstechnieken zoals neerslagvorming, extractie of destillatie, gevolgd door kwalitatieve bepalingen op basis van fysische of chemische eigenschappen, en kwantitatieve bepalingen via gravimetrie of titrimetrie. | | Instrumentele analytische methoden | Analysemethoden die een specifieke fysische eigenschap van een component meten, zoals de absorptie of emissie van licht, elektrisch geleidingsvermogen, of massa-ladingverhoudingen. | | Chromatografie | Een efficiënte scheidingsmethode die het mogelijk maakt componenten in een mengsel te scheiden alvorens deze te kwantificeren. | | Elektroforese | Een scheidingstechniek gebaseerd op de beweging van geladen moleculen in een elektrisch veld. | | Monstername (Sampling) | Het proces waarbij een representatieve fractie van het te onderzoeken materiaal wordt afgezonderd voor analyse. | | Voorbereiding (Preliminary sample treatment) | De initiële bewerking van een monster, zoals homogeniseren of het verwijderen van niet-monsterlijk materiaal, ter voorbereiding op verdere analyse. | | Opzuiveringen (Separations) | Stappen binnen een analyse waarbij het te meten bestanddeel gescheiden wordt van interfererende stoffen of omgezet wordt in een meetbare vorm, bijvoorbeeld door derivatisatie. | | Precisie | De mate van spreiding in meetresultaten die verkregen worden door een methode herhaaldelijk op hetzelfde monster toe te passen. Het kwantificeert de toevallige (random) fouten. | | Herhaalbaarheid | De precisie verkregen onder "ideale" omstandigheden, waarbij metingen door dezelfde analist, met dezelfde apparatuur, kort op elkaar worden uitgevoerd. | | Reproduceerbaarheid | De precisie verkregen onder variabele omstandigheden, zoals op verschillende dagen, met andere reagentia, of door verschillende laboratoria. | | Standaarddeviatie (SD, s) | Een statistische maat die de spreiding van meetwaarden rond het gemiddelde weergeeft en wordt gebruikt om de precisie van een methode uit te drukken. | | Relatieve standaarddeviatie (RSD) | Een maat voor de precisie die de standaarddeviatie uitdrukt als een percentage van de gemiddelde waarde, wat een beter inzicht geeft in de betrouwbaarheid van de meting ten opzichte van de gemeten concentratie. | | Juistheid | De mate van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van de te bepalen component. Het geeft de systematische fouten weer. | | Bias | Het absolute verschil tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van een component, wat de mate van systematische afwijking aangeeft. | | Controlestalen (Gecertificeerde referentiematerialen) | Materialen met gekende concentraties van specifieke componenten die worden gebruikt om de juistheid van een analysemethode te valideren. | | Spiking | De procedure waarbij een bekende hoeveelheid van het analiet wordt toegevoegd aan een blanco monster of aan een staal om de recovery te bepalen en daarmee de juistheid van de methode te evalueren. | | Recovery (Terugvindingspercentage) | Het percentage van de toegevoegde hoeveelheid analiet dat succesvol wordt teruggevonden en gemeten in een monster, gebruikt als indicatie van de juistheid van de methode. | | Standaard additie methode | Een kalibratiemethode waarbij bekende hoeveelheden analyt worden toegevoegd aan het onbekende staal zelf, om matrixeffecten te compenseren en de juistheid van de bepaling te verbeteren. | | Systematische fouten | Fouten die de resultaten consistent in dezelfde richting afwijken (bv. altijd te hoog of altijd te laag), en die de juistheid van een meting beïnvloeden. | | Gevoeligheid | De mate waarin een methode kleine veranderingen in de concentratie van een component op betrouwbare wijze kan meten, vaak gelijkgesteld aan de helling van de ijklijn. | | Detectielimiet (LOD, Limit of Detection) | De kleinste concentratie van een analiet die met een bepaalde analysemethode nog betrouwbaar kan worden aangetoond, wat betekent dat het signaal te onderscheiden is van de achtergrondruis. | | Bepalingslimiet (Kwantificatielimiet, LOQ) | De laagste concentratie van een analiet waarbij de concentratie op betrouwbare wijze kan worden gekwantificeerd, wat vereist dat het signaal significant hoger is dan de blancowaarde. | | Selectiviteit (Specificiteit) | De mate waarin een analysemethode het beoogde analiet kan bepalen zonder interferentie van andere vergelijkbare componenten in het monster. | | Robuustheid | De ongevoeligheid van een analysemethode voor kleine variaties in omstandigheden zoals temperatuur, pH, of gebruikte reagentia, zonder significante invloed op de precisie en juistheid. | | Kalibratiecurve (Standaardcurve) | Een grafische weergave die het verband tussen het analytische signaal en de bekende concentraties van standaarden weergeeft, gebruikt om onbekende concentraties te bepalen. | | Lineaire regressie | Een statistische methode om de "beste passende" rechte lijn te vinden door een reeks datapunten, gebruikt om de relatie tussen concentratie en signaal te beschrijven in de vorm van $y = a.x + b$. | | Lineariteit | De eigenschap van een methode waarbij er binnen een bepaald bereik een recht evenredig verband bestaat tussen de gemeten respons en de concentratie van de te bepalen component. | | Dynamisch bereik | Het concentratiegebied waarin een methode lineair reageert en betrouwbare kwantificatie mogelijk is, lopend van de kwantificatielimiet (LOQ) tot het punt waar de kalibratiecurve begint af te wijken. | | Correlatiecoëfficiënt | Een statistische maat ($r$ of $r^2$) die de sterkte en richting van de lineaire relatie tussen twee variabelen aangeeft, gebruikt om de kwaliteit van een kalibratiecurve te beoordelen. | | Externe standaardmethode | Een kalibratiemethode waarbij standaarden met bekende concentraties onafhankelijk van het monster worden geanalyseerd om een kalibratiecurve op te stellen, waarna de concentratie in het monster wordt bepaald. | | Standaardadditie methode | Een kalibratiemethode waarbij bekende hoeveelheden van het analiet aan het onbekende monster worden toegevoegd om matrixeffecten te compenseren. | | Interne standaardmethode | Een kalibratiemethode waarbij een specifieke stof (interne standaard) met bekende chemische eigenschappen wordt toegevoegd aan zowel standaarden als monsters om variaties in de analyse te corrigeren. | | Molaire concentratie (c) | De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als het aantal mol per volume-eenheid van de oplossing, vaak in mol/L. | | Massaconcentratie | De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als het aantal gram per volume-eenheid van de oplossing, vaak in g/L of mg/L. | | Fractionele concentraties | Uitdrukkingen die het aandeel van een opgeloste stof in het totale mengsel weergeven, zoals massafractie, volumefractie of massa/volume-fractie, vaak uitgedrukt in percentages, promille, ppm of ppb. | | Massafractie | De fractie van een component in een mengsel, waarbij zowel de massa van de component als de massa van het mengsel worden beschouwd. | | Volumefractie | De fractie van een component in een mengsel, waarbij zowel het volume van de component als het volume van het mengsel worden beschouwd. | | Massa/volumefractie | De fractie van een component in een mengsel, waarbij de massa van de opgeloste stof en het volume van het mengsel worden beschouwd. | | ppm (parts per million) | Een eenheid voor fractionele concentratie die een miljardste deel van het geheel aangeeft (10$^{-6}$), vaak gebruikt voor zeer lage concentraties. | | ppb (parts per billion) | Een eenheid voor fractionele concentratie die een miljardste deel van het geheel aangeeft (10$^{-9}$), gebruikt voor extreem lage concentraties. | | Term | Definitie | | Mobiele fase | De vloeistof of het gas dat door het chromatografische systeem stroomt en de te scheiden componenten meevoert. | | Stationaire fase | Het vaste materiaal of de vloeistof die geïmmobiliseerd is op een drager, en waarlangs de mobiele fase stroomt. De componenten interageren met de stationaire fase, wat leidt tot scheiding. | | Ontwikkeling | Het proces waarbij de componenten van het mengsel, meegenomen door de mobiele fase, zich door de stationaire fase bewegen. | | Elutie | Het proces waarbij de te onderzoeken stof, die op de stationaire fase is vastgehouden, wordt losgewassen en van de stationaire fase wordt verwijderd. | | Eluens | De mobiele fase die wordt gebruikt om de componenten uit de stationaire fase te elueren. | | Eluaat | De oplossing die de kolom verlaat na de elutie, en die de gescheiden componenten bevat. | | Retentie | Het proces waarbij een stof wordt weerhouden of vertraagd door interactie met de stationaire fase tijdens de chromatografische scheiding. | | Retentietijd ($t_R$) | De tijd die een specifieke component van het mengsel nodig heeft om de kolom te doorlopen en te elueren, gemeten vanaf het moment van injectie tot de detectiepiek. | | Chromatogram | Een grafische weergave van het detectorsignaal als functie van de tijd, die de scheiding van de componenten van een mengsel in een chromatografisch systeem laat zien. | | Gaschromatografie (GC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een gas is en wordt gebruikt voor het scheiden van vluchtige stoffen. | | Vloeistofchromatografie (LC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een vloeistof is en wordt gebruikt voor het scheiden van stoffen die niet gemakkelijk vluchtig zijn of bij hoge temperaturen instabiel zijn. | | Adsorptiechromatografie | Een chromatografische techniek waarbij de scheiding gebaseerd is op adsorptie van de componenten van het mengsel aan het oppervlak van de stationaire fase. | | Partitiechromatografie (Verdelingschromatografie) | Een chromatografische techniek waarbij de scheiding gebaseerd is op de verdeling van componenten tussen de mobiele fase en een vloeibare stationaire fase. | | Ionenuitwisselingschromatografie (IEC) | Een chromatografische techniek waarbij de stationaire fase geladen functionele groepen bevat die ionen uitwisselen met de ionen in de mobiele fase, resulterend in scheiding op basis van lading. | | Exclusiechromatografie | Een chromatografische techniek waarbij scheiding voornamelijk plaatsvindt op basis van moleculaire grootte en/of vorm. Deeltjes die groter zijn dan de poriën van de stationaire fase, passeren sneller. | | Affiniteitschromatografie | Een chromatografische techniek die gebruikmaakt van een specifieke interactie (affiniteit) tussen een analyt en een ligand die aan de stationaire fase is gebonden om een scheiding te bewerkstelligen. | | Papierchromatografie | Een eenvoudige chromatografische techniek waarbij filtreerpapier als stationaire fase fungeert (geïmmobiliseerd water) en een vloeistof als mobiele fase. | | Dunnelaagchromatografie (TLC) | Een chromatografische techniek waarbij een dunne laag van een stationaire fase (bv. silicagel) op een plaat wordt aangebracht. De scheiding vindt plaats door de capillaire migratie van de mobiele fase. | | Resolutie ($R_s$) | Een maat voor de mate waarin twee pieken in een chromatogram gescheiden zijn, wat aangeeft hoe goed twee componenten van elkaar te onderscheiden zijn. Een hogere resolutie betekent een betere scheiding. | | Bandverbreding (Piekverbreding) | Het fenomeen waarbij de pieken in een chromatogram breder worden tijdens de migratie door de kolom, wat resulteert in een verminderde resolutie. | | Verdelingscoëfficiënt ($K_D$) | Een evenwichtsconstante die de verdeling van een opgeloste stof tussen de mobiele en stationaire fase beschrijft; de verhouding tussen de concentratie van een stof in de stationaire fase en de concentratie ervan in de mobiele fase bij evenwicht. | | Retentiefactor ($k'$) (Capaciteitsfactor) | Een dimensieloze parameter die de mate van retentie van een analyt op de kolom aangeeft; de verhouding van de tijd die een component in de stationaire fase doorbrengt tot de tijd die hij in de mobiele fase doorbrengt. | | Selectiviteit ($\alpha$) | De verhouding van de gecorrigeerde retentietijden van twee componenten, die aangeeft hoe goed de chromatografische kolom de twee componenten van elkaar kan scheiden. Een waarde groter dan 1 duidt op selectiviteit. | | Theoretische platen ($N$) | Een maat voor de efficiëntie van een chromatografische kolom, waarbij een groter aantal theoretische platen wijst op een hogere scheidingskwaliteit. | | Plaathoogte (HETP) | Height Equivalent of a Theoretical Plate; een maat voor de efficiëntie van een chromatografische kolom die de kolomlengte meeneemt. Een lagere HETP duidt op een efficiëntere kolom. | | HPLC (High Performance Liquid Chromatography) | Een geavanceerde vorm van vloeistofchromatografie die gebruikmaakt van hoge druk om de mobiele fase door een kolom met fijne deeltjes te persen, wat resulteert in hoge resolutie en snelle analyses. | | Normale fase (NP) chromatografie | Een chromatografische modus waarbij de stationaire fase polair is en de mobiele fase apolair. Componenten interageren sterker met de polaire stationaire fase. | | Omgekeerde fase (RP) chromatografie | Een chromatografische modus waarbij de stationaire fase apolair is (vaak met lange koolstofketens) en de mobiele fase polair. Componenten die apolairder zijn, worden sterker vastgehouden. | | Dode tijd ($t_m$) (Holdup time) | De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen zonder interactie met de stationaire fase; de tijd die de mobiele fase nodig heeft om de kolom te passeren. | | Gecorrigeerde retentietijd ($t'_R$) | Het verschil tussen de retentietijd van een component en de dode tijd van de kolom; de tijd die de component effectief in de stationaire fase heeft doorgebracht. | | Bandverbreding (Eddy-diffusie) | Een oorzaak van piekverbreding in chromatografie waarbij componenten verschillende paden door de kolom volgen, wat leidt tot een spreiding van de componenten. | | Bandverbreding (Longitudinale diffusie) | Een oorzaak van piekverbreding waarbij moleculen zich verspreiden in de richting van de mobiele fase door hun willekeurige beweging, vooral significant in gassen. | | Massatransfer | Het proces waarbij moleculen overgaan van de mobiele naar de stationaire fase en vice versa. Het tijd nodig voor dit proces draagt bij aan bandverbreding. | | UV-absorptiedetector | Een detector die gebruikmaakt van de absorptie van ultraviolet licht door componenten om deze te detecteren. Vaak specifiek voor verbindingen met dubbele bindingen. | | Fluorescentiedetector | Een detector die fluorescerende componenten detecteert door het meten van de emissie van licht na excitatie. Zeer gevoelig voor fluorescerende stoffen. | | Conductometrische detector | Een detector die de elektrische geleidbaarheid van de mobiele fase meet. Veranderingen in geleidbaarheid duiden op de aanwezigheid van geïoniseerde componenten. | | Massaspectrometrie (MS) | Een techniek die ionen scheidt en detecteert op basis van hun massa-ladingverhouding ($m/z$). Wordt vaak gekoppeld aan chromatografie voor identificatie en kwantificatie. | | Guard kolom | Een korte, verwisselbare kolom die vóór de analytische kolom wordt geplaatst om te voorkomen dat sterke verontreinigingen de analytische kolom beschadigen of verstoppen. | | Isocratische elutie | Een chromatografische analyse waarbij de samenstelling van de mobiele fase constant blijft gedurende de gehele elutie. | | Gradiënt elutie | Een chromatografische analyse waarbij de samenstelling van de mobiele fase tijdens de elutie wordt gevarieerd, vaak om de scheiding van componenten met sterk verschillende retenties te verbeteren. | | Capillaire kolom | Een zeer smalle chromatografische kolom met een kleine interne diameter, vaak gebruikt in gaschromatografie, die hoge resolutie biedt. | | Gepakte kolom | Een chromatografische kolom die gevuld is met de stationaire fase, veelal gebruikt in zowel gas- als vloeistofchromatografie. | | Split injectie | Een injectietechniek in gaschromatografie waarbij een deel van het monster wordt weggesplitst voordat het de kolom bereikt, waardoor de kolom niet wordt overladen. | | Splitless injectie | Een injectietechniek in gaschromatografie waarbij het volledige monster op de kolom wordt gebracht, vaak met behulp van een lage starttemperatuur om het monster te concentreren. | | PTV injector (Programmed Temperature Vaporization) | Een geavanceerde gaschromatografie injector die snelle opwarming en afkoeling mogelijk maakt, geschikt voor het injecteren van grotere volumes met minimale bandspreiding. | | Headspace analyse | Een monstervoorbereidingstechniek waarbij de vluchtige componenten uit de gasfase boven een monster worden geanalyseerd, nuttig voor het bepalen van vluchtige stoffen in vaste of vloeibare matrices. | | Vlamionisatiedetector (FID) | Een veelgebruikte detector in gaschromatografie die organische verbindingen detecteert door ze te verbranden en de gevormde ionen te meten. Gevoelig voor koolwaterstoffen. | | Thermische geleidbaarheidsdetector (TCD) | Een universele detector in gaschromatografie die de thermische geleidbaarheid van de gasstroom meet. Detecteert alle componenten die verschillen van het draaggas. | | Elektron capture detector (ECD) | Een zeer gevoelige detector in gaschromatografie, specifiek voor elektronegatieve verbindingen zoals gehalogeneerde pesticiden. | | Externe standaard methode | Een kwantificatiemethode waarbij de signalen van onbekende monsters worden vergeleken met de signalen van standaardoplossingen met bekende concentraties. | | Interne standaard methode | Een kwantificatiemethode waarbij een bekende hoeveelheid van een interne standaard wordt toegevoegd aan zowel de monster- als de standaardoplossingen om toestel- en procedurefouten te elimineren. | | Moleculair ion | Het ion dat ontstaat door de verwijdering van één elektron uit een neutraal molecuul, waardoor de massa van het oorspronkelijke molecuul wordt vertegenwoordigd. | | Fragmentatie | Het proces waarbij een moleculair ion uiteenvalt in kleinere, geladen fragmenten, wat resulteert in een reeks ionen met verschillende massa-ladingverhoudingen. | | Massaspectrum | Een grafische weergave van de relatieve abundantie van de verschillende ionen die worden geproduceerd in een massaspectrometer, geplot tegen hun massa-ladingverhouding (m/z). | | Basispiek | De meest intense piek in een massaspectrum, die gewoonlijk wordt toegewezen aan het meest stabiele of meest voorkomende fragmention en die wordt ingesteld op 100% intensiteit voor schaalvergroting. | | Ionisatiebron | Het onderdeel van de massaspectrometer dat verantwoordelijk is voor het omzetten van neutrale moleculen in geladen ionen, essentieel voor de scheiding en detectie. | | Elektron impact (EI) | Een veelgebruikte ionisatiemethode waarbij moleculen worden gebombardeerd met elektronen met hoge energie, wat leidt tot ionisatie en aanzienlijke fragmentatie. | | Massa-analysator | Het deel van de massaspectrometer dat de geïoniseerde deeltjes scheidt op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z) voordat ze de detector bereiken. | | Kwadrupool massa-analysator | Een type massa-analysator dat gebruik maakt van vier parallelle staven met wisselende elektrische spanningen om ionen met specifieke massa-ladingverhoudingen te selecteren die de detector kunnen bereiken. | | Ionenvangst (ion trap) analysator | Een compacte massa-analysator die ionen opslaat in een geëvacueerde ruimte met behulp van elektrische velden en ze vervolgens selectief kan uitstoten op basis van hun moleculaire massa. | | Time of Flight (TOF) analysator | Een massa-analysator die de tijd meet die ionen nodig hebben om een vaste afstand af te leggen na versnelling door een elektrisch veld, waarbij lichtere ionen sneller bewegen dan zwaardere ionen. | | Resolutie (R) | Een maatstaf voor het vermogen van een massaspectrometer om twee ionen met nabijgelegen massa-ladingverhoudingen van elkaar te scheiden, gedefinieerd als $R = m/\Delta m$. | | Hoge resolutie massaspectrometrie (HRMS) | Een massaspectrometrische techniek die de massa van ionen met een zeer hoge precisie bepaalt, vaak tot op vier of vijf decimalen, om moleculaire formules nauwkeurig te identificeren. | | Chemische ionisatie (CI) | Een "zachtere" ionisatiemethode die minder fragmentatie veroorzaakt dan EI, waarbij de ionisatie van analyten plaatsvindt door reacties met secundaire ionen van een reactiegas. | | Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI) | Een zachte ionisatietechniek die plaatsvindt bij atmosferische druk, geschikt voor analyten met lage tot gemiddelde polariteit, waarbij ionisatie optreedt via corona-ontladingen. | | Electrospray Ionisation (ESI) | Een zeer zachte ionisatietechniek, uitgevoerd bij atmosferische druk, die uitermate geschikt is voor het ioniseren van polaire verbindingen, inclusief macromoleculen, door de vorming van een geladen aërosol. | | Elektroforetische mobiliteit (µEF) | Een maat voor hoe snel een ion beweegt in een elektrisch veld, afhankelijk van de lading, de grootte van het ion, en de eigenschappen van het omringende medium zoals de viscositeit en de veldsterkte. | | Amfoliet | Een molecuul dat zowel zure als basische functionele groepen bevat, zoals aminozuren, peptiden en proteïnen. De lading en daarmee de mobiliteit van een amfoliet hangt sterk af van de pH van het medium. | | Iso-elektrisch punt (pI) | De specifieke pH-waarde waarbij een amfoliet netto geen lading heeft. Bij deze pH zijn de positieve en negatieve ladingen in het molecuul in evenwicht, wat resulteert in een mobiliteit van ongeveer nul in een elektrisch veld. | | Capillaire zone-elektroforese (CZE) | Een elektroforetische scheidingstechniek die gebruik maakt van dunne capillairen (buisjes) gevuld met een bufferoplossing. Scheiding vindt plaats op basis van de verschillende elektroforetische mobiliteiten van de componenten in het monster. | | Elektro-osmotisch effect (EOF) | De beweging van de gehele bufferoplossing in een capillair onder invloed van een aangelegd elektrisch veld. Dit effect ontstaat door de geladen wand van de capillair en zorgt ervoor dat ook neutrale componenten bewegen. | | Micellaire elektrokinetische capillaire chromatografie (MEKC) | Een techniek die elektroforese combineert met micelvorming. Neutrale moleculen kunnen interageren met de hydrofobe delen van de micellen, waardoor scheiding mogelijk wordt op basis van hun verdelingsgedrag tussen de micel en de mobiele fase. | | Capillaire elektrochromatografie (CEC) | Een hybride scheidingstechniek die elementen van zowel capillaire elektroforese als hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC) integreert. De mobiele fase wordt door een stationaire fase in een capillair gestuwd door middel van een elektrisch veld, wat de noodzaak van een hoge druk pomp elimineert. | | Capillaire gel elektroforese | Een techniek waarbij elektroforese wordt uitgevoerd in een capillair dat gevuld is met een gelmatrix. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor het scheiden van biomoleculen zoals DNA-fragmenten en proteïnen, gebaseerd op hun grootte en lading. |

# Inleidende begrippen en karakteristieken van analysemethoden Dit hoofdstuk introduceert de fundamentele concepten en classificatie van analytische methoden, inclusief hun essentiële kenmerken en kalibratiestrategieën. ## 1. Inleiding tot analytische methoden Chemische analyses, cruciaal in diverse wetenschappelijke en industriële sectoren, hebben tot doel de aanwezigheid en concentratie van specifieke componenten (analyten) in een materiaal te achterhalen. Het ontwikkelen en valideren van een geschikte analysemethode is hierbij een essentiële stap, waarbij factoren als monstergrootte, samenstelling, vereiste nauwkeurigheid en snelheid een rol spelen [5](#page=5). ## 2. Indeling van analysemethoden Analytische methoden worden primair ingedeeld in klassieke (natte chemie) en instrumentele methoden [5](#page=5). ### 2.1 Klassieke analytische methoden Deze methoden maken gebruik van scheidingsprocessen zoals neerslag, extractie of destillatie, gevolgd door kwalitatieve identificatie op basis van eigenschappen zoals kleur, smeltpunt of oplosbaarheid. Kwantitatieve bepalingen worden uitgevoerd middels gravimetrie of titrimetrie [5](#page=5). ### 2.2 Instrumentele analytische methoden Instrumentele methoden meten specifieke fysische of chemische eigenschappen van componenten, zoals de absorptie of emissie van licht (spectroscopie), geleidbaarheid of elektrodepotentiaal (elektrochemie), massa-ladingverhouding (massaspectrometrie) of reactiesnelheid (kinetische methoden). Daarnaast worden efficiënte scheidingsmethoden zoals chromatografie en elektroforese ingezet om componenten in mengsels te isoleren alvorens ze te kwantificeren [5](#page=5). De keuze van een specifieke analysemethode is afhankelijk van: * **Aard en kwaliteit van de vereiste informatie**: Welke componenten moeten bepaald worden, kwalitatief of kwantitatief, en met welke nauwkeurigheid en precisie [6](#page=6). * **Randvoorwaarden**: Concentratiegebied (hoofd-, neven- of sporenelementen), aantal monsters (snelheid), en economische aspecten zoals kostprijs per monster en apparatuur [6](#page=6). ## 3. Verloop van een analyse Een typische analyse doorloopt de volgende stadia [6](#page=6): 1. **Keuze van de methode**: Selectie van de meest geschikte methode voor het analytische probleem. 2. **Monstername**: Afzonderen van een representatieve fractie van het te onderzoeken materiaal. 3. **Voorbereiding**: Homogeniseren van het monster en verwijderen van niet-relevante materialen. 4. **Opzuiveringen**: Scheiden van het te meten bestanddeel van interfererende stoffen, eventueel gevolgd door derivatisatie. 5. **Meting**: Het daadwerkelijk meten van het analytische signaal. 6. **Evaluatie van het resultaat**: Statistische of andere methodes om de betrouwbaarheid van de resultaten te beoordelen. ## 4. Karakteristieken van een methode De betrouwbaarheid van een analysemethode wordt beoordeeld aan de hand van diverse kenmerken [6](#page=6). ### 4.1 Precisie Precisie is de mate van spreiding in meetresultaten verkregen bij herhaalde metingen op hetzelfde monster. Het weerspiegelt de invloed van toevallige (random) fouten [7](#page=7) [8](#page=8). * **Herhaalbaarheid**: Metingen onder identieke omstandigheden (dezelfde analist, apparatuur, korte tijdsduur) [7](#page=7). * **Reproduceerbaarheid**: Metingen onder variabele omstandigheden (verschillende dagen, reagentia, laboratoria) [7](#page=7). Precisie wordt uitgedrukt als de **standaarddeviatie (s)**: $$ s = \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})^2}{n-1}} $$ waarbij $x_i$ individuele meetwaarden zijn en $\bar{x}$ het gemiddelde [7](#page=7). De **relatieve standaarddeviatie (RSD)** geeft de precisie in verhouding tot het gemiddelde aan: $$ \text{RSD} = \frac{s}{\bar{x}} \times 100\% $$ Voorbeeld: Een RSD van 5,63% betekent dat de standaarddeviatie 5,63% van de gemiddelde waarde bedraagt. Algemeen worden resultaten binnen 5% als aanvaardbaar beschouwd, afhankelijk van de methode [8](#page=8). > **Tip**: Resultaten worden vaak weergegeven als gemiddelde $\pm$ s. Bij een normale verdeling ligt 68% van de resultaten binnen $\bar{x} \pm s$ en 99,7% binnen $\bar{x} \pm 3s$ [8](#page=8). ### 4.2 Juistheid (Accuracy) Juistheid is de mate van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen ($\xi$) en de werkelijke waarde ($\mu_0$). Het verschil hiertussen wordt de **bias** genoemd [8](#page=8): $$ \text{bias} = |\xi - \mu_0| $$ Juistheid wordt bepaald met gecertificeerde referentiematerialen of door middel van **spiking**: het toevoegen van een bekende hoeveelheid analyt aan een blanco monster met dezelfde matrix. Het **recovery** (terugvindingspercentage) wordt dan berekend [8](#page=8): $$ \text{recovery} = \frac{\text{gemeten hoeveelheid analyt}}{\text{toegevoegde hoeveelheid analyt}} \times 100\% $$ Indien een blanco met dezelfde matrix niet beschikbaar is, wordt de standaardadditie methode toegepast. Juistheid wordt beïnvloed door systematische fouten, die constant of proportioneel kunnen zijn [9](#page=9). ### 4.3 Gevoeligheid en Detectielimiet * **Gevoeligheid**: De mate waarin een methode kleine veranderingen in de analytconcentratie betrouwbaar kan meten. Dit wordt weerspiegeld door de helling van de ijklijn. Een gevoelige methode heeft een kalibratiecurve met een grote richtingscoëfficiënt [9](#page=9). * **Detectielimiet (LOD)**: De kleinste concentratie die met de methode aangetoond kan worden, waarbij het signaal nog onderscheidbaar is van de achtergrondruis. Het wordt berekend als [10](#page=10): $$ y_{\text{LOD}} = y_{\text{BLK}} + 3 s_{\text{BLK}} $$ Hierbij wordt $y_{\text{LOD}}$ ingevuld in de ijklijnvergelijking ($y = ax + b$) om de concentratie ($x_{\text{LOD}}$) te bepalen [10](#page=10). * **Kwantificatielimiet (LOQ)**: De laagste concentratie waarbij een kwantitatieve bepaling betrouwbaar mogelijk is. Het signaal moet hierbij minimaal gelijk zijn aan de blanco plus tien maal de standaarddeviatie van de blanco [10](#page=10). ### 4.4 Selectiviteit (Specificiteit) Selectiviteit geeft aan in hoeverre een analyt bepaald kan worden zonder interferentie van andere componenten in het monster. Een volledig specifieke methode is eerder uitzonderlijk; vaak zijn er stappen nodig om interferenties te minimaliseren [10](#page=10). ### 4.5 Robuustheid Robuustheid is de ongevoeligheid van een methode voor kleine variaties in omstandigheden zoals temperatuur, reagentia, pH, analysewachttijd of de analist. Een robuuste methode levert consistente resultaten bij kleine wijzigingen in deze parameters [10](#page=10). ### 4.6 Lineariteit en Dynamisch Bereik * **Lineariteit**: Het bestaan van een lineair verband tussen het analytische signaal en de concentratie van de analyt binnen een bepaald bereik. Dit verband wordt vaak weergegeven door de vergelijking van een rechte lijn [11](#page=11): $$ y = a \cdot x + b $$ waarbij $a$ de helling en $b$ het snijpunt met de y-as is, bepaald met de kleinste kwadratenmethode [11](#page=11). * **Dynamisch Bereik**: Het meetgebied tussen de kwantificatielimiet (LOQ) en de concentratie waarbij de kalibratiecurve begint af te wijken van lineariteit (limit of linearity, LOL) [11](#page=11). De **correlatiecoëfficiënt (r)** kwantificeert hoe goed de gemeten punten op een rechte lijn liggen, met waarden dicht bij 1 die duiden op een sterke lineaire relatie [12](#page=12). $$ r = \frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})(y_i - \bar{y})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i - \bar{x})^2 \sum_{i=1}^{n}(y_i - \bar{y})^2}} $$ Voor nauwkeurig analytisch werk is doorgaans een correlatiecoëfficiënt van $r > 0.997$ vereist [12](#page=12). ## 5. Kalibratiemethoden Kalibratie stelt het verband vast tussen het analytische signaal en de analytconcentratie, meestal met behulp van standaarden. Een blanco meting wordt gebruikt om het signaal te corrigeren [13](#page=13). ### 5.1 Externe standaardmethode Bij deze methode worden standaarden met bekende concentraties onafhankelijk van het monster gemeten, waarna een ijklijn wordt opgesteld. De concentratie van de analyt in het monster wordt berekend door de gemeten waarde van het monster in de ijklijn in te vullen. Deze methode veronderstelt gelijke matrixeffecten tussen standaard en monster [13](#page=13). ### 5.2 Standaardadditiemethode Deze methode wordt toegepast wanneer matrixeffecten verwacht of aanwezig zijn. Hierbij worden standaardoplossingen direct aan het monster toegevoegd (spiking). Meerdere porties van het monster worden genomen, waarbij aan elk een toenemende hoeveelheid standaard wordt toegevoegd, en één portie blijft ongemoeid. De concentratie wordt bepaald uit het snijpunt van de geplotte meetwaarden met de x-as [13](#page=13). ### 5.3 Interne standaardmethode Een interne standaard (met vergelijkbare chemische eigenschappen als de analyt, maar afzonderlijk meetbaar) wordt toegevoegd aan zowel standaarden als monsters. Dit compenseert voor variaties in de meting, zoals verschillen in extractieopbrengst of injectievolume. De verhouding van het signaal van de analyt tot het signaal van de interne standaard wordt uitgezet tegen de concentratie [14](#page=14) [15](#page=15). ## 6. Concentratie uitdrukkingen in oplossing De hoeveelheid opgeloste stof kan op verschillende manieren worden uitgedrukt [15](#page=15). ### 6.1 Molaire concentratie (c) De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als aantal mol per liter oplossing [15](#page=15). $$ c = \frac{n}{V} $$ waarbij $n$ het aantal mol is ($n = \frac{m}{M}$ met $m$ de massa en $M$ de molaire massa) [15](#page=15). ### 6.2 Massaconcentratie ($m_c$) De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als massa per volume-eenheid, meestal in gram per liter (g/L) of milligram per liter (mg/L) [16](#page=16). $$ m_c = \frac{m}{V} $$ ### 6.3 Fractionele concentraties Deze geven het deel opgeloste stof in het totale mengsel weer. Ze kunnen uitgedrukt worden als [16](#page=16): * **Massafractie (m/m)**: Massa opgeloste stof / massa mengsel. * **Volumefractie (V/V)**: Volume opgeloste stof / volume mengsel. * **Massa/volume fractie (m/V)**: Massa opgeloste stof / volume mengsel. Deze fracties kunnen verder gespecificeerd worden met eenheden zoals procent (%), promille (‰), parts per million (ppm, $10^{-6}$), of parts per billion (ppb, $10^{-9}$) [16](#page=16). Voor verdunde waterige oplossingen geldt: * 1 ppm $\approx$ 1 mg/L [16](#page=16). * 1 ppb $\approx$ 1 µg/L [16](#page=16). --- # Chromatografische scheidingsmethoden Chromatografie is een verzameling technieken gebaseerd op de verdeling van componenten van een mengsel tussen een stationaire en een mobiele fase, met als doel identificatie en kwantificatie [20](#page=20). ### 2.1 Principe van chromatografie Elk chromatografisch systeem bestaat uit een stationaire fase (vast of vloeibaar) en een mobiele fase (vloeistof of gas) die erlangs stroomt. Wanneer een mengsel op de stationaire fase wordt aangebracht, worden de componenten meegevoerd door de mobiele fase. De snelheid waarmee elke stof migreert, is afhankelijk van de interactie met zowel de stationaire als de mobiele fase. Stoffen die sterker aan de stationaire fase hechten, migreren langzamer. Aan het einde van de kolom wordt een detector geplaatst die een signaal produceert dat, uitgezet tegen de tijd, resulteert in een chromatogram [20](#page=20) [21](#page=21). ### 2.2 Algemene termen in chromatografie * **Mobiele fase:** Vloeistof of gas dat door het systeem stroomt [21](#page=21). * **Stationaire fase:** Vast materiaal of vloeistof geïmmobiliseerd op een drager [21](#page=21). * **Ontwikkeling:** Proces waarbij componenten met de mobiele fase door de stationaire fase stromen [21](#page=21). * **Visualisatie of detectie:** Bepaling van gescheiden componenten na de scheiding [21](#page=21). * **Elutie:** Proces waarbij de stof van de stationaire fase wordt gewassen [21](#page=21). * **Eluens:** De mobiele fase [21](#page=21). * **Eluaat:** Oplossing die de kolom verlaat [21](#page=21). * **Retentie:** Het weerhouden of vertragen van een stof op de stationaire fase [21](#page=21). * **Retentietijd:** De tijd die een stof nodig heeft om te elueren [21](#page=21). * **Chromatogram:** Grafische weergave van de scheiding [21](#page=21). ### 2.3 Indeling van chromatografische technieken Chromatografische technieken kunnen worden ingedeeld op basis van de mobiele fase (vloeistof- of gaschromatografie) of het scheidingsmechanisme (adsorptie-, partitie-, ionenuitwisselings-, exclusie- en affiniteitschromatografie) (#page=21, 22, 23) [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23). * **Vloeistofchromatografie:** Gebruikt een vloeistof als mobiele fase, geschikt voor stoffen met een hoog kookpunt of thermische instabiliteit [21](#page=21). * **Gaschromatografie:** Gebruikt een gas als mobiele fase, geschikt voor vluchtige stoffen [21](#page=21). * **Planaire chromatografie:** De stationaire fase is een vlakke laag, in tegenstelling tot kolomchromatografie [22](#page=22). * **Adsorptiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op adsorptie van moleculen aan een vaste stationaire fase door intermoleculaire krachten. Voorbeelden van stationaire fasen zijn silicagel en aluminiumoxide [22](#page=22). * **Partitiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op de verdeling van componenten tussen de mobiele en een vloeibare stationaire fase [22](#page=22). * **Ionenuitwisselingschromatografie:** Scheiding gebaseerd op de interactie met ioniseerbare groepen op de stationaire fase, essentieel voor het scheiden van ionen [23](#page=23). * **Exclusiechromatografie:** Scheiding gebaseerd op moleculaire grootte en/of vorm. 'Size exclusion' chromatografie is een bekend voorbeeld [23](#page=23). * **Affiniteitschromatografie:** Scheiding gebaseerd op de specifieke biologische affiniteit van een analyt voor een ligand [23](#page=23). ### 2.4 Papierchromatografie Papierchromatografie is een eenvoudige techniek waarbij filtreerpapier, met cellulosevezels die water vasthouden, als stationaire fase dient. Het eluens is een vloeistof die slecht mengbaar is met water, waardoor het een vloeistof-vloeistofchromatografie is. Scheiding vindt plaats door verdeling tussen het water in het papier en het eluens. Deze techniek wordt voornamelijk voor kwalitatieve analyse gebruikt en is grotendeels vervangen door dunnelaagchromatografie [23](#page=23) [24](#page=24). ### 2.5 Dunnelaagchromatografie (TLC) Dunnelaagchromatografie (TLC) is vergelijkbaar met papierchromatografie, maar gebruikt een dunne laag adsorberende stof (vaak silicagel) op een plaat als stationaire fase [24](#page=24). #### 2.5.1 Principe Na het aanbrengen van het monster (spotten) op de plaat, migreert de mobiele fase (solvent, eluens) door capillaire krachten over de plaat, wat leidt tot scheiding van de componenten. Componenten die sterker interageren met de stationaire fase, migreren langzamer. Na ontwikkeling wordt de plaat gedroogd en geëvalueerd. High-performance dunnelaagchromatografie (HPTLC) maakt gebruik van kleinere, uniformere deeltjes voor hogere efficiëntie en lagere detectielimieten (#page=24, 25) [24](#page=24) [25](#page=25). #### 2.5.2 Spotten - opbrengen van het staal Monsters en standaarden worden als spot of band op de plaat aangebracht, op dezelfde hoogte en zonder de dunne laag te beschadigen. Kleine spots/banden worden verkregen door een vluchtig oplosmiddel te gebruiken en eventueel tussen het aanbrengen van kleine volumes door te drogen. Spotten kan manueel (capillair, micropipet) voor kwalitatieve/semi-kwantitatieve analyses, of geautomatiseerd voor kwantitatieve bepalingen [25](#page=25). #### 2.5.3 Basiscomponenten van het chromatografisch systeem * **Stationaire fasen:** * **Adsorbentia (vaste stationaire fasen):** Silicagel (SiO₂) is een veelgebruikt polair adsorbens met zure eigenschappen door SiOH groepen. Het vochtgehalte beïnvloedt de activiteit; verwarming kan de activiteit verhogen. Silicagel wordt gecombineerd met een minder polaire mobiele fase (normale fase, NP-chromatografie) [26](#page=26). * **Chemisch gebonden stationaire fasen:** Apolariteit wordt verkregen door fenyl-, C8- of C18-koolwaterstoffen aan het silica te binden. Deze worden gecombineerd met een meer polaire mobiele fase (omgekeerde fase chromatografie) [26](#page=26). * **HPTLC:** Maakt gebruik van kleinere (< 5 µm) en uniformere deeltjes, resulterend in smallere banden, snellere analyses en lagere detectielimieten [27](#page=27). * **De mobiele fase:** De keuze van de mobiele fase is cruciaal en kan gemakkelijk worden aangepast. De mobiele fase moet de componenten transporteren, zelf vluchtig zijn voor detectie, en de componenten kunnen scheiden. Vaak wordt een mengsel van solventen gebruikt om de gewenste polariteit te bereiken [27](#page=27). * **De ontwikkelkamer:** Een afgesloten kamer waarin de mobiele fase wordt geplaatst, waardoor een verzadigde atmosfeer ontstaat die verdamping van het eluens vanaf de plaat voorkomt. De plaat wordt zo geplaatst dat de spots boven het solventniveau blijven [27](#page=27) [28](#page=28). #### 2.5.4 Detectie * **Kwalitatief:** Gekleurde componenten zijn zichtbaar met het blote oog. Kleurloze componenten kunnen zichtbaar worden gemaakt met UV-licht (voor UV-absorberende stoffen) of door chemische reacties (sproei- of dip-techniek). De identificatie gebeurt aan de hand van de Rf-waarde (retentiefactor), de verhouding van de afgelegde afstand van de component tot die van de loopvloeistof (liggend tussen 0 en 1) [28](#page=28). $$R_f = \frac{\text{afstand afgelegd door de component}}{\text{afstand afgelegd door de loopvloeistof}}$$ * **Kwantitatief:** Een reeks standaardoplossingen met bekende concentratie en een onbekend staal worden gebruikt. De vlekken worden gescand met een densitometer (densitogram). De oppervlakte onder de pieken wordt uitgezet tegen de concentratie van de standaarden om de concentratie van het onbekende af te leiden [29](#page=29) [30](#page=30). #### 2.5.5 Voor- en nadelen van dunnelaagchromatografie Voordelen zijn snelle analyses, gelijktijdige analyse van meerdere stalen en laag solventverbruik. Met HPTLC worden goede precisie, juistheid en gevoeligheid bereikt, hoewel lager dan bij HPLC. Het aantal te scheiden componenten per analyse is echter kleiner [31](#page=31). ### 2.6 Chromatografische begrippen Voor analytische doeleinden zijn gaschromatografie (GC) en hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC) de meest toegepaste technieken [32](#page=32). #### 2.6.1 De verdelingscoëfficiënt De verdelingscoëfficiënt ($K_D$) beschrijft de verdeling van een opgeloste stof tussen de mobiele en stationaire fase. Het is de verhouding van de concentratie van de stof in de stationaire fase tot de concentratie in de mobiele fase [32](#page=32). $$K_D = \frac{C_s}{C_m}$$ Een groter verschil in $K_D$ tussen componenten leidt tot een groter verschil in migratiesnelheid en dus tot een betere scheiding [32](#page=32). #### 2.6.2 De retentietijd De retentietijd ($t_R$) is de tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen. Deze bestaat uit de dode tijd ($t_m$), de tijd die een stof doorbrengt in de mobiele fase, en de tijd die de stof doorbrengt in de stationaire fase ($t'_R$) [33](#page=33). $$t_R = t'_R + t_m$$ De dode tijd is de tijd die een niet-vastgehouden component nodig heeft om de kolom te passeren [33](#page=33). #### 2.6.3 Resolutie Resolutie is een kwantitatieve maat voor de scheiding van twee pieken, gebaseerd op het verschil in retentietijd en de piekbreedte (#page=33, 34) [33](#page=33) [34](#page=34). $$R_s = \frac{2(t_{R2} - t_{R1})}{w_1 + w_2}$$ waar $t_{R1}$ en $t_{R2}$ de retentietijden zijn, en $w_1$ en $w_2$ de piekbreedtes op de basislijn zijn. Resolutie wordt beïnvloed door de retentiefactor, selectiviteit en efficiëntie van de kolom [34](#page=34). #### 2.6.4 Retentiefactor (of capaciteitsfactor) De retentiefactor ($k$) geeft aan hoe sterk een analyt wordt weerhouden op de kolom. Het is de verhouding van het aantal moleculen in de stationaire fase tot het aantal moleculen in de mobiele fase [35](#page=35). $$k = \frac{n_s}{n_m}$$ Het kan ook berekend worden uit het chromatogram als de verhouding van de gecorrigeerde retentietijd tot de dode tijd [35](#page=35). $$k = \frac{t'_R}{t_m} = \frac{t_R - t_m}{t_m}$$ De retentiefactor is dimensieloos en onafhankelijk van kolomlengte en flowsnelheid, wat het een betere parameter maakt voor vergelijking tussen systemen. Ideale waarden liggen tussen 2 en 10 [35](#page=35). #### 2.6.5 Selectiviteit Selectiviteit ($\alpha$), of relatieve retentie, is de verhouding van de gecorrigeerde retentietijden van twee verbindingen en geeft de afstand tussen piekmaxima weer [35](#page=35). $$\alpha = \frac{t'_{R2}}{t'_{R1}} = \frac{K_{D2}}{K_{D1}}$$ Een hogere $\alpha$ (>1) betekent een betere scheiding van de pieken. Selectiviteit kan worden beïnvloed door de samenstelling van de mobiele en stationaire fase, en de temperatuur [35](#page=35) [36](#page=36). #### 2.6.6 Bandverbreding - piekverbreding Bandverbreding is het fenomeen dat de componenten de kolom verlaten als bredere banden, wat resulteert in bredere pieken in het chromatogram. Dit kan worden veroorzaakt door [36](#page=36): * **Eddy-diffusie:** Verschillende afstanden die deeltjes afleggen in de kolom [36](#page=36). * **Longitudinale diffusie:** Verplaatsing van moleculen van hoge naar lage concentratie ten gevolge van willekeurige beweging. Dit is vooral significant in gassen door de grotere moleculaire afstanden [37](#page=37). * **Massatransfer:** Het proces van overgang tussen mobiele en stationaire fase, dat tijd nodig heeft voor het instellen van het evenwicht. Een hogere stroomsnelheid van de mobiele fase kan leiden tot minder tijd voor evenwicht en bredere pieken [37](#page=37). De mate van bandverbreding bepaalt de chromatografische efficiëntie, uitgedrukt als het aantal theoretische platen (N) [37](#page=37). $$N = 16 \left( \frac{t_R}{w} \right)^2$$ waar $t_R$ de retentietijd en $w$ de piekbreedte op de basislijn is. De plaathoogte (HETP - Height Equivalent of a Theoretical Plate) is een betere maatstaf voor het scheidend vermogen, waarbij een lagere HETP duidt op een hogere efficiëntie [37](#page=37) [38](#page=38). $$HETP = \frac{L}{N}$$ waar $L$ de lengte van de kolom is [38](#page=38). ### 2.7 Gaschromatografie (GC) Gaschromatografie (GC) scheidt componenten die in dampvorm gebracht kunnen worden. De meest courante vorm is gas-vloeistofchromatografie (GLC), waarbij de stationaire fase een vloeibare film is op een drager, en de mobiele fase een inert gas [38](#page=38). #### 2.7.1 Principe Het monster wordt geïnjecteerd in dampvorm en meegenomen door de mobiele gasfase door een kolom in een oven. Componenten verplaatsen zich met verschillende snelheden afhankelijk van hun vluchtigheid en interactie met de stationaire fase. De scheiding is gebaseerd op zowel vluchtigheid als oplosbaarheid in de stationaire fase. Gescheiden componenten worden gedetecteerd en omgezet in een chromatogram. GC biedt voordelen zoals snelle analyses, hoge resolutie en gevoeligheid (tot 1 ppm met FID) [38](#page=38) [39](#page=39). #### 2.7.2 Onderdelen van de gaschromatograaf * **Draaggas:** Een inert, zuiver gas (bv. helium, stikstof) dat de mobiele fase vormt [39](#page=39). * **Injectiepoort:** Waar het monster in dampvorm wordt gebracht, zo smal mogelijk bandje [40](#page=40). * **Split/splitless injector:** Geschikt voor capillaire GC, kan in split of splitless mode werken. In split mode wordt een deel van het monster naar de kolom gestuurd, wat resulteert in een smal bandje. Splitless mode is voor monsters met lage concentraties, waarbij aanvankelijk een lage kolomtemperatuur wordt ingesteld voor reconcentratie [40](#page=40) [41](#page=41). * **PTV injector:** Programmed Temperature Vaporization injector, geschikt voor grotere volumes door snelle temperatuurwisselingen [41](#page=41). * **(Cool-)On-column injectie:** Monster wordt direct in de kolom geïnjecteerd bij lagere temperaturen [41](#page=41). * **Head space analyse:** Analyse van vluchtige stoffen in vaste of vloeibare monsters door de gasfase boven het monster te analyseren [42](#page=42). * **Kolom:** Kan een gepakte kolom (gevuld met stationaire fase) of een capillaire kolom (stationaire fase op de wand) zijn. Capillaire kolommen hebben een hoger scheidend vermogen maar lagere staalcapaciteit. De polariteit van de stationaire fase is belangrijk; polaire componenten scheiden best op een polaire fase, apolaire componenten op een apolaire fase [43](#page=43). * **Kolomoven:** Regelt de temperatuur van de kolom, kan isothermisch of met temperatuurprogrammering zijn. Temperatuurprogrammering versnelt de analyse van componenten met grote verschillen in kookpunt [45](#page=45). * **Detector:** Meet de gassamenstelling bij de uitlaat van de kolom. Veelgebruikte detectoren zijn FID (vlamionisatiedetector, gevoelig voor organische verbindingen) TCD (thermische geleidbaarheidsdetector, universeel) en ECD (elektron capture detector, gevoelig voor elektronegatieve groepen) [46](#page=46) [47](#page=47). #### 2.7.3 Kwantitatieve analyses * **Identificatie:** Gebaseerd op retentietijd door vergelijking met standaarden [47](#page=47). * **Kwantificatie:** Piekhoogte en piekoppervlakte zijn evenredig met de concentratie [48](#page=48). * **Externe standaard methode:** Vergelijking van piekoppervlakten/hoogten van standaarden en het onbekende monster [48](#page=48). * **Interne standaard methode:** Een interne standaard wordt toegevoegd aan alle monsters en standaarden om toestel- en procedurefouten te elimineren door de verhouding van piekoppervlakten te gebruiken [49](#page=49). ### 2.8 Vloeistofchromatografie Vloeistofchromatografie (LC) scheidt ionen of moleculen opgelost in een vloeistof. Indeling vindt plaats op basis van de stationaire fase: liquid-solid chromatography (LSC, bv. adsorptiechromatografie zoals TLC) en liquid-liquid chromatography (LLC, bv. partitiechromatografie zoals papierchromatografie). Ionenchromatografie (IC) scheidt ionen op basis van hun lading [50](#page=50). #### Hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC) HPLC perst de mobiele fase onder hoge druk (tot 200 bar) door een gepakte kolom, wat resulteert in een snelle scheiding en een zeer goede resolutie [50](#page=50). #### 2.9 HPLC (High Performance Liquid Chromatography) De HPLC-instrumentatie omvat vloeistofreservoirs, een ontgasser, een hogedrukpomp, een injector, de kolom en een detector. Alle onderdelen die in contact komen met de mobiele fase zijn gemaakt van corrosiebestendig materiaal zoals roestvrij staal of PEEK. Het minimaliseren van 'dood volume' is cruciaal voor efficiëntie [51](#page=51). * **Mobiele fase:** Speelt een belangrijke rol in het scheidingsproces en beïnvloedt de selectiviteit. De keuze is afhankelijk van de stationaire fase en de aard van de componenten. Gradiëntelutie (verandering van de samenstelling van de mobiele fase tijdens de analyse) wordt vaak gebruikt om alle componenten te elueren. De 'solventsterkte' geeft aan hoe goed een solvent de interactie kan verbreken en een analyt kan elueren [51](#page=51) [52](#page=52). * **Stationaire fase:** Meestal gebaseerd op silicadeeltjes met gebonden functionele groepen [52](#page=52). * **Normale fase (NP-HPLC):** Polaire stationaire fase en apolaire mobiele fase; gebruikt voor sterk hydrofobe componenten [52](#page=52). * **Omgekeerde fase (RP-HPLC):** Veruit de meest courante vorm. Apolaire stationaire fase (bv. silica met C8 of C18 ketens) en een polaire mobiele fase (bv. water met een modifier) (#page=52, 53) [52](#page=52) [53](#page=53). * **Injectiesysteem:** Gebruikt een injectieklep met een lus van bekend volume om het monster nauwkeurig op de kolom te brengen [53](#page=53). * **Kolom:** Meestal van roestvrij staal, met chemisch gebonden apolaire fasen (Si-R met R=C2, C8, of C18) voor reversed phase chromatografie, of met polaire stationaire fasen voor normal phase chromatografie (#page=53, 54) [53](#page=53) [54](#page=54). * **Leidingen (tubings) en fittings:** Kleine inwendige diameter (0.25 mm) om het extra-kolom volume te minimaliseren. Materialen zijn inert staal of PEEK, met elk hun voor- en nadelen qua reactiviteit en drukbestendigheid [54](#page=54). * **Pompen:** Meestal dubbele pistonpompen voor een gelijkmatige flow. Kunnen de samenstelling van de mobiele fase mengen (gradiënt elutie) [55](#page=55). * **Detectoren voor HPLC:** Meten continu een eigenschap van de vloeistof [56](#page=56). * **UV absorptie:** Detecteert verbindingen die UV-licht absorberen (180-350 nm) [56](#page=56). * **Fluorescentie:** Detecteert fluorescerende moleculen, zeer specifiek en gevoelig [56](#page=56). * **Conductometrie:** Meet de geleidbaarheid van de mobiele fase, nuttig bij ionuitwisselingschromatografie [56](#page=56). * **Massa spectrometrie (MS):** Scheidt en bepaalt ionen op basis van hun massa-ladingverhouding, gekoppeld aan HPLC voor uitgebreide analyse [56](#page=56). #### 2.9.8 Praktische elementen bij HPLC Gebruik zuivere, gefilterde en ontgaste solventen. Een guard kolom beschermt de analytische kolom. Vermijd extreme pH en puur water voor reversed phase kolommen. Silica kolommen vermijden hoge waterconcentraties en alkalische pH [57](#page=57). ### 2.10 Ionenuitwisselingschromatografie (IEC) IEC scheidt ionen door middel van een stationaire fase, een ionenwisselaar, die ioniseerbare groepen bevat. De stationaire fase kan een kation- of anionuitwisselaar zijn [57](#page=57) [58](#page=58). #### 2.10.1 Selectiviteit van ionenwisselaars De selectiviteitscoëfficiënt ($K_{A/B}$) beschrijft de affiniteit van een hars voor een bepaald ion ten opzichte van een ander. Factoren die de verdeling bepalen zijn de aard van de uitgewisselde ionen (lading, gehydrateerde grootte) en de concentratie van de ionen (#page=60, 61). Sterk zure kationuitwisselaars met sulfonzuurgroepen zijn stabiel over een breed pH-gebied. Zwak zure kationuitwisselaars (met COOH-groepen) zijn pH-afhankelijk. Anionenwisselaars zijn pH-gevoeliger. Harsen met meer kruisverbindingen zijn selectiever voor ionen met verschillende groottes door een dichtere poriestructuur [60](#page=60) [61](#page=61) [62](#page=62). #### 2.10.2 Capaciteit van de ionenwisselaar De totale capaciteit hangt af van het aantal ionactieve groepen per gewichtseenheid, uitgedrukt in millimol of milliequivalenten per gram. De effectieve capaciteit kan drastisch verminderd zijn voor ionen met grote afmetingen in harsen met veel kruisverbindingen [63](#page=63). #### 2.10.3 Mobiele fase De mobiele fase is meestal een waterige buffer. De pH en ionische sterkte bepalen de retentietijd. Bij gradiëntelutie worden de pH of ionische sterkte gewijzigd om de elutie te optimaliseren [63](#page=63). #### 2.10.4 Detector Meestal wordt de geleidbaarheid van de mobiele fase na elutie gemeten. Een ion-onderdrukkingskolom wordt vaak tussen de analytische kolom en de detector geplaatst om de mobiele fase-ionen te verwijderen en de achtergrondgeleidbaarheid te verminderen [64](#page=64). --- # Massaspectrometrie Massaspectrometrie is een analytische techniek die moleculen ioniseert, segregeert op basis van hun massa-tot-ladingverhouding en detecteert om hun identificatie en structuur te bepalen. ## 3. Massaspectrometrie Bij massaspectrometrie (MS) worden te analyseren moleculen geïoniseerd en gefragmenteerd. De gevormde ionen worden vervolgens gescheiden op basis van hun massa-tot-lading (m/z) verhouding. Na detectie levert dit een massaspectrum op, dat gebruikt kan worden voor de identificatie van de component en het achterhalen van zijn structuur [65](#page=65). ### 3.1 Principe van massaspectrometrie De ionisatie van moleculen (M) leidt tot de vorming van ionen (M$^+$). Meestal worden positieve ionen gevormd door het verwijderen van één elektron uit het molecuul [65](#page=65): $$M \quad \longrightarrow \quad M^{\cdot+} + e^-$$ [65](#page=65). Het ion M$^+$ wordt het moleculaire ion genoemd. De massa (m) en lading (z) van dit ion zijn belangrijk voor MS. De massaspectrometer meet de verhouding van massa tot lading (m/z). Als de lading $z=1$ is, dan is de m/z verhouding gelijk aan de massa van het ion. De massa van het ion is gerelateerd aan de massa van het oorspronkelijke molecuul [65](#page=65). De gevormde ionen zijn vaak instabiel en zullen deels dissociëren, wat in MS fragmentatie wordt genoemd. Het resultaat is een verzameling ionen. De relatieve hoeveelheid van elk ion wordt weergegeven in een massaspectrum, dat karakteristiek is voor een component [65](#page=65). **Voorbeeld van een massaspectrum:** Het massaspectrum van methanol is weergegeven in figuur 6.1. De belangrijkste ionen zijn [65](#page=65): * m/z 32: CH$_3$OH$^{\cdot+}$ (moleculair ion, 70%) [66](#page=66). * m/z 31: CH$_2$OH$^+$ (basispiek, 100%) [66](#page=66). * m/z 29: CHO$^+$ (60%) [66](#page=66). * m/z 15: CH$_3^+$ (20%) [66](#page=66). De piek met de hoogste massa (hier 32) kan afkomstig zijn van het moleculaire ion. De belangrijkste (grootste) piek, hier m/z 31, wordt de basispiek genoemd. Het is gebruikelijk om massaspectra te tekenen als staafdiagrammen met de basispiek op 100% [66](#page=66). ### 3.2 De massaspectrometer Een massaspectrometer bestaat uit verschillende componenten: een inlaatsysteem, een ionisatiebron, een massa-analysator en een detector [66](#page=66). * **Inlaatsysteem:** Hier wordt het monster via verdamping de massaspectrometer ingebracht [66](#page=66). * **Ionisatiebron:** Zet de moleculen om in ionen [66](#page=66). * **Massa-analysator:** Scheidt de ionen op basis van hun m/z verhouding [66](#page=66). * **Detector:** Registreert de ionen en de verkregen informatie [66](#page=66). Het gehele apparaat werkt onder vacuüm [66](#page=66). #### 3.2.1 Elektronenimpact (EI) ionisatie Bij de elektronenimpact (EI) ionisatiebron worden monster moleculen gebombardeerd met elektronen van hoge energie (meestal 70 eV). Deze elektronen worden gevormd door een verwarmde metaaldraad (filament). De elektronenbundel staat dwars op de monsterinlaat. Bij botsing met monstermoleculen dragen de elektronen kinetische energie over, wat leidt tot excitatie, fragmentatie en ionisatie [66](#page=66) [67](#page=67). De gevormde positieve ionen worden versneld in een elektrisch veld en komen in de massa-analysator. Hier worden ze afgebogen door een magnetisch veld, afhankelijk van hun m/z verhouding, snelheid en de sterkte van het magnetisch veld. Door variatie van het elektrische of magnetische veld, kunnen ionen met verschillende m/z verhoudingen de exit slit bereiken [67](#page=67). Na de exit slit worden de ionen gedetecteerd als een elektrische stroom, bijvoorbeeld door een elektronenmultiplier. De kromming van de ionenbaan kan worden gewijzigd door het magnetisch veld te veranderen of de snelheid van de ionen te beïnvloeden [67](#page=67). #### 3.2.2 Ionisatiesystemen Naast Elektronenimpact (EI) zijn er diverse andere ionisatiemethoden, waaronder chemische ionisatie, veld ionisatie en MALDI [67](#page=67). ##### Elektron Impact (EI) EI is de meest gebruikte ionisatiemethode in combinatie met GC-MS omdat het zowel moleculaire ionen als fragmentionen genereert. Echter, EI kan problemen opleveren, zoals spectra van isomeren die moeilijk te onderscheiden zijn, of te sterke fragmentatie die leidt tot weinig diagnostische ionen. In dergelijke gevallen zijn zachtere ionisatiemethoden zoals chemische ionisatie of MALDI geschikter [68](#page=68). ##### Chemische ionisatie (CI) CI is een zachtere ionisatiemethode die minder fragmentatie veroorzaakt, waardoor voornamelijk (pseudo-)moleculaire ionen worden gevormd. De ionisatie van de analyten verloopt via een serie stappen. Een reactiegas (bv. methaan, isobutaan, ammoniak) wordt in de bron geïntroduceerd en initieel geïoniseerd door EI. Deze primaire ionen reageren verder met reactiegasmoleculen tot secundaire ionen. Analyten reageren met deze secundaire ionen door protonoverdracht, elektrontrekking of associatiereacties [68](#page=68). ##### Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI) APCI is een zachte en robuuste ionisatietechniek voor analyten van lage tot gemiddelde polariteit. De analyten moeten vluchtig en thermisch stabiel zijn. Het principe is vergelijkbaar met CI, maar de ionisatie vindt plaats onder atmosferische druk, wat leidt tot een hogere ionisatie-efficiëntie (tot 10000 maal groter dan in EI). Slechts een klein deel van de gevormde ionen bereikt echter de MS [68](#page=68). Bij APCI wordt het loopmiddel met de analyten verneveld met gas (meestal stikstof) en komt in een hete buis, waardoor de vloeistof verdampt en de analyten in gasfase komen. Een hoge spanning op een naald veroorzaakt een corona-ontlading, wat leidt tot reacties met het vernevelingsgas en solventmoleculen, die de analyten ioniseren [68](#page=68). ##### Electrospray Ionisation (ESI) ESI is een zeer zachte ionisatietechniek die bij atmosferische druk plaatsvindt en geschikt is voor polaire verbindingen, van lage tot zeer hoge moleculaire massa (bv. proteïnes). Ionen worden gevormd in de vloeistoffase en omgezet naar gasfase ionen [69](#page=69). De analyten komen opgelost de bron binnen via een metalen naald met hoge spanning (3-4 kV). Met een gasstroom wordt een aërosol van sterk geladen deeltjes gevormd. Verdamping verkleint de druppels, waardoor de ladingsdichtheid toeneemt. Op de Rayleigh limiet wordt de elektrostatische afstoting groter dan de oppervlaktespanning, waardoor de druppel uiteenspat. Dit proces kan zich herhalen, en uiteindelijk worden uit deze geladen druppeltjes gasfase ionen uitgestoten die gemeten kunnen worden [69](#page=69). ESI leidt tot weinig fragmentatie en maakt meervoudige lading van grote moleculen mogelijk (vanaf circa 1200 Dalton, met een lading van ongeveer 1 per 1000 Da). Dit maakt de meting van macromoleculen met massaspectrometrie mogelijk [69](#page=69). #### 3.2.3 Massa analyse De massa-analysator is een essentieel onderdeel van de massaspectrometer. Er zijn verschillende typen, waaronder de kwadrupool-, magnetische, ionenvangst (ion trap) en TOF (time of flight) analysators. De magnetische analysator is reeds besproken [70](#page=70). ##### Kwadrupool massa-analysator Een kwadrupool analysator bestaat uit twee paren parallelle staven. Tegenover elkaar liggende staven zijn elektrisch verbonden en er wordt een variabele spanning aangelegd. Onder invloed van deze spanning leggen de ionen een oscillerende baan af tussen de staven. Bij een specifieke spanning bereiken slechts ionen met een bepaalde massa het einde van de baan; alle andere ionen worden gevangen door de staven. Door de spanning continu te variëren (massa scanning), passeren ionen van verschillende massa na elkaar de staven en bereiken de detector. Dit type wordt daarom een quadrupool massa filter genoemd [70](#page=70). ##### Ionenvangst analysator De ionenvangst analysator (ion trap analyzer) is een compacte massafilter die sterk lijkt op een kwadrupool. Ionen worden in een geëvacueerde holte opgeslagen door geschikte elektrische velden aan te leggen. Vervolgens kunnen de ionen selectief worden uitgestoten op basis van hun moleculaire massa [70](#page=70). ##### Time of Flight (TOF) analysator Bij een TOF analysator worden ionen onder invloed van een elektrisch veld naar de analysator geleid. De grootte van het elektrische veld bepaalt de kinetische energie van de ionen. Ionen met dezelfde lading hebben dezelfde kinetische energie. De snelheid van deze ionen is afhankelijk van hun massa volgens $E_k = mv^2/2$; lichtere deeltjes bewegen sneller dan zwaardere. Dit resulteert in een verschil in tijd om de detector te bereiken. De tijd die ionen nodig hebben om de detector te bereiken is gecorreleerd met hun m/z verhouding. Wanneer de TOF-detector wordt gecombineerd met MALDI, waarbij voornamelijk éénwaardige ionen worden gevormd, kan de massa van de deeltjes direct uit het massaspectrum worden afgelezen. Deze analysator wordt voornamelijk toegepast voor de detectie van biopolymeren zoals proteïnen en bacteriën [71](#page=71). #### Het scheidend vermogen of resolutie De resolutie (R) van een massaspectrometer is het vermogen om twee ionen met een verschillende m/z waarde te scheiden. Het wordt gedefinieerd als $R = m/\Delta m$, waarbij $m$ de gemeten massa is en $\Delta m$ het verschil in massa dat meetbaar is [71](#page=71). Resolutie is van groot belang in MS [71](#page=71). **Voorbeeld:** Twee stoffen hebben een massa van 32. De accurate massa van de ene is 32.0263 ± 0.0001, terwijl de andere 31.9898 ± 0.0001 is. De ene stof is CH$_3$OH, de andere O$_2$ [71](#page=71). Wanneer de m/z op 4 of 5 decimalen wordt gemeten, spreekt men van hoge resolutie massaspectrometrie (HRMS). Wanneer de massa slechts tot op het laatste gehele getal wordt bepaald, spreekt men van lage resolutie MS (LRMS). Een kwadrupool-massafilter heeft een lage resolutie, terwijl met een magnetische sector analysator een zeer hoge resolutie kan worden bereikt [71](#page=71). --- # Elektroforetische technieken Elektroforese is een scheidingsmethode gebaseerd op de beweging van ionen in een elektrisch veld, resulterend in een elektroferogram [72](#page=72). ### 4.1 Inleiding tot elektroforese Elektroforese maakt gebruik van de beweging van geladen deeltjes in een elektrisch veld om scheiding te bewerkstelligen. Anionen (negatief geladen ionen) migreren naar de anode (positieve pool), terwijl kationen (positief geladen ionen) naar de kathode (negatieve pool) bewegen met een constante migratiesnelheid [72](#page=72). #### 4.1.1 Elektroforetische mobiliteit De snelheid waarmee een ion in een elektrisch veld beweegt, wordt gedefinieerd door de elektroforetische mobiliteit ($\mu_{EF}$) [73](#page=73): $v = \mu_{EF} E$ [73](#page=73). De elektroforetische mobiliteit wordt verder bepaald door: $\mu_{EF} = \frac{q}{6\pi\eta r}$ [73](#page=73). Waarbij: * $q$: lading van het ion [73](#page=73). * $E$: veldsterkte (V/cm) [73](#page=73). * $\eta$: viscositeit van het milieu [73](#page=73). * $r$: straal van het deeltje [73](#page=73). * $v$: snelheid [73](#page=73). Uit deze vergelijking volgt dat de mobiliteit afhankelijk is van de ion-kenmerken (lading $q$ en straal $r$) en de eigenschappen van het milieu (viscositeit $\eta$) [73](#page=73). De scheiding verbetert met: * Toename van de analyseduur [73](#page=73). * Hogere gebruikte veldsterkte ($E_{veld}$) [73](#page=73). * Groter verschil in de verhouding $q/r$ tussen de ionen [73](#page=73). #### 4.1.2 Invloed van pH op amfolieten De pH heeft een significante invloed op de migratiesnelheid van amfolieten, zoals aminozuren, peptiden en proteïnen. Aminozuren bezitten zowel zure (-COOH, $pK_1 \approx 2.0-2.5$) als basische (-NH$_2$, geconjugeerd zuur $pK \approx 9-9.5$) functionele groepen [73](#page=73). * Bij lage pH (lager dan $pK_1$) zal de carboxylgroep protoneren (-COOH) en de aminogroep protoneren (-NH$_3^+$), wat resulteert in een netto positieve lading (zure vorm). De amfoliet migreert dan naar de kathode [73](#page=73) [74](#page=74). * Bij hoge pH (hoger dan $pK$ van de aminogroep) zal de carboxylgroep gedeprotoneerd zijn (-COO$^-$) en de aminogroep gedeprotoneerd zijn (-NH$_2$), wat resulteert in een netto negatieve lading (basische vorm). De amfoliet migreert dan naar de anode [74](#page=74). * Bij het iso-elektrisch punt ($pI$), de pH waarbij de netto lading van het molecuul nul is (zwitterion vorm), is de mobiliteit nagenoeg nul. Dit punt kan berekend worden als het gemiddelde van de $pK$ waarden van de ioniseerbare groepen [73](#page=73): $pI = \frac{pK_1 + pK_2}{2}$ [73](#page=73). Experimenteel wordt het iso-elektrisch punt gedefinieerd als de pH waarbij het proteïne niet migreert in een elektrisch veld [74](#page=74). De mobiliteit wordt ook beïnvloed door de lading ($q$) en de afmetingen (straal $r$) van het ion; een hogere lading en kleinere afmetingen leiden tot sterkere aantrekking tot de tegengestelde elektrode [74](#page=74). Klassieke elektroforese met poreuze gels is tijdrovend, inefficiënt en moeilijk te automatiseren. Capillaire elektroforese biedt daarentegen snelle en efficiënte scheidingen [74](#page=74). ### 4.2 Capillaire elektroforetische technieken Capillaire elektroforese (CE) wordt uitgevoerd in capillairen met interne diameters variërend van 25 tot 100 µm, typisch gemaakt van kwarts (fused silica). Ze kunnen naakt, gecoat of gevuld met gel worden gebruikt. Er worden hoge veldsterktes toegepast, tot wel 30 kV [74](#page=74). Een standaard CE-opstelling omvat een capillair waarvan de uiteinden in twee buffertankjes met elektroden geplaatst zijn. De elektroden zijn aangesloten op een spanningsbron. Aan het einde van het capillair bevindt zich een detector voor on-line detectie [74](#page=74). In tegenstelling tot veel biochemische toepassingen, wordt CE ook veelvuldig gebruikt in de farmaceutische analyse als alternatief voor omgekeerde fase (RP) scheidingen, mede dankzij de mogelijkheid van on-line detectie met bijvoorbeeld een UV-detector. Het resulterende signaal wordt een elektroferogram genoemd, vergelijkbaar met een chromatogram [75](#page=75). **Voordelen van Capillaire Elektroforese:** * Potentieel voor zeer hoge scheidingsefficiëntie (tot 30 miljoen platen per meter) [75](#page=75). * Snelle analysetijden (5 tot 30 minuten) [75](#page=75). * Vereist minder dure en toxische solventen dan HPLC; voornamelijk waterige buffers worden gebruikt [75](#page=75). * Zeer kleine monstervolumes (nanoliters) zijn nodig, wat een voordeel is voor monstervoorziening, maar een nadeel voor de gevoeligheid in concentratietermen [75](#page=75). #### 4.2.1 Capillaire zone-elektroforese (CZE) CZE is de zuivere vorm van elektroforese waarbij naast het elektroforetische effect (EF) ook het elektro-osmotische effect (EOF) de mobiliteit bepaalt [75](#page=75). Het EOF ontstaat door de structuur van de capillairwand (SiO$_2$). Silanolgroepen aan het oppervlak ioniseren boven pH 3, wat de wand een negatieve lading geeft. Positieve ionen uit de buffer vormen een dubbellaag: een niet-mobiele laag van niet-gehydrateerde kationen en een mobiele laag van gehydrateerde kationen. Bij het aanleggen van een hoge spanning bewegen de vrije kationen naar de kathode, waarbij de bulkoplossing wordt meegesleept. Dit verklaart de beweging van neutrale componenten en de potentiaal die geassocieerd wordt met dit effect wordt de stromingspotentiaal genoemd [76](#page=76). > **Tip:** De grootte van de EOF wordt beïnvloed door bufferconcentratie, viscositeit en pH [76](#page=76). Een belangrijk voordeel van de EOF is dat alle deeltjes, ongeacht hun lading, in één richting bewegen. In de gebruikelijke situatie (negatief geladen capillairwand) beweegt de EOF naar de kathode [76](#page=76). * **Kationen:** Migreren het snelst omdat de elektroforetische flow en de EOF in dezelfde richting wijzen [76](#page=76). * **Neutrale deeltjes:** Bewegen met de snelheid van de EOF en kunnen onderling niet gescheiden worden [76](#page=76). * **Anionen:** Bereiken de detector als laatsten; ze worden door de elektroforetische flow naar de anode getrokken, maar de EOF voert ze mee naar de kathode (de EOF is groter dan de EF) [76](#page=76). [ ] [77](#page=77). De volgorde van elutie bij CZE is doorgaans: kationen, neutrale deeltjes, anionen. Deze methode kan organische verbindingen, anorganische ionen en peptiden scheiden [77](#page=77). #### 4.2.2 Micellaire elektrokinetische capillaire chromatografie (MEKC) MEKC combineert capillaire elektroforese met de vorming van micellen. Micellen zijn sferische aggregaten van tensioactieve stoffen (bv. Na-dodecylsulfaat) met een geladen buitenkant en een hydrofoob interieur. Hun beweging is het resultaat van de som van elektroforetische en elektro-osmotische effecten [77](#page=77). Neutrale moleculen kunnen interageren met het hydrofobe deel van de micellen. De verdeling van deze moleculen tussen de micel en de omringende vloeistof, bepaald door de interactiesterkte, leidt tot scheiding. De micellen fungeren als een stationaire fase, waarbij de interactiesterkte de elutievolgorde bepaalt, met als belangrijk verschil dat de micellen zelf bewegen [77](#page=77). > **Example:** Scheiding van opgeloste stoffen via MEKC: stoffen verdelen zich tussen de micel en de oplossing. Niet elke stof interacteert even sterk met de micellen, wat resulteert in een scheiding [78](#page=78). #### 4.2.3 Capillaire elektrochromatografie (CEC) CEC is een hybride techniek tussen HPLC en CE. Een RP-stationaire fase wordt gepakt in een fused silica capillair (50-200 µm interne diameter) met kleine deeltjes (1-5 µm). Het elektrische veld drijft de mobiele fase door de stationaire fase, waardoor een hoge druk pomp niet nodig is [78](#page=78). #### 4.2.4 Capillaire gel-elektroforese Deze techniek wordt uitgevoerd in met gel gevulde capillairen en is typisch voor de scheiding van DNA-fragmenten (van minder dan 100 tot meer dan 2000 baseparen). De scheiding is gebaseerd op de grootte van de ionen, vergelijkbaar met klassieke gelelektroforese, waarbij de gel fungeert als moleculaire zeef. Het kan gebruikt worden voor het scheiden van ionische componenten met verschillende grootte maar vergelijkbare lading (of lading/grootte verhouding), zoals DNA-fragmenten en SDS-proteïnen. Het is een geminiaturiseerde vorm van klassieke gelelektroforese [78](#page=78). #### 4.2.5 Capillaire isoelektrische focussering (IEF) Capillaire IEF wordt gebruikt om peptiden en proteïnen te scheiden op basis van hun iso-elektrisch punt ($pI$). Zie ook klinische chemie [78](#page=78). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Analyten | Componenten in een monster die onderzocht worden tijdens een chemische analyse. Ze zijn het specifieke doelwit van de analyse. | | Kwalitatieve analyse | Bepaalt welke componenten (elementen of moleculen) aanwezig zijn in een materiaal, zonder hun exacte hoeveelheid vast te stellen. | | Kwantitatieve analyse | Bepaalt de exacte concentratie of hoeveelheid van de aanwezige componenten in een materiaal. | | Klassieke analytische methoden | Traditionele chemische analysetechnieken die vaak gebruik maken van neerslagvorming, extractie, titratie of gravimetrie, ook wel 'natte chemie' genoemd. | | Instrumentele analytische methoden | Analysetechnieken die gebruik maken van gespecialiseerde instrumenten om fysische eigenschappen van componenten te meten, zoals absorptie van licht of massa/ladingverhouding. | | Bemonstering | Het proces van het afzonderen van een representatieve fractie van het te onderzoeken materiaal om een betrouwbare analyse te garanderen. | | Voorbereiding van staal | Omvat stappen zoals homogeniseren van het monster en het verwijderen van interfererende materialen voorafgaand aan de analyse. | | Opzuiveringen (separaties) | Processen waarbij het te meten bestanddeel wordt gescheiden van andere stoffen die de meting kunnen beïnvloeden. | | Juistheid (Bias) | De mate van overeenstemming tussen het gemiddelde van de metingen en de werkelijke waarde van de te bepalen component. Een systematische fout veroorzaakt bias. | | Precisie | De mate van spreiding in meetresultaten verkregen door herhaalde metingen onder gelijke omstandigheden. Het beschrijft de reproduceerbaarheid van de metingen. | | Herhaalbaarheid | Precisie gemeten onder strikt identieke omstandigheden, zoals door dezelfde analist met dezelfde apparatuur binnen een korte tijd. | | Reproduceerbaarheid | Precisie gemeten onder variabele condities, zoals op verschillende dagen, met verschillende reagentia of door verschillende laboratoria. | | Standaarddeviatie (SD) | Een statistische maat die de spreiding van individuele meetwaarden rond het gemiddelde aangeeft. Een lagere SD duidt op hogere precisie. | | Relatieve standaarddeviatie (RSD) | De standaarddeviatie uitgedrukt als een percentage van het gemiddelde. Dit geeft een betere indicatie van de precisie in verhouding tot de gemeten waarde. | | Gevoeligheid | De mate waarin een methode in staat is om kleine veranderingen in de concentratie van een analyt betrouwbaar te meten. Het is gerelateerd aan de helling van de ijklijn. | | Detectielimiet (LOD) | De kleinst mogelijke concentratie van een analyt die met een bepaalde methode nog betrouwbaar kan worden aangetoond, onderscheiden van de achtergrondruis. | | Kwantificatielimiet (LOQ) | De laagste concentratie van een analyt waarbij de concentratie op een betrouwbare en kwantitatieve manier kan worden bepaald. | | Selectiviteit (Specificiteit) | De mate waarin een methode een specifiek analyt kan bepalen zonder interferentie van andere vergelijkbare componenten in het monster. | | Robuustheid | De ongevoeligheid van een methode voor kleine, onbedoelde variaties in de analyseomstandigheden, zoals temperatuur of pH. | | Kalibratiemethode | Een procedure om het verband tussen het analytische signaal en de concentratie van een analyt vast te stellen, meestal met behulp van standaarden. | | Externe standaardmethode | Een kalibratiemethode waarbij standaarden met bekende concentraties afzonderlijk worden gemeten om een ijklijn op te stellen, waarna de concentratie van onbekende monsters wordt bepaald. | | Standaardadditiemethode | Een kalibratiemethode waarbij bekende hoeveelheden analyt worden toegevoegd aan het monster zelf om matrix-effecten te compenseren en de concentratie te bepalen. | | Interne standaardmethode | Een kalibratiemethode waarbij een stof met vergelijkbare chemische eigenschappen als het analyt wordt toegevoegd aan zowel standaarden als monsters om variaties in de analyse te corrigeren. | | Molaire concentratie (c) | De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als het aantal mol per liter oplossing ($n/V$). | | Massaconcentratie (mc) | De hoeveelheid opgeloste stof uitgedrukt als het aantal gram per liter oplossing ($m/V$). | | Fractionele concentraties | Geeft de fractie van de opgeloste stof in het gehele mengsel weer, uitgedrukt in percentages (%), promille (‰), parts per million (ppm) of parts per billion (ppb). | | Chromatografie | Een verzameling scheidingstechnieken gebaseerd op de verdeling van componenten tussen een stationaire en een mobiele fase. | | Mobiele fase | De fase (vloeistof of gas) die door het chromatografische systeem stroomt en de componenten van het monster meevoert. | | Stationaire fase | De vaste of vloeibare fase die niet beweegt en waarlangs de mobiele fase stroomt, waar interacties plaatsvinden die tot scheiding leiden. | | Elutie | Het proces waarbij componenten van de stationaire fase worden gewassen door de mobiele fase. | | Retentietijd (tr) | De tijd die een component nodig heeft om de kolom te doorlopen en te elueren, gemeten vanaf het moment van injectie. | | Chromatogram | Een grafische weergave van de scheiding, die het detectorsignaal uitzet tegen de tijd, waarbij pieken de gescheiden componenten representeren. | | Dunnelaagchromatografie (TLC) | Een chromatografische techniek waarbij een dunne laag van een adsorberende stof op een plaat wordt gebruikt als stationaire fase. | | Gaschromatografie (GC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een gas is en de stationaire fase een vloeistof of vaste stof, gebruikt voor vluchtige verbindingen. | | Vloeistofchromatografie (LC) | Een chromatografische techniek waarbij de mobiele fase een vloeistof is, gebruikt voor minder vluchtige of thermisch instabiele verbindingen. | | HPLC (High Performance Liquid Chromatography) | Een geavanceerde vorm van vloeistofchromatografie die hoge druk gebruikt voor snelle en efficiënte scheidingen. | | Verdelingscoëfficiënt (KD) | Een evenwichtsconstante die de verdeling van een stof tussen de stationaire en mobiele fase beschrijft. | | Resolutie | Een maat voor de kwaliteit van de scheiding tussen twee pieken in een chromatogram, gebaseerd op piekbreedte en verschil in retentietijd. | | Retentiefactor (k) | Een dimensieloze parameter die de retentie van een analyt op de kolom aangeeft, onafhankelijk van de kolomlengte en flow rate. | | Selectiviteit (α) | Een maat voor het verschil in retentie tussen twee componenten, gedefinieerd als de verhouding van hun gecorrigeerde retentietijden. | | Bandverbreding (piekverbreding) | Het fenomeen waarbij de pieken in een chromatogram breder worden tijdens het doorlopen van de kolom, wat de scheidingskwaliteit vermindert. | | Theoretische platen (N) | Een maat voor de efficiëntie van een chromatografische kolom, gerelateerd aan de retentietijd en piekbreedte. Hoe hoger N, hoe efficiënter de kolom. | | Plaathoogte (HETP) | De hoogte van een theoretische plaat, een indicator van de scheidende capaciteit van een kolom; een lagere HETP duidt op een betere kolom. | | Massaspectrometrie (MS) | Een analytische techniek die moleculen ioniseert, scheidt op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z) en detecteert, om massa-spectra te genereren. | | Moleculair ion (M.+) | Het ion dat ontstaat wanneer een molecule een elektron verliest of wint, en de oorspronkelijke molecuulmassa behoudt. | | Basispiek | De piek met de hoogste relatieve intensiteit in een massaspectrum, die vaak wordt genormaliseerd tot 100%. | | Fragmentatie | Het proces waarbij geïoniseerde moleculen dissociëren in kleinere, geladen fragmenten, wat kenmerkend is voor een molecuul. | | Elektron Impact (EI) | Een ionisatiemethode waarbij moleculen worden gebombardeerd met hoogenergetische elektronen, wat leidt tot ionisatie en fragmentatie. | | Chemische ionisatie (CI) | Een 'zachtere' ionisatiemethode dan EI, waarbij analyten reageren met secundaire ionen van een reactiegas, wat minder fragmentatie oplevert. | | Atmospheric Pressure Chemical Ionisation (APCI) | Een ionisatietechniek die bij atmosferische druk werkt en vergelijkbaar is met CI, maar hogere ionisatie-efficiëntie biedt voor vluchtige analyten. | | Electrospray Ionisation (ESI) | Een zeer zachte ionisatietechniek bij atmosferische druk, geschikt voor polaire moleculen en biomoleculen, waarbij ionen in de vloeibare fase worden gevormd en vervolgens in de gasfase worden gemeten. | | Massa-analysator | Het onderdeel van de massaspectrometer dat ionen scheidt op basis van hun massa-ladingverhouding (m/z). | | Kwadrupool massa-analysator | Een type massa-analysator dat gebruik maakt van variërende elektrische velden om ionen te selecteren op basis van hun m/z-waarde. | | Ionenvangst analysator (Ion trap) | Een compacte massa-analysator die ionen opslaat en selectief uitstoot op basis van hun massa. | | Time of Flight (TOF) analysator | Een massa-analysator die de tijd meet die ionen nodig hebben om een gedefinieerde afstand af te leggen onder invloed van een elektrisch veld, wat gecorreleerd is met hun m/z. | | Elektroforese | Een scheidingsmethode die gebruik maakt van de beweging van geladen deeltjes (ionen) in een elektrisch veld. | | Elektroforetische mobiliteit (µEF) | Een maat voor de snelheid waarmee een ion beweegt in een elektrisch veld, afhankelijk van lading, grootte en de viscositeit van het medium. | | Iso-elektrisch punt (pI) | De pH-waarde waarbij een amfoliet (molecuul met zowel zure als basische groepen) netto elektrisch neutraal is en niet migreert in een elektrisch veld. | | Capillaire elektroforese (CE) | Een elektroforetische techniek uitgevoerd in dunne capillairen, die snelle en efficiënte scheidingen mogelijk maakt. | | Elektro-osmotische flow (EOF) | De stroming van de bufferoplossing in een capillair onder invloed van een elektrisch veld, veroorzaakt door de lading op de wand van de capillair. | | Micellaire elektrokinetische capillaire chromatografie (MEKC) | Een techniek die capillaire elektroforese combineert met micelvorming, waarbij neutrale moleculen zich verdelen tussen de micellen en de vloeistof voor scheiding. | | Capillaire elektrochromatografie (CEC) | Een hybride techniek die elementen van HPLC en CE combineert, waarbij de mobiele fase door een stationaire fase in een capillair wordt gestuwd door een elektrisch veld. |

# Grundtypen der chemischen Bindung und ihre Entstehung Dieses Thema befasst sich mit den fundamentalen Arten chemischer Bindungen und den treibenden Kräften hinter ihrer Entstehung. ## 1. Grundtypen der chemischen Bindung Chemische Bindungen sind Kräfte, die Atome in Molekülen und anderen chemischen Spezies zusammenhalten. Sie entstehen durch die Interaktion der Valenzelektronen der beteiligten Atome, wobei die Atome bestrebt sind, eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen, typischerweise die der Edelgase (Edelgaskonfiguration) [2](#page=2) [3](#page=3). Es lassen sich drei Haupttypen chemischer Bindungen unterscheiden: * **Ionenbindung:** Entsteht zwischen Elementen mit großer Elektronegativitätsdifferenz, typischerweise zwischen Metallen (geringe Elektronegativität) und Nichtmetallen (hohe Elektronegativität) [3](#page=3). * **Kovalente Bindung (Atombindung):** Bildet sich durch die gemeinsame Nutzung von Elektronenpaaren zwischen Atomen, meist zwischen Nichtmetallen [4](#page=4). * **Metallische Bindung:** Tritt bei Metallen auf und zeichnet sich durch ein "Elektronengas" aus, das die positiv geladenen Metallionen zusammenhält [4](#page=4). ### 1.1 Die Entstehung chemischer Bindungen Die treibende Kraft für die Bildung chemischer Bindungen ist die Tendenz von Atomen, die stabile Elektronenkonfiguration der Edelgase zu erreichen. Dies kann auf verschiedene Weisen geschehen [3](#page=3): * **Elektronenübertragung (Ionenbildung):** Ein Atom mit wenigen Valenzelektronen (geringe Elektronegativität) gibt diese an ein Atom mit vielen Valenzelektronen (hohe Elektronegativität) ab. Es bilden sich positiv und negativ geladene Ionen, die sich elektrostatisch anziehen [3](#page=3). * Beispiel: Magnesium (Mg) gibt zwei Valenzelektronen an Sauerstoff (O) ab, wodurch sich $Mg^{2+}$ und $O^{2-}$ bilden, die zu $MgO$ (Magnesiumoxid) kristallisieren [3](#page=3). * **Elektronenpaarbildung (kovalente Bindung):** Atome, die beide eine hohe Elektronegativität aufweisen, teilen sich Elektronenpaare, um die Edelgaskonfiguration zu erreichen. Dies führt zur Bildung von Molekülen [4](#page=4). * Beispiele: Wasserstoff (H) bildet mit sich selbst H-H, und Wasserstoff (H) bildet mit Chlor (Cl) H-Cl [4](#page=4). * **Elektronengas (metallische Bindung):** Wenn beide Elemente eine geringe Elektronegativität aufweisen, ist eine Edelgaskonfiguration durch Übertragung oder Teilung von Elektronen nicht leicht erreichbar. Stattdessen bilden die Metallatome eine Struktur aus positiven Metallionen ($M^{n+}$), die von einem gemeinsamen, delokalisierten Elektronengas zusammengehalten werden. Diese Bindung ist charakteristisch für den festen und flüssigen Zustand von Metallen und erklärt deren elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie den metallischen Glanz [4](#page=4). ### 1.2 Die Ionenbindung Die Ionenbindung beruht auf ungerichteten elektrostatischen Anziehungskräften (Coulomb-Kräften) zwischen Kationen und Anionen. Diese Anziehung führt zur Bildung von Ionenkristallen, in denen die Ionen in einem regelmäßigen Gitter angeordnet sind. Die Treibkraft für die Bildung eines Ionenkristalls ist die hohe Gitterenergie, die bei der Ausbildung des Gitters freigesetzt wird [3](#page=3) [5](#page=5). #### 1.2.1 Entstehung und Eigenschaften der Ionenbindung Die Bildung einer ionischen Verbindung, wie zum Beispiel Kaliumchlorid (KCl), ist oft ein stark exothermer Prozess. Kalium (K), ein Metall, gibt ein Elektron ab und wird zum $K^+$ Ion, während Chlor (Cl$_2$), ein Nichtmetall, Elektronen aufnimmt und zu Chloridionen ($Cl^-$) wird. Die Anziehung zwischen $K^+$ und $Cl^-$ führt zur Bildung des Salzes KCl [6](#page=6). Der Abstand zwischen den Ionen in einem Ionenkristall ist ein Kompromiss zwischen der maximalen Coulomb-Anziehung und der Abstoßung der Elektronenhüllen bei sehr kleinen Abständen. Die Anziehungskraft ($F$) zwischen zwei geladenen Teilchen der Ladungen $q_+$ und $q_-$ ist proportional zum Produkt der Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands ($r$) zwischen ihnen [7](#page=7): $$F = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} \frac{q_+ q_-}{r^2}$$ wobei $\epsilon_0$ die elektrische Feldkonstante ist [7](#page=7). > **Tip:** Die Stärke der elektrostatischen Anziehung hängt von den Ladungen der Ionen und ihrem Abstand ab. Größere Ladungen und kleinere Abstände führen zu stärkeren Anziehungskräften und höherer Gitterenergie. #### 1.2.2 Radienquotient und Koordinationszahl Das Verhältnis der Radien von Kation ($r_K$) und Anion ($r_A$), der sogenannte Radienquotient ($r_K / r_A$), beeinflusst die Packungsdichte und die Koordinationszahlen im Ionenkristall. Der Radienquotient bestimmt, wie dicht die Kationen und Anionen zusammenrücken können, um die Wechselwirkungen zu maximieren und die Gesamtenergie zu minimieren [8](#page=8). * Bei einem Radienquotienten $> 0.414$ sind attraktive Kation-Anion-Kontakte möglich [8](#page=8). * Bei einem Radienquotienten $= 0.414$ berühren sich alle Ionen gegenseitig [8](#page=8). * Bei einem Radienquotienten $< 0.414$ dominieren Abstoßungskräfte zwischen den Anionen [8](#page=8). Die Koordinationszahl (KZ) gibt an, wie viele Nachbarionen ein zentrales Ion umgeben. Für die Natriumchlorid-Struktur (Steinsalz) ist dies bei einem Radienquotienten von 0.414 bis 0.73 typischerweise 6, was einer oktaedrischen Geometrie entspricht [10](#page=10) [11](#page=11). #### 1.2.3 Born-Haber-Kreisprozess Der Born-Haber-Kreisprozess ist eine Methode zur Berechnung der Gitterenergie eines Ionenkristalls. Er basiert auf dem Energieerhaltungssatz und summiert die Energien verschiedener Schritte, die zur Bildung des Salzes aus seinen Elementen führen [9](#page=9). Die Schritte umfassen: 1. Sublimationsenthalpie des Metalls. 2. Dissoziationsenergie des Nichtmetalls. 3. Ionisierungsenergie des Metalls. 4. Elektronenaffinität des Nichtmetalls. 5. Die gesuchte Gitterenergie (die Energie, die bei der Bildung des kristallinen Ionengitters aus gasförmigen Ionen freigesetzt wird). Diese Schritte bilden einen geschlossenen Kreislauf, der die Bildung des Salzes aus den Elementen beschreibt [9](#page=9). #### 1.2.4 Anionen in der Ionenbindung Einfache Anionen, die häufig in Ionverbindungen vorkommen, sind typischerweise einatomig und erhalten die Endung "-id". Beispiele hierfür sind Fluorid ($F^-$), Chlorid ($Cl^-$), Oxid ($O^{2-}$), Sulfid ($S^{2-}$), Nitrid ($N^{3-}$) und Carbid ($C^{4-}$). Es gibt auch mehratomige Anionen, die als Oxoanionen bezeichnet werden und oft die Endungen "-at" oder "-it" tragen, wie Carbonat ($CO_3^{2-}$), Nitrat ($NO_3^-$), Sulfat ($SO_4^{2-}$), Phosphat ($PO_4^{3-}$), Permanganat ($MnO_4^-$) und Chromat ($CrO_4^{2-}$) [12](#page=12) [14](#page=14). #### 1.2.5 Elektronenstrichformeln (Lewis-Formeln) Elektronenstrichformeln, auch Lewis-Formeln genannt, stellen die Valenzelektronen von Atomen und Molekülen dar. Sie zeigen nur die Valenzelektronen, die an der Bindung beteiligt sind oder als freie Elektronenpaare vorliegen [13](#page=13). * Ein Chloratom im Grundzustand hat die Elektronenkonfiguration $[Ne 3s^2 3p^5$ und somit 7 Valenzelektronen [13](#page=13). * Ein Chlorid-Anion ($Cl^-$) hat durch Aufnahme eines Elektrons die Edelgaskonfiguration erreicht und wird als $[Cl]^-$ mit acht Valenzelektronen dargestellt [13](#page=13). Die Lewis-Formel für Chlorid ist $\begin{bmatrix} \text{:}\stackrel{\bullet\bullet}{\text{Cl}}\text{:}\end{bmatrix}^-$, wobei die Punkte Valenzelektronen darstellen [13](#page=13). ### 1.3 Die kovalente Bindung Die kovalente Bindung, auch Atombindung genannt, entsteht durch die Überlappung von Atomorbitalen, die einfach besetzt sind. Diese Überlappung führt zur Bildung von Molekülorbitalen, in denen die Elektronenpaare zwischen den Kernen lokalisiert sind. Die kovalente Bindung ist gerichtet und bestimmt somit die Molekülstruktur [15](#page=15) [16](#page=16). #### 1.3.1 Entstehung und Eigenschaften der kovalenten Bindung Bei der Bildung einer kovalenten Bindung "überlappen" die Orbitale der Valenzelektronen der beteiligten Atome. Diese Überlappung findet vorzugsweise zwischen den Kernen statt, was zu einer starken Anziehung führt [16](#page=16). * Im Wasserstoffmolekül ($H_2$) überlappen die 1s-Orbitale zweier Wasserstoffatome. Dies führt zur Bildung von zwei Molekülorbitalen: einem bindenden Molekülorbital (niedrigere Energie) und einem antibindenden Molekülorbital (höhere Energie). Die Elektronen besetzen das bindende Molekülorbital, was zur Stabilisierung des Moleküls führt [17](#page=17). Die kovalente Bindung ist deutlich stärker als intermolekulare Wechselwirkungen wie Van-der-Waals-Kräfte, was sich in den unterschiedlichen Energie-Abstands-Kurven zeigt [18](#page=18). #### 1.3.2 Bindungsstärke und Dissoziation Die Stärke einer kovalenten Bindung wird durch die Bindungsenergie charakterisiert. Die H-H-Bindung im Wasserstoffmolekül ist sehr stark und hat eine Dissoziationsenergie von etwa 436 kJ/mol [19](#page=19). * **Homolytische Dissoziation:** H$_2$ $\rightarrow$ 2 H$\cdot$ (Radikale) [19](#page=19). * **Heterolytische Dissoziation:** H$_2$ $\rightarrow$ H$^+$ + H$^-$ (Ionen). Die heterolytische Dissoziation erfordert eine wesentlich höhere Energie (ca. 1675 kJ/mol) [19](#page=19). > **Tip:** Die Dissoziation von Molekülen in Atome (homolytisch) oder Ionen (heterolytisch) ist temperaturabhängig. Bei hohen Temperaturen nimmt der Dissoziationsgrad zu [19](#page=19). #### 1.3.3 Oktettregel und Lewis-Formeln Die Oktettregel besagt, dass Atome bestrebt sind, acht Valenzelektronen zu besitzen, um die stabile Elektronenkonfiguration der Edelgase zu erreichen. Lewis-Formeln helfen bei der Darstellung dieser Konfigurationen [20](#page=20). * Sauerstoff ($O$) hat 6 Valenzelektronen und benötigt 2 weitere für ein Oktett [20](#page=20). * Stickstoff ($N$) hat 5 Valenzelektronen und benötigt 3 weitere [20](#page=20). * Chlor ($F$) hat 7 Valenzelektronen und benötigt 1 weitere [20](#page=20). Die Anzahl der Bindungen, die ein Atom eingehen kann, hängt von seinen Valenzelektronen ab: * Wasserstoff und Fluor bilden typischerweise Einfachbindungen [21](#page=21). * Sauerstoff bildet meist Doppelbindungen [21](#page=21). * Stickstoff bildet oft Dreifachbindungen oder ist dreibindig [21](#page=21). * Kohlenstoff ist typischerweise vierbindig [21](#page=21). > **Beispiel:** > * Methan ($CH_4$): Kohlenstoff bildet vier Einfachbindungen zu Wasserstoffatomen [21](#page=21). > * Ammoniak ($NH_3$): Stickstoff bildet drei Einfachbindungen zu Wasserstoffatomen und besitzt ein freies Elektronenpaar [21](#page=21). > * Kohlenstoffdioxid ($CO_2$): Kohlenstoff bildet zwei Doppelbindungen zu Sauerstoffatomen [21](#page=21). #### 1.3.4 Regeln zum Aufstellen von Lewis-Formeln Beim Aufstellen von Lewis-Formeln sind mehrere Regeln zu beachten [22](#page=22): 1. Bestimmen der zentralen Atome (oft das am wenigsten elektronegative oder zuerst genannte Element). 2. Zählen aller Valenzelektronen der beteiligten Atome. Bei Anionen werden Elektronen addiert, bei Kationen subtrahiert. 3. Verteilen von Elektronenpaaren zur Bildung von Einfachbindungen zwischen den Atomen. 4. Vervollständigen des Oktetts der äußeren Atome (außer H, das ein Dublett benötigt). 5. Verbleibende Elektronen werden dem Zentralatom zugeordnet. Bei Bedarf können Mehrfachbindungen gebildet werden, um das Oktett des Zentralatoms zu vervollständigen. 6. Elemente höherer Perioden können die Oktettregel erweitern (Oktettaufweitung) [23](#page=23). #### 1.3.5 Mesomerie und Radikale Mesomerie (Resonanz) tritt auf, wenn eine Lewis-Formel die tatsächliche Elektronenverteilung nicht vollständig beschreiben kann. Es werden dann mehrere mesomere Grenzstrukturen gezeichnet, die zusammen die tatsächliche Struktur repräsentieren [24](#page=24). * **Radikale** sind Spezies mit ungepaarten Elektronen, was sie sehr reaktiv macht [13](#page=13) [24](#page=24). #### 1.3.6 Hybridisierung und Molekülgeometrie Die Hybridisierung von Atomorbitalen ist ein Konzept, das die beobachteten Bindungswinkel und Molekülgeometrien erklärt, insbesondere bei Kohlenstoff [25](#page=25). * **sp³-Hybridisierung:** Ein s-Orbital und drei p-Orbitale mischen sich zu vier äquivalenten sp³-Hybridorbitalen. Dies führt zu einer tetraedrischen Geometrie mit Bindungswinkeln von ca. 109.5°, wie in Methan ($CH_4$). Freie Elektronenpaare beanspruchen mehr Raum und können Bindungswinkel verringern [25](#page=25) [27](#page=27). * **sp²-Hybridisierung:** Ein s-Orbital und zwei p-Orbitale mischen sich zu drei äquivalenten sp²-Hybridorbitalen, wobei ein p-Orbital unhybridisiert bleibt. Dies führt zu einer trigonale planaren Geometrie mit Bindungswinkeln von ca. 120°. Das unhybridisierte p-Orbital ist senkrecht zur Ebene und ermöglicht die Bildung von pi-Bindungen [26](#page=26) [30](#page=30). * **sp-Hybridisierung:** Ein s-Orbital und ein p-Orbital mischen sich zu zwei sp-Hybridorbitalen, wobei zwei p-Orbitale unhybridisiert bleiben. Dies führt zu einer linearen Geometrie mit Bindungswinkeln von 180°. Die zwei unhybridisierten p-Orbitale ermöglichen die Bildung von zwei pi-Bindungen [26](#page=26). Das **VSEPR-Modell** (Valence Shell Electron Pair Repulsion) erklärt die Molekülgeometrie durch die Abstoßung von Valenzelektronenpaaren, die versuchen, maximalen Abstand zueinander einzunehmen [28](#page=28). > **Tip:** Mehrfachbindungen (Doppel- und Dreifachbindungen) beanspruchen mehr Raum als Einfachbindungen und beeinflussen die Molekülgeometrie [28](#page=28). #### 1.3.7 s- und $\pi$-Bindungen Kovalente Bindungen können in $\sigma$- (Sigma) und $\pi$- (Pi) Bindungen unterteilt werden [32](#page=32). * **$\sigma$-Bindungen:** Die Elektronendichteverteilung ist rotationssymmetrisch um die Kernverbindungsachse. Sie entstehen durch die Überlappung von s-s, s-p oder p-p Orbitalen [32](#page=32). * **$\pi$-Bindungen:** Die Elektronendichteverteilung liegt oberhalb und unterhalb einer Knotenebene. Sie entstehen durch die Seitenflächen-Überlappung von p-p oder p-d Orbitalen [32](#page=32). Mehrfachbindungen bestehen immer aus einer $\sigma$-Bindung und zusätzlich einer oder zwei $\pi$-Bindungen. Beispielsweise besteht eine Doppelbindung (z.B. O=O) aus einer $\sigma$- und einer $\pi$-Bindung, während eine Dreifachbindung (z.B. N$\equiv$N) aus einer $\sigma$- und zwei $\pi$-Bindungen besteht [32](#page=32). > **Doppelbindungsregel:** Elemente der 2. Periode bilden erheblich stabilere Mehrfachbindungen als Elemente höherer Perioden [29](#page=29). ### 1.4 Die Metallische Bindung Die metallische Bindung kennzeichnet Metalle und entsteht, wenn Atome mit niedriger Elektronegativität miteinander verbunden sind. Sie bildet eine Struktur aus positiv geladenen Metallionen ($M^{n+}$), die von einem delokalisierten "Elektronengas" umgeben sind. Dieses Elektronengas ermöglicht die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit von Metallen sowie ihren charakteristischen Glanz. Die metallische Bindung ist nur im festen und flüssigen Zustand vorhanden [4](#page=4). #### 1.4.1 Isoelektronische Verbindungen Isoelektronische Verbindungen sind Spezies, die die gleiche Anzahl von Valenzelektronen und oft auch eine ähnliche Anordnung der Atome aufweisen [31](#page=31). > **Beispiel:** $N_2$, $CO$, $NO^+$, $CN^-$ sind isoelektronisch, da sie jeweils 10 Valenzelektronen besitzen. Solche Verbindungen können bei unvollständiger Verbrennung von Kohlenstoff entstehen, wenn $CO$ statt $CO_2$ gebildet wird [31](#page=31). ### 1.5 Formelsprache der Chemie Die Chemie verwendet verschiedene Arten von Formeln zur Darstellung von Verbindungen [33](#page=33): * **Summenformel:** Gibt die Anzahl und Art der Atome in einem Molekül an (z.B. $HNO_3$). * **Strukturformel:** Zeigt die Konnektivität der Atome, d.h. welche Atome miteinander verbunden sind. * **Konstitutionsformel:** Eine detailliertere Strukturformel, die die Reihenfolge der Bindungen angibt. * **Stereoformel:** Zeigt die räumliche Anordnung der Atome. Konstitutionsisomere sind Verbindungen mit derselben Summenformel, aber unterschiedlicher Konnektivität, während Stereoisomere dieselbe Konnektivität, aber unterschiedliche räumliche Anordnungen aufweisen [33](#page=33). --- # Intermolekulare Wechselwirkungen und Bindungscharakter Dieses Thema behandelt die verschiedenen Arten von Kräften, die zwischen Molekülen wirken, sowie die Übergänge zwischen verschiedenen Bindungsformen. ### 2.1 Zwischenmolekulare Wechselwirkungen Zwischenmolekulare Wechselwirkungen sind Kräfte, die zwischen einzelnen Molekülen wirken und für die physikalischen Eigenschaften von Stoffen wie Siedepunkt und Löslichkeit verantwortlich sind. Sie sind deutlich schwächer als kovalente oder ionische Bindungen. Man unterscheidet verschiedene Arten von zwischenmolekularen Wechselwirkungen [34](#page=34) [35](#page=35): #### 2.1.1 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen treten zwischen polaren Molekülen auf, die ein permanentes Dipolmoment besitzen. Diese Moleküle haben eine ungleiche Ladungsverteilung, wobei ein Teil des Moleküls eine positive Partialladung ($\delta+$) und ein anderer Teil eine negative Partialladung ($\delta-$) aufweist. Die positiven Enden von Molekülen ziehen die negativen Enden benachbarter Moleküle an und umgekehrt [35](#page=35) [40](#page=40). * **Bindungspolarität und Elektronegativität:** Die Polarität einer kovalenten Bindung ergibt sich aus der unterschiedlichen Elektronegativität der beteiligten Atome. Elektronegativität ist das Maß für die Fähigkeit eines Atoms, Elektronen in einem Molekül an sich zu ziehen. Je größer die Differenz der Elektronegativitäten zwischen zwei Atomen ist, desto polarer ist die Bindung [38](#page=38). * Beispiele für Elektronegativitätswerte nach Pauling: H (2.2), F (4.0), C (2.5), Si (1.9), Li (1.0) [38](#page=38). * Bei stark polaren Bindungen kann es zu einem hohen Ionencharakter kommen [36](#page=36). * **Dipolmoment ($\mu$):** Das Dipolmoment ist ein Maß für die Stärke des Dipols in einem Molekül. Es wird berechnet als Produkt aus der Ladungsgröße ($q$) und dem Abstand ($r$) zwischen den Ladungsschwerpunkten [40](#page=40): $$ \mu = q \cdot r $$ [40](#page=40). Für die Berechnung des Dipolmoments eines Ions in einem Abstand $r$ gilt: $$ \mu = e \cdot r $$ [40](#page=40). wobei $e$ die Elementarladung ($1.602 \times 10^{-19}$ C) ist. Die übliche Einheit für das Dipolmoment ist Debye (D), wobei $1.0 \text{ D} = 3.336 \times 10^{-30}$ C m ist [40](#page=40). Für polare Moleküle wie HCl ergibt sich ein gemessenes Dipolmoment, das auf einen gewissen Ionencharakter der Bindung hinweist. Beispielsweise beträgt das Dipolmoment von HCl $3.34 \times 10^{-30}$ Cm, was bei einem berechneten Wert für volle Ladungstrennung von $20.4 \times 10^{-30}$ Cm einem Ionencharakter von etwa 17% entspricht [40](#page=40). Das Dipolmoment eines Moleküls ist die Vektorsumme der Dipolmomente der einzelnen Bindungen: $$ \mu = \sum_{i} q_i \cdot r_i $$ [40](#page=40). * **Ausrichtung von Dipolen:** In Abwesenheit eines elektrischen Feldes sind die Dipole polarer Moleküle zufällig orientiert. In Anwesenheit eines elektrischen Feldes richten sich die Dipole entlang des Feldes aus [41](#page=41). * **Beispiel:** Der Springbrunnenversuch mit Ammoniak (NH$_3$) und Wasser zeigt eindrucksvoll die starke Anziehungskraft zwischen den polaren Molekülen (Ammoniak wird von Wasser angezogen) [37](#page=37). #### 2.1.2 Wasserstoffbrückenbindungen Wasserstoffbrückenbindungen sind eine spezielle und stärkere Form der Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Sie treten auf, wenn ein Wasserstoffatom an ein stark elektronegatives Atom (wie F, O oder N) gebunden ist und eine Wechselwirkung mit einem weiteren stark elektronegativen Atom eines benachbarten Moleküls eingeht [35](#page=35). * **Bedingungen:** Eine Wasserstoffbrückenbindung erfordert die Anwesenheit eines H-Donors (Molekül mit H an F, O, N) und eines H-Akzeptors (Molekül mit freiem Elektronenpaar an F, O, N) [35](#page=35). * **Stärke:** Wasserstoffbrückenbindungen sind stärker als gewöhnliche Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, aber schwächer als kovalente Bindungen. Sie beeinflussen maßgeblich Eigenschaften wie Siedepunkte und die Löslichkeit von Stoffen (z. B. Wasser) [34](#page=34) [35](#page=35). * **Beispiel:** Die Wechselwirkung zwischen Methanol (CH$_3$OH) und Wasser (H$_2$O) ist ein Beispiel für eine Wasserstoffbrückenbindung [35](#page=35). #### 2.1.3 Van-der-Waals-Kräfte Van-der-Waals-Kräfte sind schwache Anziehungskräfte, die zwischen allen Molekülen auftreten, auch zwischen unpolaren. Sie entstehen durch temporäre oder induzierte Dipole [35](#page=35). * **Dipol-induzierter Dipol:** Ein polares Molekül kann in einem unpolaren Molekül kurzzeitig einen Dipol induzieren. Dies geschieht durch die Verschiebung der Elektronenwolke im unpolaren Molekül aufgrund des elektrischen Feldes des polaren Moleküls [35](#page=35). * **Induzierter Dipol-induzierter Dipol (London-Dispersionskräfte):** Auch in unpolaren Molekülen treten aufgrund der ständigen Bewegung von Elektronen kurzzeitige, zufällige Ladungsungleichgewichte auf, die sogenannte temporäre Dipole erzeugen. Diese temporären Dipole können wiederum Dipole in benachbarten Molekülen induzieren und so zu schwachen Anziehungskräften führen. Die Stärke dieser Kräfte hängt von der Polarisierbarkeit der Moleküle ab [35](#page=35) [42](#page=42). * **Beispiel:** Die unterschiedlichen Siedepunkte von Stoffen mit ähnlicher molarer Masse können durch die Stärke der Van-der-Waals-Kräfte erklärt werden. Ein Stoff mit stärkeren Van-der-Waals-Kräften hat einen höheren Siedepunkt (z.B. $36.1$ °C vs. $9.5$ °C, obwohl die genauen Substanzen nicht spezifiziert sind) [42](#page=42). ### 2.2 Bindungscharakter und Übergänge Die Art der chemischen Bindung zwischen Atomen ist nicht immer eindeutig, sondern kann graduell ineinander übergehen. Man unterscheidet im Wesentlichen drei Haupttypen von Bindungen [36](#page=36): * **Kovalente Bindung:** Elektronen werden zwischen Atomen geteilt (z. B. H$_2$) [36](#page=36). * **Polarisierte kovalente Bindung:** Elektronen werden ungleichmäßig zwischen Atomen geteilt, was zu partiellen Ladungen führt (z. B. HBr) [36](#page=36). * **Ionenbindung:** Elektronen werden vollständig von einem Atom auf ein anderes übertragen, was zur Bildung von Ionen führt (z. B. LiF) [36](#page=36). Es gibt fließende Übergänge zwischen diesen Bindungsformen, abhängig von der Differenz der Elektronegativitäten der beteiligten Atome. Eine stark polarisierte kovalente Bindung kann einen hohen Ionencharakter aufweisen [36](#page=36). > **Tip:** Verstehen Sie, dass die Unterscheidung zwischen kovalenter, polarer kovalenter und ionischer Bindung ein Kontinuum ist. Der Grad der Elektronegativitätsdifferenz ist entscheidend für den Bindungscharakter. > > **Beispiel:** In Verbindungen wie LiH sind die Elektronegativitäten so unterschiedlich, dass eine deutliche Ionencharakteristik auftritt (Li$^+$ H$^-$), obwohl es sich formal um eine kovalente Bindung handeln könnte [39](#page=39). > **Tip:** Achten Sie auf die Unterscheidung zwischen intrazellularen Bindungen (innerhalb eines Moleküls) und intermolekularen Wechselwirkungen (zwischen Molekülen). Letztere sind entscheidend für makroskopische Eigenschaften. --- # Metallische Bindung und der gasförmige Zustand Die metallische Bindung wird durch das Elektronengas-Modell erklärt, während der gasförmige Zustand durch charakteristische Eigenschaften und Gesetze beschrieben wird. ### 3.1 Die metallische Bindung: Das Elektronengas-Modell Die metallische Bindung basiert auf dem Modell eines "Elektronengases", bei dem positiv geladene Metallionen ($M^{n+}$) in einem Gitter angeordnet sind und von einem delokalisierten Elektronengas umgeben werden. Dieses Elektronengas ist für den Zusammenhalt der Metallstruktur verantwortlich [44](#page=44). * **Eigenschaften des Elektronengas-Modells:** * $M^{n+}$-Ionen befinden sich in einer dichten Packung [44](#page=44). * Die Elektronen sind frei beweglich und bilden ein Elektronengas, das etwa 86% des Kristallvolumens ausmachen kann (z.B. bei Magnesium: 14% $Mg^{2+}$-Ionen, 86% Elektronengas) [44](#page=44). * Die Elektronen können die Metallstruktur nur durch Energiezufuhr verlassen, beispielsweise durch Anlegen einer Spannung oder durch Absorption von Photonen ($h\nu$) [44](#page=44). * Die $M^{n+}$-Ionen haben vergleichsweise große Abstände zueinander [44](#page=44). * Legierungsbildung ist möglich, da Fremdatome die Struktur nicht wesentlich stören, solange ihre Größe und Elektronenbeteiligung nicht zu stark abweicht [44](#page=44). * Im Gegensatz zur kovalenten Bindung ist die metallische Bindung ungerichtet [44](#page=44). * Metalle weisen typischerweise eine dichte Packung mit hohen Koordinationszahlen auf [44](#page=44). * **Strukturtypen in Metallen:** Es werden drei einfache Strukturtypen unterschieden [45](#page=45): * **Hexagonal dichte Packung (hdp, hcp):** Schichtenfolge...ABABAB.... Beispiele sind Magnesium (Mg) und Zink (Zn) mit einer Koordinationszahl von 12 [45](#page=45). * **Kubisch dichte Packung (kdp, ccp, fcc):** Schichtenfolge...ABCABC.... Beispiele hierfür sind Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Gold (Au) mit einer Koordinationszahl von 12 [45](#page=45). * **Kubisch innenzentriert (krz, bcc):** Ein Beispiel ist Natrium (Na) und Wolfram (W) mit einer Koordinationszahl von 8 (+6) [45](#page=45). * **Übergänge zwischen Bindungsformen:** Es gibt fließende Übergänge zwischen verschiedenen Bindungsarten, was sich auch in der chemischen Zusammensetzung von Verbindungen widerspiegelt. Ein Übergang von kovalenter zu metallischer Bindung kann beispielsweise über Halbleiter erfolgen [47](#page=47). > **Beispiel:** Die Reihe NaCl $\rightarrow$ $MgCl_2$ $\rightarrow$ $AlCl_3$ $\rightarrow$ $SiCl_4$ $\rightarrow$ $PCl_3$ $\rightarrow$ $SCl_2$ $\rightarrow$ $Cl_2$ zeigt eine Zunahme des kovalenten Charakters. Umgekehrt kann eine Reihe wie $Cl_2$ $\rightarrow$ $S_8$ $\rightarrow$ $P_4$ $\rightarrow$ $Si$ $\rightarrow$ $Al$ $\rightarrow$ $Mg$ $\rightarrow$ $Na$ eine Tendenz zu metallischem Verhalten aufzeigen [47](#page=47). ### 3.2 Der gasförmige Zustand Der gasförmige Zustand ist durch spezifische Charakteristika und Gesetze gekennzeichnet, die das Verhalten von Gasen beschreiben. * **Charakteristika von Gasen:** * Gasmoleküle verteilen sich gleichmäßig im verfügbaren Raum [49](#page=49). * Gase weisen eine geringe Dichte auf [49](#page=49). * Sie sind hochgradig komprimierbar [49](#page=49). * Gase bilden homogene Gemische [49](#page=49). * Die Moleküle befinden sich in ständiger, ungerichteter Bewegung [49](#page=49). * Das Modell geht von unabhängiger Molekülbewegung aus, mit vollkommen elastischen Stößen. Stöße auf die Behälterwand erzeugen Druck [49](#page=49). * **Die stöchiometrischen Gesetze und Gasgesetze:** * **Volumengesetz (Gay-Lussac, 1811):** Dieses Gesetz besagt, dass sich Gase in chemischen Reaktionen in ganzzahligen Volumenverhältnissen umsetzen. Ein klassisches Beispiel ist die Reaktion von zwei Volumenteilen Wasserstoff mit einem Volumenteil Sauerstoff zu Wasser [48](#page=48). * Die empirischen Gasgesetze beinhalten das Boyle-Mariotte-Gesetz (p $\sim$ V$^{-1}$ bei konstanter Temperatur und Stoffmenge) und das Gay-Lussac-Gesetz (V $\sim$ T bei konstantem Druck und Stoffmenge) [50](#page=50). * **Das ideale Gasgesetz:** Die empirischen Gasgesetze führen zum idealen Gasgesetz, das die Beziehung zwischen Druck ($p$), Volumen ($V$), Stoffmenge ($n$) und Temperatur ($T$) beschreibt: $$ p \cdot V = n \cdot R \cdot T $$ Dabei ist $R$ die allgemeine Gaskonstante mit einem Wert von 8,314 J/mol·K [51](#page=51). * **Standardbedingungen:** Unter Standardbedingungen (1013 hPa Druck und 273,15 K Temperatur) nimmt 1 Mol eines beliebigen Gases ein Volumen von 22,4 Litern ein [51](#page=51). * Dieses Volumen enthält 6,022 $\times$ 10$^{23}$ Teilchen (Avogadro-Konstante) [51](#page=51). > **Beispiel:** 22,4 Liter Wasserstoff wiegen 2,0 Gramm, während 22,4 Liter Xenon 131,29 Gramm wiegen [51](#page=51). * **Reale Gase und die Van-der-Waals-Gleichung:** Das ideale Gas ist ein Grenzfall, der bei niedrigem Druck, großem Volumen und hoher Temperatur annähernd erreicht wird, wenn Wechselwirkungen zwischen den Molekülen vernachlässigbar sind. Bei höherem Druck und niedrigerer Temperatur treten Abweichungen vom idealen Verhalten auf, und man spricht von einem realen Gas. Diese Abweichungen resultieren aus zwei Hauptfaktoren [52](#page=52): a) Anziehungskräfte (Kohäsionskräfte) zwischen den Molekülen. b) Das Eigenvolumen der Moleküle, das vom Gesamtvolumen subtrahiert werden muss. Die Van-der-Waals-Gleichung berücksichtigt diese Effekte: $$ \left(p + a \left(\frac{n}{V}\right)^2\right) (V - nb) = nRT $$ Hierbei steht $a$ für die Stärke der Anziehungskräfte und $b$ für das Eigenvolumen der Moleküle [52](#page=52). --- ## Häufige fehler vermeiden - Überprüfen Sie alle Themen gründlich vor Prüfungen - Achten Sie auf Formeln und wichtige Definitionen - Üben Sie mit den in jedem Abschnitt bereitgestellten Beispielen - Memorieren Sie nicht ohne die zugrunde liegenden Konzepte zu verstehen

| Term | Definition | |------|------------| | Ionenbindung | Eine chemische Bindung, die durch elektrostatische Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzt geladenen Ionen entsteht. Sie bildet sich typischerweise zwischen Metallen mit geringer und Nichtmetallen mit hoher Elektronegativität. | | Kovalente Bindung | Eine chemische Bindung, bei der sich Atome Elektronenpaare teilen, um eine stabile Elektronenkonfiguration zu erreichen. Sie entsteht typischerweise zwischen Nichtmetallen. | | Metallische Bindung | Eine Art der chemischen Bindung, die in Metallen vorkommt, wobei Metallionen in einem „Elektronengas“ aus delokalisierten Valenzelektronen eingebettet sind. | | Elektronegativität | Ein Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einem Molekül, die Bindungselektronen an sich zu ziehen. Sie ist entscheidend für die Art der chemischen Bindung. | | Valenzelektronen | Die Elektronen in der äußersten Schale eines Atoms, die an chemischen Bindungen beteiligt sind. | | Edelgaskonfiguration | Eine stabile Elektronenkonfiguration, die der eines Edelgases ähnelt, typischerweise mit acht Valenzelektronen (Oktettregel), was die treibende Kraft für chemische Bindungen darstellt. | | Gitterenergie | Die Energie, die freigesetzt wird, wenn Ionen in der Gasphase sich zu einem Ionenkristall verbinden, oder die Energie, die benötigt wird, um einen Ionenkristall in seine einzelnen Ionen zu zerlegen. | | Coulomb-Kräfte | Die Anziehungs- oder Abstoßungskräfte zwischen elektrisch geladenen Teilchen, die nach dem Coulomb-Gesetz beschrieben werden. | | Radienquotient | Das Verhältnis des Radius eines Kations zu dem eines Anions, das die Struktur und die Koordinationszahl in Ionenkristallen beeinflusst. | | Born-Haber-Kreisprozess | Ein thermodynamischer Zyklus, der verwendet wird, um die Gitterenergie eines Ionenkristalls zu berechnen, indem verschiedene Energieänderungen wie Ionisierungsenergie, Elektronenaffinität und Sublimationsenthalpie einbezogen werden. | | Molekülorbital | Ein Orbital, das sich über mehrere Atome in einem Molekül erstreckt und von den Elektronen aller beteiligten Atome besetzt werden kann. | | Hybridisierung | Ein Konzept in der chemischen Bindungstheorie, bei dem Atomorbitale einer vergleichbaren Energie zu neuen, „hybridisierten“ Orbitalen mit spezifischen geometrischen Eigenschaften gemischt werden, um Bindungen zu bilden. | | VSEPR-Modell | (Valence Shell Electron Pair Repulsion) Ein Modell zur Vorhersage der Molekülgeometrie basierend auf der Abstoßung zwischen Elektronenpaaren in der Valenzschale eines Zentralatoms. | | Mesomerie | Ein Konzept, das die Delokalisierung von Elektronen in bestimmten Molekülen oder polyatomaren Ionen beschreibt, wo die tatsächliche Elektronenstruktur eine Mischung aus mehreren resonanten Grenzstrukturen ist. | | Van-der-Waals-Kräfte | Schwache intermolekulare Kräfte, die aus temporären oder induzierten Dipolen in Molekülen resultieren und für die Anziehung zwischen nichtpolaren Molekülen verantwortlich sind. | | Dipolmoment | Ein Maß für die Polarität eines Moleküls, das aus der ungleichen Verteilung der Ladungen resultiert. Es wird als Produkt aus der Ladung und dem Abstand zwischen den Ladungen berechnet. | | Wasserstoffbrückenbindung | Eine spezielle Art von Wasserstoffbrückenbindung, die auftritt, wenn ein Wasserstoffatom an ein stark elektronegatives Atom (wie O, N oder F) gebunden ist und eine elektrostatische Anziehung zu einem anderen elektronegativen Atom in einem benachbarten Molekül besteht. | | Isoelektronisch | Beschreibt Atome oder Moleküle, die die gleiche Anzahl von Elektronen und die gleiche Elektronenkonfiguration aufweisen. | | Oktettregel | Eine Regel, die besagt, dass Atome dazu neigen, Elektronen zu gewinnen, zu verlieren oder zu teilen, um eine stabile Elektronenkonfiguration mit acht Valenzelektronen zu erreichen. |

# Classificatie van materie: zuivere stoffen en mengsels Dit onderwerp verkent de fundamentele opbouw van materie, waarbij een onderscheid wordt gemaakt tussen zuivere stoffen en de verschillende types mengsels, zoals homogene en heterogene mengsels, inclusief colloïdale mengsels, gebaseerd op de deeltjesgrootte en waarneembaarheid. ### 1.1 Materie, mengsels en zuivere stoffen Materie omvat alles wat volume inneemt en een massa heeft, en kan voorkomen in de aggregatietoestanden vast, vloeibaar of gasvormig. Een specifiek stuk materie wordt een voorwerp of lichaam genoemd, met eigenschappen zoals vorm, massa en volume. Verschillende materialen (stoffen) kunnen worden gebruikt om voorwerpen te maken, elk met unieke stofeigenschappen zoals massadichtheid, oplosbaarheid, smeltpunt en kookpunt. In de chemie ligt de focus op de studie van deze stoffen [1](#page=1). Een zuivere stof bestaat uit slechts één stofsoort of moleculesoort. In tegenstelling hiermee bestaat een mengsel uit meerdere zuivere stoffen of moleculesoorten [1](#page=1). > **Tip:** Stofeigenschappen zijn kenmerkend voor een specifieke stof, ongeacht de hoeveelheid of vorm van het voorwerp dat ervan gemaakt is [1](#page=1). ### 1.2 Soorten mengsels Mengsels worden geclassificeerd op basis van de grootte van de deeltjes van de componenten [2](#page=2): #### 1.2.1 Heterogene mengsels Bij heterogene mengsels zijn de deeltjes waarneembaar met het blote oog of een lichtmicroscoop. De menselijke resolutie van het blote oog ligt rond 0,2 mm. Heterogene mengsels zijn doorgaans ondoorschijnend of verstrooien licht [2](#page=2). Indelingen van heterogene mengsels op basis van aggregatietoestand zijn onder andere: * **Grof mengsel:** vast + vast (bijv. zand, kruidenmengsel) [4](#page=4). * **Suspensie:** vast + vloeistof (bijv. chocolademelk, water met onoplosbaar zout). Suspensies zijn vaak niet stabiel en kunnen ontmengen [4](#page=4). * **Emulsie:** vloeistof + vloeistof (bijv. mayonaise, crèmes). Stabiele emulsies vereisen emulgatoren [4](#page=4). * **Nevel:** fijne vloeistofdruppeltjes in een gas (bijv. spuitbussen) [4](#page=4). * **Schuim:** gasbelletjes in een vloeistof (bijv. slagroom, badschuim) [4](#page=4). * **Rook:** vaste stofdeeltjes verspreid in een gas (bijv. stoflucht, rook) [4](#page=4). #### 1.2.2 Homogene mengsels Bij homogene mengsels zijn de deeltjes niet zichtbaar met het blote oog of enig optisch instrument, met een deeltjesgrootte kleiner dan $10^{-9}$ m. Ze zijn typisch doorzichtig, en licht plant zich er rechtlijnig door voort [2](#page=2). Indelingen van homogene mengsels op basis van aggregatietoestand zijn onder andere: * **Legeringen:** vast + vast (bijv. messing, inox, brons) [3](#page=3). * **Oplossingen:** opgeloste stof (vast, vloeibaar of gas) + oplosmiddel (vloeibaar). Voorbeelden zijn suikerwater (vast in vloeibaar), azijn (vloeibaar in vloeibaar) en spuitwater (gas in vloeibaar). Water is een veelvoorkomend oplosmiddel [3](#page=3). * **Gasmengsels:** gas + gas (bijv. lucht, aardgas) [3](#page=3). > **Tip:** Het begrip 'oplossing' is cruciaal in de chemie, aangezien veel stoffen in opgeloste vorm voorkomen, bewaard worden en reacties vaak in oplossing plaatsvinden. Concentratie-uitdrukkingen, zoals massaconcentratie en molaire concentratie, zijn belangrijk bij het bestuderen van oplossingen [3](#page=3). #### 1.2.3 Colloïdale mengsels Colloïdale mengsels vormen een overgang tussen heterogene en homogene mengsels, met deeltjes met een gemiddelde diameter tussen $10^{-7}$ m en $10^{-9}$ m. De deeltjes, 'colloïden' genoemd, zijn te klein om als heterogeen te worden beschouwd, maar groter dan moleculen of ionen. Deze mengsels bezitten een zekere stabiliteit en zijn doorschijnend tot ondoorzichtig [2](#page=2) [5](#page=5). Een voorbeeld is melk, dat grenst aan colloïdaal en heterogeen mengsel. Soms worden begrippen als 'colloïdale suspensie' en 'colloïdale emulsie' gebruikt [5](#page=5). ### 1.3 Zuivere stoffen, moleculen en atomen Zuivere stoffen kunnen door fysische scheidingstechnieken uit mengsels worden geïsoleerd. Een stof is opgebouwd uit moleculen, de kleinste deeltjes die de chemische identiteit van de stof behouden. Moleculen worden voorgesteld door chemische formules, zoals $H_2O$ [12](#page=12). Zuivere stoffen kunnen verder worden onderverdeeld in: * **Enkelvoudige moleculen:** bestaande uit slechts één atoomsoort (bijv. zuurstofgas, $O_2$) [12](#page=12). * **Samengestelde moleculen:** bestaande uit verschillende atoomsoorten (bijv. water, $H_2O$) [12](#page=12). > **Tip:** De term 'molecule' is strikt genomen van toepassing op stoffen met covalente bindingen; bij ionbindingen en metaalbindingen is het begrip 'molecule' meer theoretisch [12](#page=12). ### 1.4 Stofeigenschappen Elke zuivere stof wordt gekenmerkt door specifieke stofeigenschappen [13](#page=13). * **Fysische stofeigenschappen:** Deze eigenschappen kunnen worden waargenomen of onderzocht zonder de chemische identiteit van de stof te veranderen. Voorbeelden zijn aggregatietoestand, smeltpunt, massadichtheid, oplosbaarheid, kleur, textuur en smaak [13](#page=13). > **Example:** Fysische eigenschappen van glucose zijn: vaste aggregatietoestand bij kamertemperatuur, smeltpunt van 146°C, massadichtheid van 1,54 g/cm³, oplosbaarheid in water van 910 g/l, witte kleur, kristallijne textuur en een zoete smaak [13](#page=13). * **Chemische stofeigenschappen:** Deze eigenschappen veranderen de chemische identiteit van de stof en beschrijven hoe een stof kan omzetten in een andere. Een voorbeeld is oxidatie, waarbij ijzer reageert met zuurstof en water tot ijzerroest. Een ander voorbeeld is de verbranding van methaangas tot koolstofdioxide en water, waarbij energie vrijkomt [13](#page=13). ### 1.5 Oefeningen Enkele voorbeelden om de concepten toe te passen: **Oefening 1: Mengsel of zuivere stof?** [50](#page=50). * Mayonaise: mengsel * Goud: zuivere stof * Leidingwater: mengsel * Inkt: mengsel * Ozon: zuivere stof * Zuurstofgas: zuivere stof * Glas: mengsel * Brons: mengsel **Oefening 2: Homogeen of heterogeen mengsel? Soort mengsel?** [50](#page=50). * Vers fruitsap: heterogeen, suspensie (pulp) / homogeen (gefilterd sap) * Kruidenmengsel: heterogeen, grof mengsel * Vinaigrette: heterogeen, emulsie * Slagroom: heterogeen, schuim (gas in vloeistof) * Messing: homogeen, legering * Tafelazijn: homogeen, oplossing (azijnzuur in water) * Mist: heterogeen, nevel (vloeistof in gas) * Aardgas: homogeen, gasmengsel --- # Scheiden van mengsels en zuivere stoffen De scheiding van mengsels en de ontleding van zuivere stoffen omvatten diverse fysische en chemische processen die essentieel zijn voor zowel dagelijkse toepassingen als industriële productie. ## 2. Scheiden van mengsels en zuivere stoffen Het scheiden van mengsels en de ontleding van zuivere stoffen zijn fundamentele processen in de chemie, waarbij materie wordt opgedeeld in haar componenten of ontleed in eenvoudigere soorten. Deze scheidingen zijn gebaseerd op verschillen in fysische eigenschappen van de bestanddelen en zijn dus fysische processen, geen chemische [6](#page=6). ### 2.1 Scheiden van mengsels Mengsels kunnen worden onderverdeeld in heterogene en homogene mengsels, waarbij voor elk type specifieke scheidingstechnieken worden toegepast. #### 2.1.1 Scheiden van heterogene mengsels Heterogene mengsels, waarbij de bestanddelen zichtbaar gescheiden zijn, kunnen met de volgende technieken worden gescheiden: 1. **Zeven/ziften**: Deze methode is geschikt voor grove mengsels en scheidt vaste stoffen op basis van verschillen in deeltjesgrootte. Voorbeelden hiervan zijn het gebruik van een schuimspaan, een vergiet of een zandzeef [7](#page=7). 2. **Filtreren**: Dit wordt gebruikt om suspensies te scheiden en berust eveneens op verschillen in deeltjesgrootte. Bij filtratie ontstaan een filtraat (de vloeistof die door het filter gaat) en een residu (de vaste stof die achterblijft op het filter). Een voorbeeld is het scheiden van water en zand, of het gebruik van sigarettenfilters [7](#page=7). 3. **Decantatie, centrifugeren en afgieten**: Deze technieken worden toegepast op heterogene mengsels en zijn gebaseerd op verschillen in massadichtheid, waarbij de component met de grootste massadichtheid bezinkt. Centrifugatie kan de ontmenging versnellen. Afgieten is een handmatige scheiding, terwijl een scheitrechter kan worden gebruikt voor een minder nauwkeurige scheiding. Voorbeelden zijn het decanteren van wijn om bezinksel te verwijderen of het scheiden van bloedcellen van bloedplasma na toevoeging van een antistollingsmiddel en centrifugatie [7](#page=7) [8](#page=8). #### 2.1.2 Scheiden van homogene mengsels Homogene mengsels, waarbij de bestanddelen volledig gemengd zijn, vereisen andere scheidingstechnieken: 4. **Kristallisatie**: Deze techniek wordt gebruikt om een vast bestanddeel uit een homogeen vast-vloeibaar mengsel te isoleren wanneer de vloeistof verdampt. De methode steunt op een aanzienlijk verschil in kookpunt tussen de vaste stof en de vloeistof. Een industrieel voorbeeld is de winning van keukenzout uit zeewater [9](#page=9). 5. **Destillatie**: Dit proces scheidt homogene mengsels van vast-vloeistof of vloeistof-vloeistof met als doel beide componenten te isoleren. Het principe is gebaseerd op een verschil in kookpunt. De oplossing wordt verwarmd, de damp (rijk aan de meest vluchtige component) wordt opgevangen en afgekoeld om te condenseren. Dit proces kan herhaald worden om de meest vluchtige component in zuivere vorm te verkrijgen. Toepassingen zijn de raffinage van aardolie in destillatietorens en de productie van sterke dranken [9](#page=9). #### 2.1.3 Scheiden van homogene en heterogene mengsels Sommige technieken kunnen zowel bij homogene als heterogene mengsels worden toegepast: 6. **Extractie**: Deze techniek maakt gebruik van een verschil in oplosbaarheid van de mengselcomponenten in een extractiemiddel. Het extractiemiddel lost specifieke bestanddelen van het mengsel op. Voorbeelden zijn het zetten van koffie en thee, de bereiding van parfum uit plantenextracten, en het winnen van suiker uit suikerbieten of olie uit zaden [10](#page=10). 7. **Adsorptie**: Deze methode berust op het verschil in adsorptiekracht tussen het adsorptiemiddel en de mengselcomponenten, oftewel het verschil in hechting aan het oppervlak. Adsorptiemiddelen zijn vaak poreuze vaste stoffen met een groot oppervlak, zoals actieve kool. Toepassingen zijn het ontkleuren van wijn en het gebruik van filters in waterzuivering [10](#page=10). #### 2.1.4 Het scheidingsschema Voor complexere mengsels die in meerdere stappen gescheiden moeten worden, wordt een scheidingsschema opgesteld [11](#page=11). ### 2.2 Scheiden van zuivere stoffen Zuivere stoffen, die opgebouwd zijn uit één soort moleculen, kunnen verder worden ontleed in eenvoudigere stoffen door middel van chemische reacties. 1. **Chemische ontleding (analysereactie)**: Hierbij wordt een samengestelde zuivere stof opgesplitst in meerdere andere stoffen door bijvoorbeeld verhitting. Een voorbeeld is de verwarming van glucose, waarbij koolstof, water en brandbare gassen ontstaan [14](#page=14). * **Elektrolyse**: Dit is een vorm van chemische ontleding die plaatsvindt door middel van elektrische stroom. Zuiver water geleidt geen stroom, maar kan met toevoeging van zwavelzuur worden ontleed in waterstofgas en zuurstofgas met behulp van het toestel van Hofmann. Hierbij ontstaat aan de ene elektrode zuurstofgas en aan de andere waterstofgas, dat in twee keer groter volume aanwezig is. Dit proces is een analysereactie en moet niet verward worden met het verdampen van water, waarbij de stof water blijft bestaan [14](#page=14). Bij een ontledingsreactie of analysereactie wordt een verbinding opgesplitst in kleinere chemische soorten [15](#page=15). 2. **Synthesereactie**: Dit is het omgekeerde proces van ontleding, waarbij kleinere chemische stoffen worden gecombineerd tot een complexere chemische stof. Een voorbeeld is de productie van polyetheen (PE) door het aan elkaar schakelen van duizenden etheenmoleculen [15](#page=15). --- # Atoombouw en de ontwikkeling van atoommodellen Dit onderwerp volgt de historische evolutie van het atoomconcept, beginnend met de vroege modellen en eindigend met het golfmechanisch model, en behandelt de fundamentele subatomaire deeltjes [18](#page=18). ### 3.1 De ontwikkeling van atoommodellen #### 3.1.1 Het atoommodel van Dalton John Dalton, beschouwd als de vader van de chemische atoomtheorie, stelde dat elementen bestaan uit onzichtbaar kleine, ondeelbare en onvernietigbare atomen die niet veranderen bij chemische of fysische verschijnselen. Hij stelde dat atomen gekenmerkt worden door hun massa en dat er eenvoudige gehele getallenverhoudingen bestaan tussen de aantallen atomen van verschillende elementen in een verbinding. Volgens Dalton konden atomen niet gemaakt of vernietigd worden, een principe dat overeenkomt met het behoud van massa [18](#page=18). #### 3.1.2 Het atoommodel van Thomson Joseph Thomson ontdekte het elektron en suggereerde dat atomen bestaan uit positief geladen materie waarin elektronen zijn ingebed, vergelijkbaar met rozijnen in een "plumpudding". Dit model werd ontwikkeld na experimenten met kathodestralen, die aantoonde dat deze negatief geladen waren [19](#page=19). #### 3.1.3 Het atoommodel van Rutherford Ernest Rutherford voerde een experiment uit met goudfolie en alfastralen. De waarneming dat de meeste alfadeeltjes rechtdoor gingen, maar sommigen sterk werden afgebogen of teruggekaatst, leidde tot de conclusie dat een atoom een kleine, zware, positief geladen atoomkern heeft, met daaromheen een grote, ijle ruimte waarin de elektronen zich bewegen. Bijna de gehele massa van het atoom is geconcentreerd in de kern [20](#page=20). #### 3.1.4 Het atoommodel van Chadwick James Chadwick ontdekte in 1932, na experimenten met beryllium bestraald met alfadeeltjes, het neutron. Hij concludeerde dat deze stralen bestonden uit elektrisch neutrale deeltjes met een massa die vergelijkbaar is met die van een proton. Met de ontdekking van het neutron waren alle elementaire deeltjes van het atoom bekend [22](#page=22) [23](#page=23). #### 3.1.5 De subatomaire deeltjes: protonen, neutronen en elektronen * **Protonen (p+)**: Positief geladen deeltjes in de atoomkern [23](#page=23). * **Neutronen (n0)**: Elektrisch neutrale deeltjes in de atoomkern [23](#page=23). * **Elektronen (e-)**: Negatief geladen deeltjes die rond de kern bewegen [23](#page=23). De relatieve massa van een proton en een neutron wordt gesteld op 1, terwijl de massa van een elektron ongeveer 2000 keer kleiner is en meestal wordt verwaarloosd. De relatieve lading van een proton is +1 en van een elektron is -1 [23](#page=23). #### 3.1.6 Atoomnummer (Z) en massagetal (A) * Het **atoomnummer (Z)** is gelijk aan het aantal protonen in de kern en, voor een neutraal atoom, ook aan het aantal elektronen. Het bepaalt de chemische identiteit van een element [24](#page=24). * Het **massagetal (A)** is de som van het aantal protonen en neutronen in de kern [24](#page=24). De symbolische weergave van een atoom toont het massagetal linksboven en het atoomnummer linksonder, met X als symbool voor het element: $$ \text{A}_X^Z $$ [24](#page=24). #### 3.1.7 Isotopen Isotopen zijn atomen van hetzelfde element (hetzelfde aantal protonen) die een verschillend aantal neutronen hebben, en dus een verschillend massagetal. De isotopenabundantie is het procentueel natuurlijk voorkomen van deze isotopen. Onstabiele kernen met een overmaat aan protonen of neutronen zijn radioactief en zenden straling uit [25](#page=25). #### 3.1.8 Absolute en relatieve atoommassa * De **absolute atoommassa (m)** is de werkelijke massa van één atoom [26](#page=26). * De **relatieve atoommassa (mr)** is een onbenoemd getal dat aangeeft hoe vaak de massa van een atoom groter is dan de atomaire massa-eenheid (u), waarbij 1 u gelijk is aan 1/12 van de massa van een koolstof-12 atoom ($1,66 \times 10^{-27}$ kg) [26](#page=26). #### 3.1.9 Gemiddelde relatieve atoommassa (Ar) De gemiddelde relatieve atoommassa van een element is het gewogen gemiddelde van de relatieve atoommassa's van zijn isotopen, rekening houdend met hun isotopenabundantie. Deze waarde is terug te vinden in het Periodiek Systeem der Elementen [27](#page=27). #### 3.1.10 Het atoommodel van Bohr Niels Bohr stelde dat elektronen niet willekeurig rond de kern bewegen, maar zich bevinden in specifieke banen, schillen of energieniveaus. Elke schil heeft een maximale capaciteit voor elektronen die toeneemt met de afstand tot de kern, volgens de formule $2n^2$ (met een maximum van 32 elektronen). Elektronen op de buitenste schil worden valentie-elektronen genoemd. Als een elektron energie absorbeert, kan het naar een hogere schil "springen" (aangeslagen toestand) en straalt deze energie weer uit als licht (fotonen) bij terugkeer naar de oorspronkelijke schil, wat leidt tot fluorescentie of fosforescentie [29](#page=29) [30](#page=30). #### 3.1.11 Het atoommodel van Sommerfeld en anderen Arnold Sommerfeld verfijnde Bohr's model door de hoofdniveaus verder op te delen in subniveaus (s, p, d, f). Elk subniveau kan worden opgedeeld in magnetische niveaus, bepaald door het magnetisch kwantumgetal ($m$). G. Uhlenbeck en S. Goudsmit voegden het spinkwantumgetal ($s$) toe, waarbij elektronen rond hun eigen as draaien, hetzij in wijzerzin ($+1/2$) of tegengesteld ($ -1/2 $). Per magnetisch niveau kunnen maximaal twee elektronen met tegengestelde spin voorkomen [31](#page=31). * **s-subniveau**: ℓ=0, max. 2 elektronen [31](#page=31). * **p-subniveau**: ℓ=1, max. 6 elektronen [31](#page=31). * **d-subniveau**: ℓ=2, max. 10 elektronen [31](#page=31). * **f-subniveau**: ℓ=3, max. 14 elektronen [31](#page=31). #### 3.1.12 Elektronenconfiguratie volgens het Aufbauprincipe Het Aufbauprincipe, geformuleerd door Sommerfeld en Pauli, beschrijft hoe elektronen verdeeld moeten worden over de subniveaus op basis van de diagonaalregel en regels voor het vullen van orbitalen [37](#page=37). * **Regel 1**: Bepaal het aantal elektronen via het atoomnummer (Z) [37](#page=37). * **Regel 2**: Gebruik de diagonaalregel om de volgorde van subniveaus qua energie te bepalen [37](#page=37). * **Regel 3**: Vul de subniveaus van links naar rechts, waarbij een subniveau volledig gevuld moet zijn voordat het volgende subniveau wordt gevuld [38](#page=38). * **Regel 4**: Elk orbitaal (hokje) kan maximaal 2 elektronen bevatten met tegengestelde spin (elektronenpaar) [38](#page=38). * **Regel 5 (Regel van Hund)**: In een subniveau worden eerst de hokjes met één elektron gevuld voordat er paren worden gevormd [38](#page=38). * **Regel 6**: Halfgevulde en volledig gevulde d- en f-subniveaus zijn stabieler, wat kan leiden tot inversie bij sommige B-groep metalen [38](#page=38). * **Regel 7**: Sommige elementen vertonen afwijkende elektronenconfiguraties [38](#page=38). #### 3.1.13 Het golfmechanisch atoommodel Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg stelde grenzen aan de gelijktijdige bepaling van plaats en snelheid van een deeltje. Dit leidde Erwin Schrödinger tot het ontwikkelen van het concept van orbitalen, gebieden waarbinnen een elektron zich 90% van de tijd bevindt [39](#page=39). * Het hoofdkwantumgetal ($n$) bepaalt de energie-inhoud en de omvang van het orbitaal [39](#page=39). * Het nevenkwantumgetal ($\ell$) bepaalt de vorm van het orbitaal (s = bolvormig, p = haltervormig) [39](#page=39). * Het magnetisch kwantumgetal ($m$) bepaalt de oriëntatie van het orbitaal ten opzichte van een willekeurige richting. Voor $\ell=1$ (p-subniveau) zijn er 3 mogelijke oriëntaties (px, py, pz) [40](#page=40). ### 3.2 Stofeigenschappen Zuivere stoffen worden gekenmerkt door hun fysische (niet-veranderende chemische identiteit) en chemische (veranderende chemische identiteit) eigenschappen. Voorbeelden van fysische eigenschappen zijn aggregatietoestand, smeltpunt en dichtheid. Chemische eigenschappen omvatten reacties zoals oxidatie [13](#page=13). ### 3.3 Moleculen en atomen Moleculen zijn de kleinste deeltjes die de chemische identiteit van een zuivere stof bezitten en worden voorgesteld door chemische formules. Sommige moleculen bestaan uit één atoomsoort (enkelvoudig, bv. O2), andere uit meerdere atoomsoorten (samengesteld, bv. H2O). Een zuivere stof kan soms nog verder ontleedbaar zijn in verschillende atomen [12](#page=12). --- # Het periodiek systeem der elementen en chemisch gedrag Dit onderwerp verklaart de structuur en organisatie van het periodiek systeem der elementen (PSE), inclusief periodes, groepen en blokken, en hoe de plaatsing hierin verband houdt met metaal-/niet-metaalkarakter en elektronegativiteit, wat het chemisch gedrag bepaalt. ### 4.1 Structuur van het periodiek systeem der elementen (PSE) Het periodiek systeem der elementen (PSE), ook wel de tabel van Mendelejev genoemd, is een classificatie van chemische elementen gebaseerd op hun atoomnummer, elektronenconfiguratie en terugkerende chemische eigenschappen. Dimitri Mendelejev wordt beschouwd als een pionier in de ordening van elementen [41](#page=41). #### 4.1.1 Periodes * Horizontale rijen in het PSE worden periodes genoemd [41](#page=41). * Er zijn 7 hoofdperiodes, die overeenkomen met het aantal hoofdniveaus of schillen rond de atoomkern (maximaal 7 schillen). Een nieuwe periode begint wanneer de elektronenconfiguratie een nieuwe schil begint [41](#page=41). * Daarnaast zijn er 2 nevenperiodes: de lanthaniden en de actiniden [41](#page=41). #### 4.1.2 Groepen * Verticale kolommen in het PSE worden groepen genoemd [41](#page=41). * Er zijn 8 hoofdgroepen (a-groepen) die het aantal valentie-elektronen (elektronen op de buitenste schil) aangeven. Elementen in dezelfde groep vertonen vergelijkbare chemische eigenschappen vanwege hetzelfde aantal valentie-elektronen [41](#page=41). * Er zijn 10 nevengroepen (b-groepen) [41](#page=41). **Voorbeelden van plaatsing en elektronenconfiguratie:** * Lithium (Li) heeft de elektronenconfiguratie $1s^2 2s^1$. Het bevindt zich in periode 2, groep Ia, en heeft één valentie-elektron in de L-schil [41](#page=41). * Calcium (Ca) heeft de elektronenconfiguratie $1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 4s^2$. Het bevindt zich in periode 4, groep IIa, en heeft twee valentie-elektronen in de N-schil [41](#page=41). #### 4.1.3 Blokken Het PSE kan worden onderverdeeld in blokken op basis van het subniveau waarin de laatst toegevoegde elektronen terechtkomen [43](#page=43) [48](#page=48). * **s-blok:** Groep Ia en IIa [43](#page=43). * **p-blok:** Groep IIIa t.e.m. VIIa [43](#page=43). * **d-blok:** Bevat de overgangselementen (nevengroepen/b-groepen) [48](#page=48). * **f-blok:** Bevat de lanthaniden en actiniden, geplaatst onderaan het PSE [48](#page=48). ### 4.2 Metaal- en niet-metaalkarakter Het metaal- of niet-metaalkarakter van een element beschrijft de neiging om elektronen af te staan (metaal) of op te nemen/aan te trekken (niet-metaal) in chemische bindingen [42](#page=42). #### 4.2.1 Elektronegativiteitswaarde (ENW) De elektronegativiteitswaarde (ENW of EN-waarde) kwantificeert dit karakter [42](#page=42). * **Lage ENW:** Sterk metaalkarakter, zwak niet-metaalkarakter. Elementen met 1, 2 of 3 valentie-elektronen gedragen zich doorgaans als metalen [42](#page=42). * **Hoge ENW:** Sterk niet-metaalkarakter, zwak metaalkarakter. Elementen met 4, 5, 6 of 7 valentie-elektronen gedragen zich doorgaans als niet-metalen [42](#page=42). * **Uitzondering:** Waterstof (H) is een niet-metaal met slechts één valentie-elektron [42](#page=42). **Trends in ENW in het PSE:** * **Per periode:** De ENW neemt toe van links naar rechts [42](#page=42). * **Per groep:** De ENW neemt af van boven naar beneden [42](#page=42). * **Conclusie:** De sterkste metaalelementen bevinden zich linksonder (bv. Cs), en de sterkste niet-metaalelementen rechtsboven (bv. F) [42](#page=42). Elementen in groep VIII (edelgassen) hebben geen EN-waarden omdat ze geen chemische bindingen aangaan en dus geen neiging hebben om elektronen af te staan of op te nemen [42](#page=42). ### 4.3 Chemisch gedrag per groep #### 4.3.1 De hoofdgroepen (a-groepen) Hoofdelementen komen voor in het s- en p-blok. Hun 'chemisch ideaal' is het bereiken van de elektronenconfiguratie van het dichtstbijzijnde edelgas: een $s^2p^6$ configuratie (octetconfiguratie). Voor H, Li en Be geldt een $s^2$ configuratie (duet) [43](#page=43). * **Groep Ia: Alkalimetalen** (bv. Li, Na, K) * Valentieschilconfiguratie: $s^1$ [43](#page=43). * Zeer lage ENW; sterke metaalelementen met hoge chemische reactiviteit [43](#page=43). * Staan altijd 1 elektron af en vormen éénwaardig positieve ionen (bv. Li$^+$, Na$^+$) [43](#page=43). * Voorbeelden van verbindingen: NaCl, K$_2$O, Na$_2$CO$_3$ [43](#page=43). * Chemisch zeer reactief; reageren snel met zuurstof en water [43](#page=43). * Moeten onder olie bewaard worden om reactie met lucht te voorkomen [43](#page=43). * Goede elektrische en thermische geleiders [44](#page=44). * **Opmerking: Waterstof (H)** * Heeft configuratie $1s^1$, wat lijkt op groep Ia [44](#page=44). * Gedraagt zich echter als een niet-metaal en wordt daarom soms bij de niet-metalen geplaatst [44](#page=44). * Vormt diwaterstof (H$_2$) als enkelvoudige stof [44](#page=44). * Bereikt de He-configuratie ($1s^2$) door 1 covalente binding te vormen in samengestelde stoffen, zoals zuren (bv. HCl) [44](#page=44). * **Groep IIa: Aardalkalimetalen** (bv. Be, Mg, Ca) * Valentieschilconfiguratie: $s^2$ [44](#page=44). * Lage ENW; sterke metalen [44](#page=44). * Staan altijd 2 elektronen af en vormen tweewaardig positieve ionen (bv. Mg$^{2+}$, Ca$^{2+}$) [44](#page=44). * Voorbeelden van verbindingen: MgCl$_2$, CaO, CaCO$_3$ [44](#page=44). * Chemisch reactief (bv. verbranding van magnesium, reactie van calcium met water) [44](#page=44). * Oxiden zijn basisch [44](#page=44). * Zouten lossen over het algemeen minder goed op in water dan die van alkalimetalen [44](#page=44). * **Groep IIIa: Boorgroep** (bv. B, Al) * Valentieschilconfiguratie: $s^2p^1$ [45](#page=45). * Aluminium (Al) gedraagt zich als een metaal door 3 elektronen af te staan en het aluminiumion (Al$^{3+}$) te vormen, met de elektronenconfiguratie van neon [45](#page=45). * Voorbeeld: AlCl$_3$ [45](#page=45). * **Groep IVa: Koolstofgroep** (bv. C, Si) * Valentieschilconfiguratie: $s^2p^2$ [45](#page=45). * Koolstof (C) is een niet-metaal (ENW = 2,5) [45](#page=45). * Bereikt de octetconfiguratie door het vormen van vier covalente bindingen met andere niet-metalen [45](#page=45). * Voorbeelden: CH$_4$, CO$_2$, C$_2$H$_6$O [45](#page=45). * Koolstof komt voor als enkelvoudige stoffen zoals grafiet en diamant [45](#page=45). * **Groep Va: Stikstofgroep** (bv. N, P) * Valentieschilconfiguratie: $s^2p^3$ [45](#page=45). * N en P zijn niet-metalen (N sterk, P zwakker niet-metaal) [45](#page=45). * Vormen 3 covalente bindingen met andere niet-metalen om de $s^2p^6$-configuratie te bereiken [45](#page=45). * Voorbeelden: NH$_3$, NO$_2$ [45](#page=45). * **Groep VIa: Zuurstofgroep** (bv. O, S) * Valentieschilconfiguratie: $s^2p^4$ [46](#page=46). * O en S zijn niet-metalen (O zeer sterk, S zwakker niet-metaal) [46](#page=46). * Nemen 2 elektronen op of vormen 2 covalente bindingen om de octetconfiguratie te bereiken [46](#page=46). * Voorbeelden ionverbinding: Na$_2$O, Al$_2$O$_3$ [46](#page=46). * Voorbeelden atoomverbinding: H$_2$O, CO$_2$, CH$_3$COOH [46](#page=46). * Zuurstofgas (O$_2$) en ozon (O$_3$) zijn enkelvoudige stoffen [46](#page=46). * **Groep VIIa: Halogenen** (bv. F, Cl, Br, I) * Valentieschilconfiguratie: $s^2p^5$ [46](#page=46). * Sterke niet-metaalelementen (sterkte neemt af bij stijgend periodenummer) [46](#page=46). * Nemen 1 elektron op of vormen 1 covalente binding om de $s^2p^6$-configuratie te bereiken [46](#page=46). * Voorbeelden ionverbinding: NaCl, KI, MgBr$_2$ [46](#page=46). * Voorbeelden atoomverbinding: HCl, HBr, HCN [46](#page=46). * Komen voor als diatomische moleculen (F$_2$, Cl$_2$, Br$_2$, I$_2$) [46](#page=46). * **Groep O: Edelgassen** (bv. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) * Bezitten de stabiele $s^2p^6$-configuratie (He: $s^2$) [46](#page=46). * Reageren niet of nauwelijks met andere stoffen omdat ze geen elektronen beschikbaar hebben voor bindingen [46](#page=46). * Komen mono-atomisch voor in de natuur [46](#page=46). * Bekende edelgassen met hun eigenschappen: * Helium (He, atoomnummer 2): licht, inert gas [47](#page=47). * Neon (Ne, atoomnummer 10): gebruikt in borden, lasers, koelmiddel; gloeit bij opwinding [47](#page=47). * Argon (Ar, atoomnummer 18): gebruikt in lasers, creëert inerte atmosfeer [47](#page=47). * Krypton (Kr, atoomnummer 36): dicht, kleurloos, inert gas; gebruikt in lasers en lampen [47](#page=47). * Xenon (Xe, atoomnummer 54): inert, niet-giftig; gebruikt in xenonlampen [47](#page=47). * Radon (Rn, atoomnummer 86): zwaar edelgas, radioactief [47](#page=47). * Oganesson (Og, atoomnummer 118): extreem radioactief, mogelijk reactiever dan andere edelgassen [47](#page=47). #### 4.3.2 De nevengroepen (b-groepen) * Ook wel overgangselementen genoemd [48](#page=48). * De laatst toegevoegde elektronen bevinden zich meestal in het d-subniveau [48](#page=48). * Bevinden zich in het d-blok van het PSE [48](#page=48). * Stabiliteitsregels zijn complexer dan bij hoofdelementen [48](#page=48). * Hebben overwegend metaalkarakter; komen voor in een metaalrooster (bv. Fe, Ni, Cu, Zn, Ag, Cd, Au, Hg) [48](#page=48). * Chemisch zwakkere metalen dan de a-groep metalen (hogere ENW) [48](#page=48). * Er bestaat een omgekeerd verband tussen de 'edelheid' van een metaal (als stof) en de chemische reactiviteit van het metaalelement (lagere ENW = hogere reactiviteit = onedeler metaal) [48](#page=48). #### 4.3.3 De lanthaniden en actiniden * Geplaatst in een apart blok onderaan het PSE (f-blok) [48](#page=48). * Lanthaniden: elementen 58-71, na lanthaan (Z=57) [48](#page=48). * Actiniden: elementen 90-103, na actinium (Z=89) [48](#page=48). * Laatst toegevoegde elektronen bevinden zich in de 4f (lanthaniden) of 5f (actiniden) subniveaus [48](#page=48). * Deze elementen zijn zeldzaam, met uitzondering van uranium (U) dat gebruikt wordt voor kernsplijting [48](#page=48). ### 4.4 Gemiddelde relatieve atoommassa De gemiddelde relatieve atoommassa ($A_r$) van een element is de som van de relatieve atoommassa's van zijn isotopen, gewogen naar hun abundantie. Deze waarde is terug te vinden in het periodiek systeem der elementen [27](#page=27). **Voorbeeld:** Lithium (Li) heeft een gemiddelde relatieve atoommassa van ongeveer 6,94 [27](#page=27). ### 4.5 Symbolen en namen van elementen Elk atoomsoort (element) heeft een naam en wordt voorgesteld door een chemisch symbool. Een symbool begint met een hoofdletter, eventueel gevolgd door een kleine letter. De eerste letter is de eerste letter van de Griekse of Latijnse naam van het element, en de tweede letter is een andere letter uit die naam. Elementen kunnen vernoemd zijn naar personen, plaatsen, planeten of eigenschappen [16](#page=16). > **Tip:** Voor het examen moeten de elementen in het vet op de tabel in beide richtingen gekend zijn [16](#page=16). **Voorbeeld uit het document:** * Chroom: Cr * Radon: Rn * Kwik: Hg * Cadmium: Cd * Boor: B * Broom: Br * Beryllium: Be * Tin: Sn [51](#page=51). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Materie | Alles wat ruimte inneemt en een massa heeft. Het universum is opgebouwd uit materie, die kan voorkomen in vaste, vloeibare of gasvormige aggregatietoestanden. | | Mengsel | Een substantie die is opgebouwd uit verschillende stofsoorten of moleculesoorten. Mengsels kunnen homogeen, heterogeen of colloïdaal zijn, afhankelijk van de grootte van de deeltjes van de componenten. | | Zuivere stof | Een substantie die bestaat uit slechts één stofsoort of moleculesoort. Zuivere stoffen kunnen worden gekenmerkt door hun specifieke fysische en chemische eigenschappen. | | Aggregatietoestanden | De verschillende vormen waarin materie kan voorkomen: vast, vloeibaar of gasvormig. De overgang tussen deze toestanden wordt beïnvloed door temperatuur en druk. | | Stofeigenschappen | Kenmerken van een stof die haar identiteit definiëren en waarmee ze waargenomen of onderzocht kan worden zonder haar chemische identiteit te veranderen. Voorbeelden zijn massadichtheid, smeltpunt en oplosbaarheid. | | Homogeen mengsel | Een mengsel waarbij de componenten niet met het blote oog of enig optisch instrument te onderscheiden zijn. Deze mengsels zijn doorgaans doorzichtig. Voorbeelden zijn oplossingen en gasmengsels. | | Heterogeen mengsel | Een mengsel waarbij de componenten met het blote oog of met een lichtmicroscoop te onderscheiden zijn. Deze mengsels zijn vaak ondoorschijnend. Voorbeelden zijn grof mengsels, suspensies en emulsies. | | Colloïdaal mengsel | Een mengsel waarbij de deeltjesgrootte tussen die van homogene en heterogene mengsels ligt. De deeltjes zijn niet met het blote oog of een lichtmicroscoop te zien, maar wel met een elektronenmicroscoop. | | Scheidingstechniek | Een methode die wordt gebruikt om een mengsel te scheiden in zijn afzonderlijke componenten. Deze technieken maken gebruik van verschillen in fysische eigenschappen zoals deeltjesgrootte, dichtheid, oplosbaarheid of kookpunt. | | Molecule | Het kleinst mogelijke deeltje dat typisch is voor de samenstelling van een zuivere stof en dat nog steeds de volledige chemische identiteit van die stof bezit. Moleculen zijn opgebouwd uit atomen. | | Atoom | De fundamentele bouwsteen van materie, bestaande uit een kern (protonen en neutronen) en elektronen die rond de kern bewegen. Verschillende soorten atomen definiëren de chemische elementen. | | Atoomnummer (Z) | Het aantal protonen in de kern van een atoom. Dit getal bepaalt het element en is voor een neutraal atoom gelijk aan het aantal elektronen. | | Massagetal (A) | Het totale aantal protonen en neutronen in de kern van een atoom. Het bepaalt mede de massa van het atoom. | | Isotopen | Atomen van hetzelfde element die een verschillend aantal neutronen hebben, waardoor hun massagetal varieert, maar hun atoomnummer gelijk blijft. | | Relatieve atoommassa (Ar) | Een getal dat aangeeft hoeveel keer de massa van een gemiddeld atoom van een element groter is dan de atomaire massa-eenheid. Dit getal wordt gebruikt in het periodiek systeem. | | Periodiek systeem der elementen (PSE) | Een tabel waarin de chemische elementen zijn geordend op basis van hun atoomnummer, elektronenconfiguratie en terugkerende chemische eigenschappen. Het PSE is ingedeeld in periodes en groepen. | | Groep (in PSE) | Een verticale kolom in het periodiek systeem. Elementen in dezelfde groep hebben doorgaans vergelijkbare chemische eigenschappen vanwege een vergelijkbaar aantal valentie-elektronen. | | Periode (in PSE) | Een horizontale rij in het periodiek systeem. Elementen in dezelfde periode hebben opeenvolgende atoomnummers en tonen trends in hun eigenschappen. | | Metaalkarakter | De neiging van een element om elektronen af te staan in chemische bindingen. Elementen met een laag metaalkarakter zijn over het algemeen reactiever. | | Niet-metaalkarakter | De neiging van een element om elektronen op te nemen of aan te trekken in chemische bindingen. Elementen met een hoog niet-metaalkarakter zijn over het algemeen elektronegatief. | | Elektronegativiteit (ENW) | Een maat voor de neiging van een atoom om elektronen aan te trekken in een chemische binding. Hogere waarden duiden op een sterker niet-metaalkarakter. | | Valentie-elektronen | De elektronen in de buitenste schil van een atoom. Deze spelen een cruciale rol bij chemische reacties en het vormen van bindingen. | | Edelgasconfiguratie | De stabiele elektronenconfiguratie die overeenkomt met die van de edelgassen, gekenmerkt door een volledig gevulde buitenste schil (meestal s²p⁶). Atomen streven ernaar deze configuratie te bereiken om stabieler te worden. | | Kwantumgetallen | Getallen die de eigenschappen van elektronen in atomen beschrijven, zoals hun energieniveau (hoofdkwantumgetal n), de vorm van hun orbitaal (nevenkwantumgetal ℓ), de oriëntatie van het orbitaal (magnetisch kwantumgetal m) en hun spin (spinkwantumgetal s). | | Orbitaal | Een driedimensionale regio rond de kern van een atoom waar de kans om een elektron aan te treffen het grootst is (meestal 90%). Orbitalen hebben specifieke vormen en energieën. | | Elektrolyse | Een proces waarbij elektrische stroom wordt gebruikt om een chemische verbinding te ontleden in zijn componenten. Dit is een vorm van chemische ontleding. | | Synthese(reactie) | Een chemische reactie waarbij twee of meer eenvoudigere stoffen worden gecombineerd om een complexere stof te vormen. Dit is het omgekeerde van een ontledingsreactie. | | Analyse(reactie) of Ontledingsreactie | Een chemische reactie waarbij een verbinding wordt opgesplitst in twee of meer eenvoudigere stoffen. | | Massadichtheid | De massa per volume-eenheid van een stof. Het is een belangrijke fysische eigenschap die wordt gebruikt bij de identificatie en scheiding van stoffen. | | Oplosbaarheid | De mate waarin een stof (de opgeloste stof) kan oplossen in een oplosmiddel om een homogene oplossing te vormen. | | Kookpunt | De temperatuur waarbij de dampdruk van een vloeistof gelijk is aan de omgevingsdruk, waardoor de vloeistof kookt en overgaat in gasvorm. | | Smeltpunt | De temperatuur waarbij een vaste stof overgaat in een vloeistof. | | Chemische binding | De aantrekking tussen atomen die ervoor zorgt dat ze samengevoegd worden tot moleculen of kristallijne structuren. Dit kan op verschillende manieren gebeuren, zoals covalente binding, ionbinding of metaalbinding. | | Ion | Een atoom of molecuul dat een elektrische lading heeft doordat het elektronen heeft opgenomen (negatief ion of anion) of afgestaan (positief ion of kation). | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij twee atomen elektronen met elkaar delen om een stabiele elektronenconfiguratie te bereiken. | | Extractiemiddel | Een vloeistof die wordt gebruikt om specifieke componenten uit een mengsel op te lossen en te scheiden, gebaseerd op verschil in oplosbaarheid. | | Adsorptiemiddel | Een materiaal, vaak een vaste stof met een groot oppervlak, dat andere stoffen aan zijn oppervlak kan binden. | | Diamagnetisme | Een eigenschap van materialen die worden afgestoten door een extern magnetisch veld. Dit komt doordat de atomen of ionen geen ongepaarde elektronen hebben. | | Paramagnetisme | Een vorm van magnetisme waarbij een materiaal zwak wordt aangetrokken door een extern magnetisch veld. Dit treedt op wanneer atomen of ionen ongepaarde elektronen hebben. | | Ferromagnetisme | Een sterke vorm van magnetisme waarbij materialen permanent magnetisch worden gemaakt door de uitlijning van hun atomaire magnetische momenten. |