Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?

3.HOEKUNJEUIT
MENGSELSZUIVERE
STOFFENVERKRIJGEN?
Hoekunjeuitmengsels
zuiverestoffenverkrijgen?
Hoofdstuk 3
39
9030191117_03_H3.indd 39
04-02-2008 10:04:31
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen
verkrijgen?
Bekijkenbedenk
1 Goud zoeken in slijk
2 Zeven van zand
3 Zoutwinning
4 Waterzuivering
5 Droogzwierder
6 Thee zetten
7 Koffie zetten
8 Druiven persen
Beschrijf wat jij in de afbeeldingen ziet.
Herken je de toegepaste scheidingsmethoden? Ken je er een naam voor?
– Hoe zou jij een scheidingsmethode kiezen voor een bepaald mengsel?
– Ken je enkele voorbeelden van veelgebruikte scheidingsmethoden in het huishouden?
– Ken je enkele voorbeelden van industriële scheidingsmethoden?
– Herken je toestellen om heterogene of homogene mengsels te scheiden?
– Welke aggregatietoestanden van de bestanddelen worden ermee gescheiden?
– Welke fysische eigenschappen van de bestanddelen spelen hierbij een belangrijke rol?
Leerdechemie
De materie die je in voorwerpen, materialen, stoffen, aantreft is heel dikwijls een mengsel.
Om zuivere stoffen te verkrijgen gaat men deze proberen af te zonderen uit het mengsel.
De aard van het mengsel bepaalt de manier waarop men een mengsel in zijn bestanddelen kan scheiden.
Je weet reeds dat de aard van een mengsel bepaald wordt door de diameter van de aggregaten (molecuulgroepjes) en door de aggregatietoestand waarin de bestanddelen in het mengsel voorkomen.
mengsel
bestanddeel (A)
+
bestanddeel (B)
+
+
bestanddeel (C)
+
Scheiden van mengsels (modelvoorstelling)
40 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 40
04-02-2008 10:04:46
3.1 Scheidenvanheterogenemengsels
Enkele scheidingsmethoden voor heterogene mengsels
Grove mengsels (vaste stoffen):
manueel uitrapen, zeven, ziften.
Suspensies (vloeistoffen met vaste stoffen):
laten bezinken, decanteren, filtreren, centrifugeren.
Emulsies (vloeistoffen):
laten ontmengen en afscheiden met scheitrechter.
Zeer grove heterogene mengsels van een vaste stof en een vloeistof kunnen gescheiden worden door
het manueel uitrapen van de vaste stof of het decanteren van de vloeistof
Decanteren (afscheiden)
Manueel decanteren
Decanteren met scheitrechter
De techniek van het decanteren steunt op een verschil in massadichtheid tussen de niet mengbare
bestanddelen van het mengsel.
De eenvoudigste scheidingsmethode is het manueel decanteren of afgieten. Men kan ze toepassen bij
heterogene mengsels met duidelijk gescheiden vloeistoflagen en bij mengsels van een vloeistof met
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 41
9030191117_03_H3.indd 41
04-02-2008 10:04:58
daarin duidelijk zichtbare brokken vaste stoffen. Manueel decanteren nauwkeurig uitvoeren vergt een
grote handigheid. Voor nauwkeuriger werk zal men eerder overschakelen op filtreren.
Toepassingen: het afgieten van aardappelen, goud wassen, klaren van wijn, scheiden van water en
groenten, …
Het volledig manueel scheiden van twee of meerdere niet-mengbare vloeistoflagen blijft toch moeilijk.
Daarom zal men gebruik maken van een scheitrechter als hulpmiddel. Deze methode gebruikt men
voor niet- mengbare vloeistoffen, die op basis van een verschillende massadichtheid meerdere lagen
vormen of wanneer het mengsel vaste stofdeeltjes bevat die na enige tijd bezinken op de bodem van
de behouder.
Deze methode wordt ook vaak gebruikt in combinatie met een voorafgaande extractie (zie verder) van
waterige oplossingen door bv. benzine of andere organische solventen.
Toepassingen: het scheiden van water en olie, het reinigen van zandhoudend zeewater of slootwater, …
Filtreren
glasstaaf
filtreerpapier
a
b
te scheiden
stoffenmengsel
trechter
residu
c
d
filtraat
Filtreren
Een heterogeen mengsel van een vaste stof en een vloeistof kan gescheiden worden door zeven of
ziften, en nauwkeuriger door filtreren. De methode steunt op een verschil in deeltjesgrootte.
Voor nauwkeurige scheidingen gebruikt men een welgekozen poreus membraan (bv. filtreerpapier)
dat in een trechter geplaatst wordt. De vaste stof blijft achter op het filtreerpapier en wordt residu
genoemd. De vloeistof die door het filtreerpapier sijpelt wordt filtraat genoemd.
Er bestaan vele soorten filtreerpapier met aangepaste doorlaatbaarheid voor diverse deeltjesgrootte en
met verschillende doorloopsnelheid. In plaats van filtreerpapier gebruikt men soms ook nog fijner doorlaatbare materialen, zoals samengeperst papier, of gesinterd glas of allerlei poreuze kunststoffen.
42 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 42
04-02-2008 10:05:08
Toepassingen: het persen van vruchtensappen, het gebruik van een ‘vergiet’ in de keuken om
groenten van water te scheiden, …
Filtratie wordt dikwijls gebruikt in combinatie met extractie (zie verder), zoals bv. bij het koffie- en
theezetten.
Filtreren (Å en Ç) is een veelgebruikte methode om
vaste stofdeeltjes nauwkeurig te scheiden van een
vloeistof. De juiste keuze van een membraan dat de
vaste stofdeeltjes tegenhoudt is daartoe zeer belangrijk.
1
2
3
4
Filtreren kan versneld worden door het filtreertoestel
aan te sluiten op bijvoorbeeld een waterstraalzuigpomp die voortdurend lucht onder de filter wegzuigt
(zuigfiltratie). Men maakt dan gebruik van aangepaste filtreertoestellen, zoals Büchnertrechter (É)
of filtreerkroes (Ñ).
Centrifugeren
Heterogene mengsels van zwevende vaste stofdeeltjes in een vloeistof onderwerpt men soms aan
een voorafgaande bewerking, nl. centrifugeren, alvorens over te gaan tot decanteren of filtreren. Men
gebruikt daartoe een centrifuge. Dit is een toestel waarin het heterogene mengsel tegen zeer hoge
snelheid wordt rondgezwierd. Het werkingsprincipe ervan is analoog aan het gebruik van een slazwierder
in de keuken en steunt op een verschil in massadichtheid en beweeglijkheid van de bestanddelen.
Bij hoog toerental wordt het bezinken van vaste stofdeeltjes naar de bodem van de ronddraaiende buisjes versneld en kunnen zwaardere en lichtere stofdeeltjes van elkaar worden gescheiden. Achteraf kan
de bovenstaande vloeistof worden afgegoten bv. door decanteren.
Centrifugeren
Toepassingen: afromen van melk, bloed scheiden in vloeibaar bloedserum en vaste bloedplaatjes.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 43
9030191117_03_H3.indd 43
04-02-2008 10:05:13
3.2 Scheidenvanhomogenemengsels
Enkele scheidingsmethoden voor homogene mengsels
In homogene mengsels is de opgeloste stof zeer fijn verdeeld in het oplosmiddel. Om deze te scheiden
bestaan er verschillende technieken zoals kristalliseren, destilleren, extraheren, adsorberen of
combinaties daarvan zoals chromatografie.
Kristalliseren
Zoutwinning uit zeewater
Modelvoorstelling
Kristallisatie is een scheidingsmethode voor homogene mengsels (oplossingen) van een vloeistof
en van een vaste stof. Het doel is de opgeloste vaste stof af te zonderen door langzame verdamping
van het oplosmiddel.
De methode steunt op de beperkte oplosbaarheid van het vaste bestanddeel.
• Om de kristallisatie te versnellen wordt de oplossing eventueel verwarmd. Naarmate het oplosmiddel verdampt verkrijgt men een meer geconcentreerde oplossing aan vaste stof, tot uiteindelijk de
maximale oplosbaarheid wordt bereikt en kristalvorming begint.
• Als het kristallisatieproces langzaam gebeurt, kunnen er relatief grote kristallen ontstaan.
• Eventueel laat men het mengsel, met of zonder verwarming, zo lang staan tot de vloeistof volledig
verdampt is en de vaste stof achterblijft.
Toepassingen: de industriële winning van opgeloste zouten (zeezout, keukenzout) uit zeewater in zogenaamde “zouttuinen” of “zoutpannen”. Het water verdampt onder invloed van de zonnewarmte.
Merk op: kristalliseren door uitdampen?
Het verdampingsproces van het oplosmiddel wordt uiteraard versneld door het
mengsel te verwarmen (uitdampen). Dit is echter niet bevorderlijk voor een mooie
kristalvorming.
Door te snelle verwarming worden zeer vele vaste stof-partikeltjes gevormd in
plaats van enkele traaggroeiende kristallen. Er ontstaat dan ook een poederachtige vaste stof met nauwelijks waarneembare kristallijne structuur.
44 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 44
04-02-2008 10:05:22
Destilleren
Destillatie is een scheidingsmethode voor homogene mengsels (oplossingen) van:
– een vaste stof in een vloeistof om het oplosmiddel zuiver te verkrijgen.
– vloeistoffen waarvan de kookpunten voldoende ver uit elkaar liggen.
De methode steunt op een verschil in kookpunt tussen de bestanddelen van het mengsel.
Bij verwarming zal het vluchtigste bestanddeel (laagste kookpunt) het snelst verdampen en dit kan
door middel van een koeler terug condenseren. Zo verkrijgt men een ‘destillaat’, dat eventueel nog
uit meerdere fracties kan bestaan. Door de bekomen destillatiefracties meermaals zorgvuldig te herdestilleren kan men zeer zuivere vloeistoffen afzonderen uit het oorspronkelijke mengsel.
koelwater
fractioneerkolom
Liebigkoeler
Destilleren in het labo
Destilleren in de jeneverstokerij
Destilleren in de petrochemie
Toepassingen:
– petrochemie: aardolie scheiden in o.a. benzine, kerosine, stookolie en asfalt.
– “stokerijen”: bereiding van geestrijke dranken met een hoog alcoholgehalte (bv. cognac, whisky,
jenever, calvados, rum, wodka, …).
– ontzilting van zeewater of de bereiding van gedestilleerd water.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 45
9030191117_03_H3.indd 45
04-02-2008 10:05:30
3.3 Scheidenvanzowelhomogenealsheterogenemengsels
Extraheren
Extractie is een scheidingsmethode voor de meeste homogene en sommige heterogene mengsels.
Door extractie kan je een vaste stof of een vloeistof afzonderen uit een homogeen mengsel.
Door opeenvolgende extracties, met verschillende extractiemiddelen, kan men meerdere stoffen
afzonderen uit hun oorspronkelijke mengsels.
De methode steunt op een verschil in oplosbaarheid in een extractiemiddel.
Voorbeeld: Aan een mengsel van keukenzout en zand wordt water als extractiemiddel toegevoegd.
Het zout lost op in het water, het zand niet. Door de extractie te laten volgen door een
filtratie kan men het zoutwater van het zand scheiden.
‘Poire Williams’
Een lekker tasje koffie
Toepassingen:
– koffie en thee zetten;
– verwijdering van cafeïne uit koffie;
– bereiding (extractie) van parfums uit plantenextracten;
– bereiding (extractie) van suikers uit suikerbieten;
– bereiding (extractie) van oliën uit zaden.
Adsorberen
Adsorptie is een scheidingsmethode voor de meeste homogene en enkele heterogene mengsels.
Hiermee kan een vaste stof of een vloeistof uit een mengsel afgezonderd worden.
Bij adsorptie wordt de stof die men uit een homogeen mengsel wil afscheiden vastgehecht (geadsorbeerd) aan het oppervlak van een andere stof (adsorptiemiddel).
De methode steunt op een verschil in adsorbeerbaarheid (adhesie) aan een adsorptiemiddel.
46 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 46
04-02-2008 10:05:37
Brandweerman met gasmasker om giftige stoffen te verwijderen uit rook
Toepassingen:
– het ontkleuren van rode wijn met actieve koolstof (na filtreren is de wijn kleurloos);
– water en meststoffen worden geadsorbeerd aan humusdeeltjes;
– aquariumfilters voor de verwijdering van afvalstoffen uit het aquariumwater;
– gasmaskers bevatten een filter met een hoeveelheid heel fijn verdeelde actieve koolstof (norit).
Giftige stoffen in de lucht worden aan het poeder geadsorbeerd.
– verwijderen van roetdeeltjes uit de autouitlaatgassen;
– filter in de keukendampkap voor de verwijdering van vetten en allerlei reukstoffen uit de voedselbereiding.
Chromatografie
Chromatografie is een scheidingsmethode, voor homogene mengsels van diverse aard, waarbij de
bestanddelen gescheiden worden door een combinatie van adsorptie en extractie.
De naam betekent in feite: het ‘schrijven’ met kleuren, omdat mengsels worden uiteengetrokken in
hun bestanddelen die men vaak ziet als gekleurde vlekken.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 47
9030191117_03_H3.indd 47
04-02-2008 10:05:48
1
2
3
De eenvoudigste vorm is de papierchromatografie.
Hierbij wordt een stip van bv. een kleurstoffenmengsel aangebracht op een papier. Å
Dit wordt in een afgesloten recipiënt geplaatst waarin zich een vloeistof (loopvloeistof) bevindt. Ç
Deze vloeistof wordt opgezogen door het papier.
Sommige componenten van de stip lossen beter op in de loopvloeistof (extractie), andere worden meer
vastgehouden door het papier en vorderen trager (adsorptie).
Deze twee effecten zorgen voor een progressieve scheiding van de componenten. É
Wanneer de bestanddelen van het mengsel kleurstoffen zijn, krijgt men een beeld van gekleurde vlekken tijdens de scheiding. Voor kleurloze bestanddelen wordt achteraf, na de scheiding, eventueel een
sproeivloeistof op het gescheiden mengsel verstoven waardoor ook de vlekken afkomstig van kleurloze stoffen een duidelijke kleur kunnen vertonen.
Toepassingen:
Chromatografie is een zeer belangrijke scheidingstechniek in moderne laboratoria!
Vele analyses in de sportwereld (dopingcontrole) en in gerechtelijke onderzoek (opsporing van drugs)
gebeuren met gespecialiseerde chromatografische technieken. Ook in de klinische laboratoria en bij
restauratieonderzoek van kunstwerken wordt veel beroep gedaan op de chromatografie.
3.4 Scheidingsschema’s
Bij complexe mengsels zijn bv. sommige componenten homogeen vermengd en andere heterogeen.
In dat geval moeten verschillende scheidingstechnieken toegepast worden in de juiste volgorde.
– Eerst wordt getracht het heterogeen mengsel te scheiden in homogene deelmengsels.
– Daarna kan men met gepaste scheidingstechnieken de verschillende bestanddelen afzonderen uit
de homogene deelmengsels.
48 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 48
04-02-2008 10:05:49
Enkele voorbeelden van scheidingsschema’s.
Zand + zout
Zand + zout + olie + water
extraheren met water
filtreren
zand
filtreren
filtraat
residu
indampen
zand
filtraat
decanteren
olie
zoutwater
destilleren
zout
water
zout
Mineraalwater
Bruine suiker
destilleren
oplossen in water
water
residu
adsorberen (bv. op actieve kool)
oplossen in water
gefractioneerde
kristallisatie
verschillende vaste
stoffen (zouten)
filtreren
filtraat
residu
uitdampen of kristalliseren
witte suiker
Labo
1. Decanteren van een olie-water mengsel
Opstelling
1
Benodigdheden
Olie en water-mengsel
Varianten: 1. pentaan
en water
2. dijood
, water en pentaan
3. mengsel uit het extractie-experiment.
2
Werkwijze:
Tracht 10 tot 50 ml van het mengsel te scheiden door manueel afgieten. Å
Herneem het vorige met behulp van een scheitrechter. Ç
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 49
9030191117_03_H3.indd 49
04-02-2008 10:06:01
2. Filtreren van een krijt-water mengsel
Opstelling
Benodigdheden
Krijt en water
Varianten: 1. modderwater
2. aangezuurde melk
1
2
3
4
Werkwijze:
Gebruik een koffiefilter of plooi het filtreerpapier. Å
Giet het mengsel, liefst via een glazen staaf, in de filter. Ç
En/of É Breng een filtreerpapier in de Büchnertrechter. Sluit de waterstraalzuigpomp aan. Voeg het
mengsel toe en zuig de vloeistof af volgens de instructies van je leerkracht.
En/of Ñ Breng een filtreerkroes in de rubberring als in de afbeelding en sluit de waterstraalzuigpomp
aan volgens de instructies van je leerkracht.
Voeg het mengsel toe en zuig de vloeistof af.
3. Kristalliseren en uitdampen van zoutwater
Opstelling
Benodigdheden
Zout water
Varianten: 1. kopersulfaat-oplossing
2. (kandij-)suikeroplossing
1
2
3
4
Werkwijze:
Kristalliseren
Breng 5 tot 10 ml oplossing in een horlogeglas Å of kristalliseerschaal Ç.
Zet het mengsel weg. (voorzien van je naam en de samenstelling)
Observeer (zo mogelijk met een vergrootglas) het resultaat in de volgende les.
Uitdampen: É of Ñ (uitdampen via een waterbad)
Breng circa 10 ml mengsel in een beker of erlenmeyer of reageerbuisje.
Verwarm het mengsel met een matige of krachtige vlam tot alle vloeistof verdampt is.
Pas op voor het spatten naar het einde toe van het uitdampen!
50 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 50
04-02-2008 10:06:03
4. Kristallen “kweken”
Opstelling
1
Benodigdheden
Zout, witte suiker, kandijsuiker, borax (schoonmaakmiddel), epsonzout
(laxeermiddel), bakpoeder of aluin.
2
Werkwijze:
Los een maximale hoeveelheid vaste stof (bv. aluin) op in een minimale hoeveelheid water. Å
Zonder na een paar dagen het beste en het grootste kristal af door decanteren.
Los de andere kristallen weer op in de resterende oplossing. Å
Breng het ene gezuiverde, eventueel afgeschuurde kristal, opnieuw in de afgekoelde verzadigde oplossing. Het kristal wordt mooier als je er een touwtje omheen maakt en het, bv. opgehangen aan een
potlood, midden in de oplossing hangt. Ç
Herhaal het vorige (decanteren, zuiveren, heroplossen) de volgende dagen zodat je langzaamaan één
steeds aangroeiend kristal verkrijgt.
5. Destilleren van zout water.
Opstelling
1a
Benodigdheden
Zoutwater
Varianten:
1.(rode) wijn,
2.bier,
3.cola,
4.mineraal­water.
1b
2a
2b
2c
2d
3a
3b
Werkwijze:
Gebruik een beschikbare destillatieopstelling (bv. 1b + 2b + 3a) of bouw zelf een opstelling volgens de
instructies van je leerkracht.
Breng 10 tot 20 ml mengsel in de destilleerkolf of reageerbuis.
Laat de opstelling controleren door je leerkracht. Verwarm pas dan met een matige vlam.
Beëindigen van het experiment (ook als er wat onverwachts gebeurt):
Beëindig pas het verwarmen nadat je een verbinding tussen toestelonderdelen hebt verbroken of het
hete toevoerbuisje uit het destillaat hebt genomen. Daardoor vermijd je dat het destillaat terug opgezogen wordt in de destilleerkolf.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 51
9030191117_03_H3.indd 51
04-02-2008 10:06:05
6. Extraheren van krijt en zout met als extractiemiddel water.
Opstelling
2
Werkwijze:
Breng ongeveer een koffielepel zout en krijt (eventueel
fijn gestampt in een mortier É) in een recipiënt. Å of Ç
3
1
Voeg 10 ml tot 50 ml (al naargelang de recipiënt) water
als extractievloeistof toe.
Stop het recipiënt af en schud krachtig.
Filtreer het bekomen heterogene mengsel (zie filtreren).
Uit het filtraat kan je het zout afzonderen via kristalliseren, uitdampen en/of destilleren (zie 3 of 5).
7. Ontkleuren van bruine suiker.
Opstelling
Benodigdheden
Bruine suiker opgelost in water
Adsorptiemiddel: norit, eventueel roet, wit zand of
droge grond
1
2
3
Varianten: rode wijn, cola, fruitsap, slootwater, parfumoplossing
4
Werkwijze:
Breng 5 tot 10 ml mengsel in een recipiënt (reageerbuis of erlenmeyer).
Voeg een schepje adsorptiemiddel toe.
Stop de recipiënt af en schud krachtig.
Filtreer het bekomen heterogene mengsel (zie filtreren).
Vergelijk de kleur, eventuele geur en smaak van het filtraat met het oorspronkelijke mengsel.
Uit het filtraat kan je de suiker afzonderen via kristalliseren, uitdampen en/of destilleren (zie 3 of 5).
8. Chromatografie van alcoholviltstiften.
Opstelling
bovenaanzicht
1
2
Benodigdheden
Å: petrischaal met deksel of Ç: glascilinder of erlenmeyer met stop (met haakje).
Filtreer-/chromatografiepapier
Alcoholstiften
Loopvloeistof (te bevragen bij je leerkracht):
1. ethanol
, 1-butanol
ijsazijn, water; in volumeverhouding : 2 / 2 / 1 / 5
2. ethanol
, 1-butanol
ammoniak (2 mol/l); in volumeverhouding : 3 / 1 / 1
52 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 52
04-02-2008 10:06:07
Werkwijze (algemeen):
Breng op ongeveer 1 cm van het midden van een filtreerpapier symmetrisch kleine stippen aan van
4 verschillende alcoholstiften. Maak uit een ander filtreerpapier een ± 2 cm hoog en 0,5 cm breed
rolletje en steek het in het midden door een gemaakte opening in het filtreerpapier met de kleurstippen.
Breng ongeveer 0,5 cm van een loopvloeistof in de petrischaal.
Plaats het rolletje met bovenaan het filtreerpapier (met de kleurstippen) in de petrischaal Å en sluit
het af met het deksel.
Variante werkwijze:
Breng een kleurstip aan op circa 1 cm van de onderzijde van een lang filtreerpapier en bevestig het met
een haakje aan de stop.
Breng circa 1 cm loopvloeistof in de glascilinder, hang er het papier in zodat het net in de vloeistof reikt
en stop de recipiënt af. Ç
Oefenen en testen
1. Vul volgende tabel in
Scheidingsmethode
Toepasbaar voor:
Steunt op verschil in
Voorbeeld
(2 mengsels )
0. Ziften/zeven
heterogeen mengsel
deeltjesgrootte
zand + knikkers
vast + vast
koren + kaf
1. Adsorberen
2. Chromatograferen
3. Decanteren
4. Destilleren
5. Extraheren
6. Filtreren
7. Kristalliseren
2. Welk mengsel past bij welke scheidingsmethode?
Gegeven de mengsels:
a bloed b aardappelen in kookpot c lavendelbloempjes d modder e petroleum f rode wijn
g zoutwater
Bij een juiste selectie worden alle methoden gebruikt.
Adsorberen
Chromatograferen
Decanteren
Destilleren
Extraheren
Filtreren
Kristalliseren
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 53
9030191117_03_H3.indd 53
04-02-2008 10:06:08
3. Corrigeer de volgende uitspraken:
Vervang hierbij één of meerdere van de onderstreepte gedeelten door een passend alternatief of
schrap ze.
a De keuze van de scheidingsmethode voor een gegeven mengsel steunt op verschillende chemische
eigenschappen van de mengsels.
b Het koffiezetten steunt op de volgende scheidingsmethoden: filtreren, extraheren en ­uitdampen.
c Cafeïnevrije koffie (in een tas) is een homogeen mengsel van een vaste stof en vloeistoffen.
d Bij een destillatie vangt men achtereenvolgens vloeistoffen op met afnemende smeltpunten.
e Een extractiemiddel is een vaste stof die de bestanddelen van een mengsel oplost.
f Bij het ontkleuren van een oplossing van bruine suiker worden achtereenvolgens de volgende
scheidingsmethoden gebruikt adsorberen, filtreren en kristalliseren.
g Heterogene mengsels van vloeistoffen of van een vaste stof en een vloeistof kunnen gescheiden
worden met een scheitrechter.
h Heterogene mengsels als suspensies en emulsies kunnen versneld gescheiden worden door
centrifugeren.
i Kristallen ontstaan door het uitkoken van een vloeistof uit een homogeen mengsel van
vloei­stoffen.
j In de petrochemie wordt benzine via filtratie geraffineerd in verschillende zuivere stoffen.
54 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 54
04-02-2008 10:06:09
4. Stel voor de volgende mengsels een scheidingsschema voor.
Alle bestanddelen moeten afzonderlijk bekomen worden.
Stoffensysteem 4.0 Zand
+ zout
4.2 Zand
+ zout
+ water
+ azijn
+ ethanol
+ olie
extraheren met water
→
Scheidingsschema
4.1 Zand
+ zout
+ water
filtreren
→
zand + zout water
→
→
kristalliseren
zout
SAMENVATTING
Doelen
Je leerde omschrijvingen en mogelijke verschillen geven van de volgende scheidingsmethoden:
– filtratie
– decantatie
– centrifugatie
– kristallisatie
– destillatie
– extractie
– adsorptie
– chromatografie
Je kan hiervan
– modelvoorstellingen tekenen en herkennen;
– drie toepassingen noemen;
– gegeven voorbeelden juist situeren en benoemen;
– aangeven welk(e) soort(en) mengsel(s) hiermee kunnen gescheiden worden;
– aangeven op welk verschil in stofeigenschappen deze techniek steunt;
– een scheidingsschema opstellen om alle bestanddelen uit een eenvoudig gegeven mengsel af
te zonderen.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 55
9030191117_03_H3.indd 55
04-02-2008 10:06:26
Het belangrijkste onthouden!
Mengsel
Scheidingstechniek
Heterogeen
zeven/ziften
filtreren
decanteren
centrifugeren

extraheren
adsorberen
Homogeen

Scheidingstechniek
Zuivere stoffen
+
uitdampen
kristalliseren
destilleren
chromatografie
Steunt op
verschillen in
Heterogeen mengsel
v-v
v-g
×
Homogeen mengsel
vl-v vl-vl vl-g vl-v vl-vl vl-g g-g
×
Zeven/ziften/
uitrapen
deeltjesgrootte
Filtratie
deeltjesgrootte
×
Decantatie/
centrifugatie
dichtheid
×
Chromatografie
oplosbaarheid
adsorbeerbaarheid
Extractie
oplosbaarheid
Adsorbtie
adsorbeerbaarheid
Destillatie
Kristallisatie/
uitdampen
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
kookpunt
×
×
kookpunt /
oplosbaarheid
×
×
×
×
Belangrijke begrippen
adsorptie
centrifugeren
chromatografie
decanteren
destilleren
extraheren
filtreren
kristalliseren/ uitdampen
uitrapen
zeven
ziften
56 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 56
04-02-2008 10:07:08
Leesstukje
Chemische elementen van
Aristoteles tot Lavoisier:
De moeizame weg vanuit alchemie naar moderne chemie
De wordingsgeschiedenis van de chemie kan ruwweg in twee grote perioden worden ingedeeld: de alchemie en de moderne chemie. ‘
Alchemie’ is een woord dat uit twee delen bestaat: ‘al’ een arabisch lidwoord (‘de‘), en ‘chemie’. Over de oorsprong van het woord ‘chemie’
is minder éénduidigheid. Sommigen verwijzen voor de stam ‘chemi’ naar het koptisch, een oude taal gesproken in Egypte, en leggen een
verband met ‘zwart, zwarten, verdonkeren’. De ‘zwarte aarde’ van de vruchtbare Nijlvallei werd om haar vruchtbaarheid als een soort
wonderaarde beschouwd. Anderen verwijzen naar het Oudgriekse woord ‘cheo’, dat verband houdt met ‘gieten, uitgieten, vloeibaar worden’.
Spijtig genoeg heeft de naam ‘alchemie’ een negatieve bijklank gekregen, vermoedelijk door de geheimzinnigheid waarmede de alchemisten
hun beroep uitoefenden. Ze werden dikwijls eerder beschouwd als wonderdoeners en duivelskunstenaars dan als gedreven ambachtslieden en
wetenschappers die de eigenschappen van de stoffen probeerden te ontrafelen en te beheersen.
De geschiedenis van de natuurwetenschappen was aanvankelijk ook geen aaneenschakeling van opzienbarende ontdekkingen! Bovendien
werd het natuurwetenschappelijk denken niet steeds op prijs gesteld door de heersende godsdiensten waardoor het zich dikwijls noodgedwongen ontwikkelde in gesloten, moeilijk toegankelijke genootschappen.
Ongeveer 2500 jaar geleden stelden Griekse denkers, natuurfilosofen, een aantal theorieën op over de oorsprong van alle materie. Deze
wijsgeren bedreven ‘wetenschap’ eerder als een puur geestelijke aangelegenheid. ‘Waarnemingen’ hadden betrekkelijk weinig waarde en
‘experimenteren’ (wat handwerk vereist) was beneden hun waardigheid. Wetenschap bedrijven was vooral ‘redeneren en filosoferen’ en zo tot
conclusies komen.
De welsprekendheid en overtuigingskracht van deze vaak respectabele figuren droeg in hoge mate bij tot hun gezag en het aanvaarden van
hun opvattingen.
– Aanvankelijk dachten natuurfilosofen dat alle materie opgebouwd is uit
één oerstof. (bv. Parmenides en Heraclitus circa 540-480 voor Christus),
zoals water of lucht of vuur.
– Later werden dat vier onveranderlijke fundamenten, de elementen
water, aarde, lucht en vuur (Empedocles, 494-434 voor Christus).
Alle kenmerken van een stof en de veranderingen ervan werden verklaard
met deze vier elementen, bijvoorbeeld door hun mengverhouding.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 57
9030191117_03_H3.indd 57
04-02-2008 10:07:24
– Deze leer van de vier elementen is echter vooral bekend geworden door de Griekse wijsgeer Aristoteles (384-323 voor
Christus), één van de grootste filosofen ooit . Hij kan beschouwd worden als de baanbreker voor de alchemie. Zijn natuurfilosofische opvattingen werden trouwens ook vele eeuwen ondersteund door de katholieke kerk
en de islam. Hij stelde een natuurtheorie voor waarbij hij deze vier elementen primaire en
secundaire kwaliteiten toekende die konden uitgewisseld worden. Hij voegde trouwens ook nog
een vijfde, ietwat geheimzinnig element toe, dat in de loop der eeuwen diverse namen kreeg
zoals: ether, pneuma, quintessence. Ook stelde hij het principe dat alle bestaande dingen in de
natuur, hoe onvolmaakt ook , volmaakt kunnen worden gemaakt, mits de juiste behandeling om
de kwaliteiten aan te passen. Stoffen als ‘goud’ en ‘barnsteen’ werden in de oudheid als
‘volmaakt’ beschouwd. Goud omwille van zijn onaantastbaarheid, barnsteen omwille van zijn
goudkleur en allerlei insluitingen van dierlijke of plantaardige oorsprong.
Element
primaire kwaliteit
secundaire kwaliteit
Vuur
warm
droog
Lucht
vochtig
warm
Water
koud
vochtig
Aarde
droog
koud
In de 1ste eeuw van onze tijdrekening, toen de Romeinen bijna alle landen rond de Middellandse Zee beheersten, lag het
centrum van de wetenschap (dus ook van de alchemie) in de wereldberoemde wetenschappelijke bibliotheek van de stad
Alexandrië, een grote havenstad aan de monding van de Nijl.
In het voetspoor van de Islam tot in Spanje speelden Arabische geleerden een grote rol in de verspreiding van de alchemie naar
West-Europa.
Eeuwen lang had de vier-elemententheorie een grote invloed op de ontwikkeling van de alchemie en ook nu komt ze nog voor
binnen bepaalde esoterische kringen.
Zo berustte het zoeken naar de steen der wijzen, waarmee onedele metalen in goud zouden kunnen omgezet worden, op een
onderdeel van de theorie dat elementen in elkaar omgezet konden worden. Tot het einde van de 18de eeuw bleef deze primitieve
alchemistische visie op chemie grotendeels overeind. Toch waren er ook belangrijke nieuwe invalshoeken, weg van de zoektocht
naar de bereiding van ‘goud’, vooral na de duistere alchemie van de middeleeuwen.
Philippus von Hohenheim (Paracelsus, 1493-1451) is de grote verdediger van het gebruik van ‘chemicaliën’ als geneesmiddel
(iatrochemie) en steunt daartoe op de ‘tria prima theorie’. Dit was het eerste belangrijke alternatief voor de oude vier-elemententheorie. In de stoffen en ook in de levende organismen streven alle stoffen naar een evenwicht tussen drie basiselementen: het
zout, het kwik en de zwavel. Deze elementen zijn best te begrijpen als symbolen voor de vaste stoffen (aarden), de vloeistoffen
(sappen) en de gassen (dampen).
58 | 3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen?
9030191117_03_H3.indd 58
04-02-2008 10:07:35
In 1550 beëindigt Georg Bauer (Agricola, 1494–1555) zijn standaardwerk voor de metaalwinning uit ertsen: ‘De re
metallica’. Daarin wordt de belangrijke rol van de chemie in de toenmalige metallurgie beschreven. Ook hier staat
chemie nu ten dienste van het maatschappelijk welzijn.
In 1661 publiceert Robert Boyle (1627–1691) een belangrijk boek ‘The Sceptical Chymist’ waarin
de oude alchemistische opvattingen voorgoed verlaten worden voor een meer rationele benadering van
de samenstelling en veranderingen van de stoffen.
De natuur is opgebouwd uit kleine, vaste, fysisch ondeelbare deeltjes (cfr. atomen), verenigd in
‘eenheden’ met een bepaalde vorm en specifieke eigenschappen (cfr. moleculen). Deze eenheden
kunnen in elkaar omgezet worden door uitwisseling van deeltjes. Verandering van stofeigenschappen
is ook een gevolg van de verandering in de beweging van de deeltjes.
De stellingen van Robert Boyle zijn het startpunt van de zoektocht naar de aard van de ‘stofdeeltjes’,
d.w.z. de speurtocht naar de chemische elementen! In feite keerde men enigszins terug naar de eerste corpusculaire visie op de materie
voorgesteld door Leukippos (460-370 voor Christus). Het corpusculair karakter van de stof was 2000 jaar min of meer in vergetelheid
geraakt. In zijn model werden atomen ook reeds als onzichtbare, ondeelbare en onvernietigbare deeltjes met een grote variatie
voorgesteld.
De moderne scheikunde begint echter volop bij Antoine Lavoisier (1743-1794).
Lavoisier toonde experimenteel aan dat water en lucht geen hoofdelementen zijn zoals bij het klassieke
Griekse vier-elementenmodel. Water werd ontbonden in waterstof en zuurstof. Lucht was een mengsel van
zuurstof en stikstof. Lavoisier verzamelde ook meetresultaten om te bewijzen dat tijdens een chemische
reactie geen massa verloren gaat. In zijn beroemde boek ‘Traité élémentaire de Chimie (1789)’ definieert
hij ‘chemische elementen’ als ‘substances simples’ waaruit allerlei andere ‘verbindingen’ opgebouwd zijn. In
de natuur komen een beperkt aantal ‘enkelvoudige stoffen’ voor, waaruit alle stoffen kunnen opgebouwd
worden of waarin alle stoffen kunnen ontleed worden.
Op basis van deze kennis beschreef John Dalton (1766-1844) in 1808 in zijn boek ‘A new system of
chemical philosophy’ een nieuw atoommodel waarbij enkelvoudige stoffen uit gelijke en verbindingen
uit verschillende atoomsoorten (chemische elementen) opgebouwd zijn.
3 Hoe kun je uit mengsels zuivere stoffen verkrijgen? | 59
9030191117_03_H3.indd 59
04-02-2008 10:07:46