# Chemie Centraal/Mengsels
## Inleiding

De meeste stoffen die je aantreft, zijn geen zuivere stoffen, maar mengsels.
De mengsels kun je in twee verschillende groepen indelen:
* Heterogene mengsels
* Homogene mengsels
Soms wordt er ook een derde groep gebruikt: de colloïdale mengsels, een tussenvorm tussen homogene en heterogene mengsels.
Heterogene mengsels zijn mengsels waarin je de verschillende stoffen waaruit het mengsel bestaat, kunt onderscheiden. Je ziet hierdoor meteen dat het een mengsel is. Bij heterogene mengsels kun je bijvoorbeeld denken aan de rook van een sigaret; de rook in de lucht bestaat uit vaste stoffen vermengd met de gasvormige lucht. Een ander voorbeeld is sinaasappelsap met vruchtvlees; dit bestaat uit vloeibaar sap vermengd met vaste deeltjes vruchtvlees. Je kunt de stukjes vruchtvlees in het sap zien.
Bij homogene mengsels kun je de verschillende stoffen waaruit het bestaat, niet onderscheiden in het mengsel. Het mengsel ziet eruit alsof het een zuivere stof zou kunnen zijn, maar dat is het niet. Bij homogene mengsels kun je denken aan suikerwater; dit is een mengsel van suiker en water. Je kunt het suikerwater wel zien, maar je ziet de suikerdeeltjes niet in het mengsel - in tegenstelling tot vruchtvlees in sinaasappelsap, dat je wel kunt zien. Een ander voorbeeld is de lucht die we inademen; dit is een mengsel van zuurstof, stikstof, koolstofdioxide en nog andere gassen. Legeringen, mengsels van metalen, zijn ook homogene mengsels. Een voorbeeld van een legering is messing, een mengsel van koper en zink.
Mengsels kunnen met scheikundige technieken gescheiden worden:
* Door filtreren kunnen vaste deeltjes en vloeistof van elkaar worden gescheiden (bijvoorbeeld zand en water);
* Door destilleren kunnen vloeistoffen met verschillende kookpunten van elkaar worden gescheiden (bijvoorbeeld alcohol en water);
* Door indampen kunnen stoffen met zeer verschillende kookpunten worden gescheiden (bijvoorbeeld zout en water);
* Door centrifugeren kunnen stoffen met verschillende dichtheden worden gescheiden;
* Door bezinken kunnen stoffen met verschillende dichtheden worden gescheiden (bijvoorbeeld zand en water);
* Door chromatografie kunnen stoffen met verschillende oplosbaarheden worden gescheiden;
* Door extractie kunnen stoffen met verschillende oplosbaarheden worden gescheiden.
Soms kan met één scheidingsmethode het mengsel worden gescheiden in de zuivere stoffen, bijvoorbeeld bij de filtratie van water met zand. Het kan ook zijn dat het mengsel gescheiden wordt in mengsels. Een voorbeeld hiervan is de filtratie van water met zout en zand en stukjes schelp; het resultaat is twee mengsels: een mengsel van water en zout, en een mengsel van zand en stukjes schelp.

## Aggregatietoestanden

Hiervoor is al gesproken over vaste stoffen, gassen en vloeibare stoffen. De toestand waarin zich een stof bevindt, noemt men 'aggregatietoestand' of 'fase'.
* Een vaste stof
* Een vloeibare stof
* Een gasvormige stof
De aanduiding voor een vaste stof is (s). De s is afkomstig van het Latijnse woord solidus. Hét kenmerk van een vaste stof is dat de moleculen ten opzichte van elkaar een vaste plaats hebben. Ze kunnen wel een beetje trillen of slingeren om een evenwichtsstand, maar niet echt hun plaats verlaten.
De aanduiding voor een vloeibare stof is (l). De l is afkomstig van het Latijnse woord liquidus. Hét kenmerk van een vloeistof is dat moleculen ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. De bewegingsvrijheid is nog niet zo groot dat ze onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.
De aanduiding voor een gasvormige stof is (g). Het woord gas is in de zeventiende eeuw door de Vlaamse alchemist Jan Baptista van Helmont bedacht en afgeleid uit het Griekse woord chaos. Hét kenmerk van de gasfase is dat moleculen in essentie onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.
De drie bovenstaande aggregatietoestanden zijn de belangrijkste en vele stoffen kunnen in all drie aangetroffen worden. En zijn nog andere zoals glazen, rubbers en vloeibare kristallen die minder vaak voorkomen en buiten de stof van deze cursus vallen.

## Mengsels

Er zijn verschillende manieren om mengsels in te delen. Vloeibare mengsels zijn in te delen in oplossingen, emulsies en suspensies. Alle mengsels (dus ook vloeibare) zijn in te delen in homogene mengsels, heterogene mengsels en colloïdale mengsels.

### Soorten vloeibare mengsels

* Oplossing: Een mengsel van een vaste stof, vloeistof of gas in een vloeistof, het oplosmiddel. Een oplossing is altijd helder, dat wil zeggen dat men de opgeloste stof niet als zodanig herkent in het oplosmiddel. Een oplossing is dus een homogeen mengsel. Bijvoorbeeld: suikerwater.
* Emulsie: Twee niet in elkaar oplosbare vloeistoffen die met elkaar vermengd zijn. Zo zijn water en olie niet in elkaar oplosbaar, maar kan er wel een emulsie bestaan als mengsel van druppels water met druppels olie. Door een emulgator toe te voegen, worden de druppels gestabiliseerd en kan de emulsie blijven bestaan. Zonder emulgator zouden de beide vloeistoffen zich van elkaar scheiden. Bijvoorbeeld: mayonaise (olie en water zijn de vloeistoffen, eigeel is de emulgator).
* Suspensie: Een mengsel van een vloeistof en een vaste stof die niet in de vloeistof oplosbaar is. Het mengsel laat zich niet gemakkelijk scheiden. Bijvoorbeeld: verf (vloeistof met vaste pigmenten), boter (suspensie van water en vaste vetten).

### Soorten mengsels

* Heterogeen: Je kan de verschillende samenstellende deeltjes onderscheiden, bijvoorbeeld: fruitsap met pulp, beton;
* Homogeen: Je kan de verschillende deeltjes niet onderscheiden, ze zijn uniform verdeeld in het mengsel, bijvoorbeeld: suikerwater, azijn, messing, lucht;
* Colloïdaal: Een tussenvorm tussen homogeen en heterogeen (afh. van deeltjesgrootte), bijvoorbeeld: melk.
| Aggregatietoestand | Heterogeen | Homogeen | Colloïdaal |
| VAST + VAST | grof mengsel | legering | |
| VAST + VAST | beton | brons (koper + tin) | |
| VAST + VAST | kippengraan | wit goud (goud + palladium) | |
| VAST + VLOEISTOF | meerfasesysteem | oplossingen | |
| VAST + VLOEISTOF | zand in water | suikerwater | |
| VAST + VLOEISTOF | suspensies | zoutoplossing | |
| VAST + VLOEISTOF | fruitsap met pulp | | |
| VLOEISTOF + VLOEISTOF | meerfasesysteem | oplossingen | oplossingen |
| VLOEISTOF + VLOEISTOF | olie drijft op water | azijn | melk |
| VLOEISTOF + VLOEISTOF | emulsies | alcohol + water | |
| VLOEISTOF + VLOEISTOF | vinaigrette | | |
| GAS + VLOEISTOF | Meerfasesysteem | oplossingen | |
| GAS + VLOEISTOF | grote gasbellen in water | zuurstof in water van een vijver | |
| GAS + VLOEISTOF | nevel (meer vloeistof dan gas), schuim (meer gas dan vloeistof) | | |
| GAS + VLOEISTOF | spray uit een deodorant, mist | | |
| VAST + GAS | meerfasesysteem | | |
| VAST + GAS | kaas met gaten | | |
| VAST + GAS | rook | | |
| GAS + GAS | meerfasesysteem | gasmengsel: lucht (zuurstofgas + koolstofdioxide) | |
| GAS + GAS | chloorgas en lucht | |
Voorbeelden van suspensies zijn:
* Verf, een suspensie van pigmenten in water of oplosmiddelen
* Boter, een suspensie van water in vet
* Roomijs, een suspensie van ijskristallen in room
Voorbeelden van oplossingen zijn:
* Zout in water
* Koolstofdioxide in mineraalwater
* Alcohol met water
Voor een oplossing heb je een middel nodig waarin een stof oplost: het oplosmiddel.
Voorbeelden van emulsies zijn:
* Mayonaise, een emulsie van water en azijn in een plantaardige olie
* Gezichtscrème
* Melk
Bij gassen zijn heterogene mengsels niet stabiel. Na verloop van tijd zal altijd een homogeen mengsel ontstaan. Etherdamp die eerst alleen onder in een vat aanwezig is, heeft zich na verloop van tijd in de hele ruimte verdeeld.

## Scheidingsmethoden

Scheidingsmethoden worden naar de gebruikte methode onderscheiden in:
* kristalliseren of uitdampen
* adsorberen
* zeven
* filtreren
* indampen
* destilleren
* extractie
* chromatografie
* centrifugeren/bezinken

### Zeven

Vanuit puur chemisch oogpunt is deze scheidingstechniek niet erg belangrijk. Op het moment dat eigenschappen van mengsels, of het effect van deeltjesgrootte op eigenschappen in beeld komen wordt de techniek wel belangrijk.
Als poeder gebruikt wordt filter dan is de deeltjesgrootte belangrijk. Een zandfilter dat bestaat uit grof zand laat veel meer door dan een zandfilter dat uit fijn zand bestaat.

### Filtratie

De bekendste filtratietechniek is het zetten van thee of koffie. De koffieprut of theeblaadjes blijven op het filter achter. De vloeistof (met de stoffen die de vloeistof tot koffie of thee maken) loopt door het filter heen. Daarnaast is er nog een groot aantal voorbeelden in de techniek bekend. Papier maak je bijvoorbeeld door vezels van hout met water te vermengen en daarna het water eruit te laten lopen, zodat een mooie laag papier wordt gevormd. Deze techniek kan ook opgevat worden als een vorm van filtratie.
Een ander voorbeeld is het filter van een normale stofzuiger, die alle fijne stofdeeltjes uit de ingezogen lucht opneemt en in het filter opslaat.
* vaste en vloeibare stoffen van elkaar te scheiden;
* vaste stoffen uit een gasstroom af te scheiden;
* een zuivere vloeistof af te scheiden van een oplossing (ultrafiltratie).

### Indampen

We maken gebruik van het verschijnsel dat zouten die opgelost zijn in water, bij verwarmen niet verdampen en het water wel. Door het zoute water te verwarmen (eventueel koken), zal het water verdampen en blijft het zout achter.
Bij de winning van zout wordt hiervan gebruikt gemaakt. Het zout dat als steenzout in lagen in de bodem ligt, wordt opgelost en de pekel, water met zout, wordt omhoog gepompt. Vroeger werd het water door koken (zieden, vandaar zoutziederij) weer verdampt. Om brandstof te besparen werd de pekel soms vooraf geconcentreerd door water aan de lucht te laten verdampen. In Duitsland kun je nog zogenaamde "gradierwerke" bekijken, bestaande uit een metershoog vlechtwerk van takken waarlangs de pekel van boven af langs stroomt, zodat de wind zo veel mogelijk water doet verdampen. Niet altijd wordt het water verdampt door koken. Zeezout wordt vaak in afgesloten bekkens, zoutpannen, gewonnen door het zeewater net zolang in het bekken te laten tot alle water verdampt is.
Bij het indampen verlies je wel een van de componenten, het water verdampt in de lucht en is dus weg.

### Destillatie

Of een scheidingsproces destillatie of indampen genoemd wordt zit vooral in de component die we willen zuiveren. Is de niet-vluchtige component (zout) de gezochte stof dan is verwarmen niet zo heel kritisch, dat kan rustig een tijdje duren. Is de vluchtige component de gezochte stof dan moet je stevig verwarmen, zodat tijdens het afkoelen een zo groot mogelijk deel inderdaad in de koeler neerslaat. We kunnen water uit de kraan destilleren. De zouten die in gewoon kraanwater nog aanwezig zijn, zullen bij het koken, niet verdampen. Het water dat wel verdampt en daarna in een waterkoeler condenseert, is dus ontdaan van de zouten en heet dan gedestilleerd water. Gedestilleerd water is zeer zuiver; het wordt bijvoorbeeld gebruikt in de accu van de auto of als water in het laboratorium.
We kunnen ook aardolie destilleren. Aardolie is een mengsel van verschillende stoffen, die verschillende kookpunten hebben. Als je aardolie destilleert, zijn de stoffen met een laag kookpunt de eerste die eruit komen; daaronder bevindt zich benzine. Onder de hoger kokende componenten bevindt zich kerosine, dat gebruikt wordt in vliegtuigen; het zwaarste gedeelte is stookolie.
Ook bekend vanuit de vroegste tijden van de mensheid is het distilleren van alcohol uit bijvoorbeeld wijn. Bij deze destillatie zal bij lagere temperaturen de alcohol het eerst verdampen. Nu gaat bij deze destillatie ook wat water mee en andere voor de smaak belangrijke componenten, zodat je nooit zuivere alcohol zal krijgen. Aan de ene kant blijft een waterig mengsel over, maar aan de andere kant, daar waar de verdampte stof is gecondenseerd, blijft een alcoholrijk mengsel over, bijvoorbeeld brandewijn, zogeheten vanwege de bij de bereiding gebruikte "brand".
In de afbeelding is een eenvoudige destillatie-opstelling te zien. Hierin staan de cijfers voor:
* Warmtebron
* Destillatiekolf Tussen de kolf en de destillatiekop koelt het dampmengsel af. Een deel van de damp zal condenseren en terugvloeien naar de destillatiekolf.
* Destillatiekop Bij de destillatriekop valt de beslissing. Damp die voor dit punt vloeibaar wordt zal teruglopen naar de destillatiekolf, damp die erna condenseert bevindt zich al in de koeler. Dit condensaat zal dus in de opvangkolf terecht komen.
* Thermometer
* Koeler/condensor
* Koeler ingang
* Koeler uitgang
* Opvangkolf
* Uitgang van de vacuümallonge
* Destillatie uitgang
* Warmtetoevoerregeling
* Regeling van snelheid van magneetroerder
* Gecombineerde roerder/warmtebron ???
* Oliebad (eventueel kan een verwarmingsmantel worden gebruikt)
* Kooksteentjes en/of magneetroerder
* Afkoelbad

### Extractie

Extractie is iets dat al lang wordt toegepast door de mensheid. Een van de meest voorkomende extracties is het maken van thee of koffie. Hierbij worden de smaak- en geurstoffen uit de theebladeren of koffiebonen geëxtraheerd.
Extractie kan worden opgedeeld in:
* Vast-vloeistof extractie Het maken van koffie is een typisch voorbeeld van de vast-vloeistof extractie. Dit levert "prutkoffie" die vervolgens nog gefilterd moet worden.
* Vloeistof-vloeistof extractie Het verwijderen van zouten uit olie is een voorbeeld van een vloeistof-vloeistof extractie. Ook tijdens de synthese van organische verbindingen wordt vaak gebruik gemaakt van vloeistof-vloeistof extractie.

#### Vast-vloeistof extractie (solid-liquid extraction, SLE)

Bij vaste stof-vloeistof extractie wordt een mengsel van vaste stoffen gemengd met een vloeistof. Stoffen in het vaste mengsel die goed in de vloeistof oplosbaar zijn worden meegenomen. Het kan natuurlijk ook andersom, de stoffen worden dan uit de vloeistof naar de vaste stof geëxtraheerd. Dat wordt dan Solid Phase extraction (SPE) genoemd, ofwel vaste stof-extractie. Het toepassen van Norit ter bestrijding van voedselvergiftiging is ook een vorm van SPE. In de analytische chemie wordt dit zo toegepast; de vaste stof bevindt zich vaak in een klein buisje (kolommetje) en de vloeistof wordt door dat buisje geleid (gezogen of gedrukt). Vaak worden de in het kolommetje verzamelde stoffen daarna via chromatografische technieken verder geanalyseerd.
Methodes van SLE-extractie in de procesindustrie zijn bezinken, waarbij het verschil wordt gebruikt van opwaartse kracht en zwaartekracht, en centrifugeren op basis van dichtheid van de deeltjes.
Een extractie is een evenwichtsproces. Van groot belang bij extractie is de verdelingscoëfficiënt, dat de verdeling van beide stoffen aangeeft.
Bij kruidenextracties' worden de geur- en smaakstoffen uit kruiden gewonnen door middel van extractie. Voorbeelden hiervan zijn: pepermunt uit de pepermuntplant en kamille uit verschillende planten (waarvan de belangrijkste twee de echte kamille en de roomse kamille zijn).

#### Vloeistof-vloeistof extractie (liquid-liquid extraction, LLE)

Bij dit type van extractie worden twee verschillende vloeistoffen gebruikt, die niet met elkaar mengen. In de regel is dit een waterige fase en een organische fase, meestal een oplosmiddel. Stoffen die in de vloeistoffen aanwezig zijn zullen zich dan verdelen tussen de twee vloeistoffen. De verhouding van hun concentraties wordt dan gelijk aan de verhouding van hun oplosbaarheid in de vloeistoffen.

### Chromatografie

De definitie van chromatografie en extractie verschilt niets. Het verschil zit vooral in de praktische uitvoering. Chromatografie kan theoretisch beschreven worden als een steeds herhaalde extractie. Chromatografie is dus ook een techniek waarmee mengsels van verschillende chemische stoffen gescheiden kunnen worden. De essentie van ieder chromatografiesysteem is een stilstaande (of stationaire) fase waar een bewegende (of mobiele) fase langs stroomt. Wanneer een mengsel aangebracht wordt op de stationaire fase aan het begin van het stromingstraject van mobiele fase, dan worden de stoffen waar het mengsel uit bestaat meegenomen door de mobiele fase. De snelheid waarmee de verschillende stoffen worden meegenomen is afhankelijk van de mate waarin een stof zich hecht aan de stationaire fase respectievelijk de mobiele fase. Een stof die zich sterk hecht aan de stationaire fase zal maar een klein deel van zijn tijd echt bewegen. De stof zal er een hele lange tijd over doen om de afstand langs de stationaire fase af te leggen. Een stof die zich nauwelijks aan de stationaire fase hecht zal een groot deel van zijn tijd onderweg zijn, en dus snel aan het einde van de stationaire zijn. Het verschil in tijd dat de stof onderweg is, is de basis voor de scheiding.
Hiernaast is een voorbeeld afgebeeld waarbij een inkt wordt bekeken. Deze inkt bestaat uit 2 stoffen. Bij de eerste afbeelding zie je de begintoestand. In de tweede afbeelding zijn de twee kleuren uit de inkt al een beetje van elkaar gescheiden. Bij de derde afbeelding zijn de beide stoffen volledig gescheiden.

#### Papierchromatografie

De eenvoudigste vorm van chromatografie is de papierchromatografie. Deze vorm is eigenlijk aan iedereen wel bekend die een inktvlek op een stuk papier heeft doen ontstaan. Vooral vloeipapier of een koffiefilter werkt erg goed. Wanneer een pen een tijdje in contact met het papier gehouden wordt, trekt de inktvloeistof langzamerhand het papier in, maar de kleurstoffen in de inkt reizen niet altijd met dezelfde snelheid mee. Het gevolg is dat er vaak verschillende banden met ieder een eigen kleur ontstaan.
* Proef: Papierchromatografie
* Benodigdheden: koffiefilterpapier, viltstiften in verschillende kleuren, een potje, water, eventueel een papierklem
* Neem een stukje koffiefilterpapier en zet aan de onderrand van het papier verschillende stippen naast elkaar. Zet het papier nu rechtop in het water, zodat de stippen zich net boven de waterlijn bevinden. Het water begint nu omhoog te kruipen, en neemt de kleurstoffen met zich mee. De verschillende componenten van de stiftkleuren worden gescheiden.
* Wat heb ik geleerd: Door de capillaire werking stroomt het water omhoog. Hierbij neemt het de kleurstoffen met zich mee. Doordat elke kleurstof andere eigenschappen heeft, zal dit bij elke kleurstof anders gebeuren. (Dit is omdat elke stof een andere verdeling tussen het water (vloeibare fase) en het papier (vaste fase) nastreeft)

#### Dunnelaagchromatografie

Dunnelaagchromatografie werkt volgens hetzelfde principe als papierchromatografie: een plaatje waarop een stationaire fase is aangebracht wordt in een bodempje vloeistof gezet, de vloeistof wordt opgezogen en het monster wordt meegenomen. Als het monster uit verschillende stoffen bestaat, die ook verschillende hechting aan de fasen laten zien, zullen meerdere fronts zichtbaar zijn.

#### Gaschromatografie (GLC)

Gaschromatografie (Engels: "Gas-liquid chromatography" daarvan: GLC) is, zoals de Engelse naam al aangeeft, gebaseerd op een vloeibare of polymere stationaire fase. De stoffen in het gas verdelen zich tussen de stationaire en de mobiele fase. De stationaire fase heeft een bepaalde aantrekkingskracht op de stoffen in de gasfase (afhankelijk van de polariteit van de stationaire fase en de temperatuur in relatie met het kookpunt van de stoffen), waardoor de ene stof langzamer door de kolom loopt dan een andere. Hierdoor komen verschillende componenten er na verschillende tijden uit. Door de componenten en tijd te meten en te vergelijken met het chromatogram van pure bekende stoffen, kan je de stoffen identificeren. Ook de hoeveelheid stof is door de hoogte van de piek op het chromatogram te bepalen.

#### Hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC)

Hogedrukvloeistofchromatografie, (Engels: "High performance liquid chromatography" of "High pressure liquid chromatography" daarvan: HPLC) is een vergelijkbare techniek als gaschromatografie, alleen daar wordt gewerkt met een vloeibare mobiele fase. Bovendien loopt het onder zeer hoge druk. Gaschromatografie wordt echter gebruikt voor het scheiden van mengsels van vluchtige stoffen zoals (koolwater)stoffen met lage molekuulmassa's. Vloeistofchromatografie wordt gebruikt voor stoffen met een hoog kookpunt (en daardoor gaan ontleden) of stoffen die bij hogere temperaturen instabiel zijn, zoals eiwitten en suikers.

### Centrifugeren/bezinken

Centrifugeren en bezinken zijn scheidingsmethoden die berusten op het verschil in dichtheid tussen verschillende stoffen in emulsie of suspensie.
* Bezinken: Mengsel laten staan tot zich lagen vormen met verschillende dichtheden.
* Centrifugeren: Mengsel laten ronddraaien om het versneld te laten bezinken.
Centrifugeren en bezinken kunnen op dezelfde mengsels worden toegepast. Soms heeft centrifugeren de voorkeur omdat dat sneller is. Centrifugeren wordt gebruikt om rode bloedcellen te scheiden van de rest het bloedplasma (voor medische onderzoeken of voor bloeddonaties). De rode bloedcellen hebben een hogere dichtheid en vormen een laagje onder het plasma. Bezinken werd vroeger gebruikt om room van melk te scheiden: room heeft een lagere dichtheid dan melk en komt boven drijven. Het spontaan ontmengen van verf als deze lang staat, is ook bezinken: de vaste pigmentdeeltjes zakken omlaag en de vloeistof, die een lagere dichtheid heeft, komt naar boven.

## Resultaat van de scheiding

De zin van het scheiden van mengsels is het verkrijgen van een zuivere stof, waarover meer in het volgende hoofdstuk.