SKBANV13-praktijk: Anorganisch chemische experimenten.
Inhoud
Er staan voor iedere student drie proeven op het programma:
a. Synthese van een d-blok metaalcomplex.
Voorbeelden: hexaamminechroom(III)nitraat, pentaammineaquakobalt(III)chloride.
Bij deze experimenten zijn gewoonlijk speciale maatregelen nodig om gecontroleerd te komen tot de gewenste complexsamenstelling. In dit type experimenten wordt soms gewerkt met lastig hanteerbare stoffen als pyridine en vloeibare ammoniak. Een vergelijking van alternatieven kan in een aantal gevallen leiden tot meerdere uitvoeringsvormen.
b. Synthese van CdSe quantum dots.
Bij deze synthese worden de eigenschappen van het product niet alleen bepaald door de chemische samenstelling, maar ook door de grootte van de deeltjes. Onderzocht wordt hoe de eigenschappen afhangen van de experimentele benadering.
c. Synthese van een metal organic framework (MOF).
Bij dit experiment wordt eerst de synthese van een metaalorganisch netwerk uitgevoerd waarmee aansluitend de zuivering van vies water onderzocht wordt. Hoewel in koppels gewerkt wordt, doet iedere student zijn eigen synthese van een Zeolitic imidazolate framework (ZIF) waarvoor als metal ion of Zn2+ (ZIF-8) of Co2+ (ZIF-67) gebruikt wordt. Daarna worden de eigenschappen van het product bepaald, voordat aan de hand van de adsorptie van kleurstof moleculen een toepassing als zuiveringsmiddel van water getest wordt.
Bij de experimenten wordt veel nadruk gelegd op het veilig en gecontroleerd leren omgaan met giftige, kankerverwekkende en stinkende stoffen. De reactieproducten worden doorgaans gekarakteriseerd met infrarood- en/of UV-Vis- en fluorescentiespectroscopie. Maar ook een nieuwe analysetechniek, powder x-ray diffraction (PXRD), zal aan bod komen.
Werkwijze
De begeleiding vindt plaats door “assistenten” (vaste stafleden, aio’s of masterstudenten), waarbij er 1 assistent is op een groep van ca. 8 studenten. Doorgaans hebben deze assistenten synthese-ervaring opgedaan bij hun eigen chemisch onderzoek. De indeling van experimenten en assistenten wordt op een planbord aangegeven en is tevens via de practicumwebsite te bekijken (http://practicum.chem.uu.nl).
A1: Overgangsmetaalcomplexen
Je krijgt de opdracht om twee complexen te synthetiseren. Soms maak je twee verbindingen uit één reactiemengsel, en soms maak je eerst de ene verbinding die dan weer de uitgangsstof is voor de tweede verbinding. Dit wordt aangegeven bij de opdracht. Iedere student uit een groep krijgt een andere opdracht. De assistent verdeelt de opdrachten.
Je krijgt de voorschriften zoals ze in de literatuur [1,2] staan. Het is aan jou om dit voorschrift uit te werken en aan te passen (doe dit in je labjournaal) voor de synthese van 10 g product. Van iedere handeling moet duidelijk zijn hoe en waarom deze wordt uitgevoerd. Uiteindelijk moet dit een stapsgewijs werkplan opleveren (in je labjournaal), en dit moet worden besproken met en goedgekeurd door je assistent. Een kopie van het goedgekeurde werkplan wordt op de zuurkast gehangen.
Soms krijg je meerdere voorschriften. Maak hier zelf een gemotiveerde keuze en bespreek deze eerst met je assistent voordat je aan het werkplan begint.
Voordat je gaat voorbespreken dien je de volgende informatie paraat te hebben:
1) Stofgegevens van uitgangsstoffen en te bereiden producten. Denk hierbij aan molmassa, kleuren, veiligheidsgegevens, structuren en spectra.
2) De officiële namen van de complexen die je gaat maken.
3) Kloppende reactievergelijking voor elke reactiestap. Zijn er nevenreacties? Wat is het oxidatie getal van het metaal in alle complexen?
4) Je moet kunnen verklaren wat de functie is van alle stoffen die je gebruikt.
5) Je moet kunnen uitleggen waarom verschillende stappen worden uitgevoerd zoals ze in het voorschrift staan.
6) Hoe ga je de producten karakteriseren?
[1] G. Schlessinger, Inorganic Laboratory Preparations, Chemical Publishing Company, New York (1962).
[2] R.J. Angelici, Synthesis and Technique in Inorganic Chemistry, University Science Books, Mill Valley, Cal, Second edition (1986).
A2: CdSe quantum dots
Bij dit experiment is niet zozeer de chemische samenstelling van het product van belang, als wel de grootte van de deeltjes die bereid worden. De synthese wijkt verder af in de zin dat het reactieproduct niet in zuivere toestand wordt geïsoleerd. Daarnaast wordt gekeken hoe de eigenschappen van het product, zoals vastgesteld met UV-Vis en fluorescentiespectroscopie, afhangen van de reactieomstandigheden. De uitvoering is bij dit experiment voor iedereen nagenoeg hetzelfde.
Aandachtspunten
• Iedere student werkt individueel.
• Alle werkzaamheden, inclusief het spoelen van gebruikt glaswerk, worden uitsluitend in een zuurkast verricht!
• Het uitvoerig en compleet bijhouden van een laboratoriumjournaal, volgens standaard model, is verplicht. In het laboratoriumjournaal dient voor elke proef ook een lijst te worden opgenomen met de te gebruiken stoffen, de gevaren van deze stoffen en de te nemen veiligheidsmaatregelen (vooraf en bij eventuele ongelukken).
• De student dient zelf voor een labjournaal te zorgen. Omdat nakijken van het eerste experiment enige tijd in beslag zal nemen, is het raadzaam twee labjournaals paraat te hebben.
• N.B. Het labjournaal mag niet mee naar huis meegenomen worden, maar blijft na afloop op de zaal, opdat de assistent dit kan bekijken. In overleg kan hiervan afgeweken worden.
• Bij de synthese van de CdSe quantum dots moet op de ruit van de zuurkast waarin de proef wordt gedaan een door de assistent geparafeerde puntsgewijs opgesteld voorschrift worden aangebracht.
• Tijdens de uitvoering moeten de al verrichte handelingen op dit puntsgewijze voorschrift worden afgevinkt. In dat geval kunnen anderen bij calamiteiten direct mogelijke risico’s en gevolgen inschatten.
A3: Synthese en toepassing van ZIF-8 en ZIF-67
Iedere student synthetiseert een MOF (ZIF-8 of ZIF-67). Vervolgens worden de water zuiverende eigenschappen van de MOFs bestudeerd aan de hand van de absorptie van kleurstof moleculen. Dit wordt gemeten met een UV-Vis spectrometer. Studenten met de ene MOF vormen een koppel met een student die de andere MOF heeft gesynthetiseerd, zodat de eigenschappen van de twee MOFs vergeleken kunnen worden.
Aandachtspunten
• Iedere student werkt individueel en doet dus een eigen synthese en analyse,
• Maar binnen ieder koppel worden de eigenschappen van de 2 verschillende gesynthetiseerde MOFs vergeleken.
• Analyse van de monsters met MOF en kleurstof zal op verschillende tijdspunten verspreidt over 2 dagen plaatsvinden. Dit vergt goede planning en flexibele omgang met de (beperkt) beschikbare apparatuur.
• Om een accurate indruk te geven van de situatie op het gekozen tijdspunt mag de reactie tussen MOF en kleurstof niet verder verlopen tijdens eventuele wachttijd voor de UV-Vis apparatuur beschikbaar is. De reactie moet dus gestopt worden.
Rapportage
Over één (in het algemeen is dit het eerste) experiment wordt een verslag geschreven. Deze experimenten worden door de practicumleiding vastgesteld, en staan op het planbord vermeld. Het cijfer voor het verslag telt voor 50 % mee in het eindcijfer van het experiment waartoe het behoort en moet ten minste 5.0 bedragen.
Verslagen bevatten een samenvatting, inleiding, theorie, een gedetailleerde beschrijving van de uitvoering, resultaten, en een discussie daarover. Vaak is het handig om resultaten en discussie samen te voegen. Het labjournaal wordt bij het betreffende verslag ingeleverd. De vorm van het verslag is conform die aangegeven in het dictaat ‘Rapporteren tijdens de Scheikundestudie’ (zie de 1e-jaarspracticumhandleiding of de practicumwebsite).
Over de andere experimenten wordt gerapporteerd d.m.v. het labjournaal. Dit moet daarom alle relevante informatie bevatten, op een goed voor de assistent te volgen wijze, eveneens conform het bovengenoemde dictaat. Spectra etc. worden in de tekst opgenomen of als bijlage bij het verslag meegeleverd. Let op: deze figuren moeten duidelijk leesbaar zijn. Foto’s van spectra worden daarom niet geaccepteerd; maak een kopie of scan van voldoende resolutie.
Als verslagen elektronisch ingeleverd worden (overleg dit met de assistent) dan gebeurt dat zowel in pdf als MS-Word format. Het eerste geldt als de ingeleverde versie, het tweede wordt gebruikt om opmerkingen bij het verslag te plaatsen.
De inlevertermijn van een verslag is aangegeven op het rooster.
Labjournaals worden direct na afloop van het experiment ingeleverd. De student is ervoor verantwoordelijk dat het labjournaal in de juiste handen komt.
Bij overschrijden van de inlevertermijn wordt een punt per dag afgetrokken van het cijfer van het labjournaal of verslag. Eventueel kan de practicumleiding verder experimenteel werk opschorten.
Bij niet-Nederlandstalige assistenten zal het verslag in het Engels opgesteld worden. Als dit bezwaarlijk gevonden wordt, word je verzocht dat vooraf te melden.
Beoordeling
Voor elk experiment wordt een (elektronische) beoordelingskaart bijgehouden. Hierin worden door de assistent de voor de beoordeling relevante gegevens genoteerd.
Beoordeeld worden de voorbereiding, de uitvoering, de uitwerking en de rapportage.
Het gehele practicum wordt met een voldoende afgesloten wanneer cijfers voor de afzonderlijke experimenten tenminste 5.0 bedragen en het gemiddelde eindcijfer 5.6 of hoger is. Als dat niet het geval is, dan stelt de practicumleiding vast welk aanvullend of vervangend werk verricht moet worden om alsnog een voldoende beoordeling te verkrijgen.
Beoordelingskaarten zijn slechts door de student zelf, de assistent en de practicumleiding in te zien.
Verdere informatie
1. Aan iedere student wordt per synthese-experiment een werkplek toegewezen.
2. De practicumtijd moet ten volle benut worden; eventuele afwezigheid moet gemeld worden bij de practicumleiding. INDIEN JE WEET DAT
• JE AFWEZIG ZAL ZIJN (bv. ziekte of familieomstandigheden)
• TE LAAT DENKT TE KOMEN (bv. als de brug open staat)
DIEN JE DIT VOORAF TE MELDEN BIJ DE PRACTICUMLEIDING,
ABSENTIE MELDEN VIA WHATSAPP (zie practicum website voor instructies hoe)
3. De practicumzalen (KGB 6.14 / 6.16) zijn geopend van 9.00 tot 17.00 uur. Het is niet mogelijk buiten deze tijden enig werk op de zaal te verrichten; houd daarmee rekening bij de planning van experimenten.
4. In het belang van de eigen veiligheid en die van anderen moet iedere deelnemer aan het practicum van de veiligheidsvoorschriften op de hoogte zijn. Deze zijn in deze handleiding als appendix opgenomen.
5. Iedere student en assistent wordt geacht deze bestudeerd te hebben en in praktijk te brengen.
Het dragen van een bril is op dit practicum verplicht,
op straffe van verwijdering van de zaal!
Een onderscheid met het eerstejaars practicum is dat nu wel met een aantal van de op dat practicum “verboden” gevaarlijke chemicaliën gewerkt moet worden (bijvoorbeeld met metallisch natrium of pyridine). Van a.s. chemici moet immers worden verwacht dat ze hier veilig mee om kunnen gaan. Een ander verschil met het eerstejaars practicum, en met bijvoorbeeld de analytische practica, is dat alle werkzaamheden (ook spoelen) volledig in een zuurkast moeten worden uitgevoerd.
Veiligheid is overigens méér dan het schools naleven van veiligheidsregels.
Het gaat om een houding!
Zie ook het onderstaande zaalreglement.
Zaalreglement
Het is van het grootste belang dat men zich steeds realiseert dat "het praktisch bezig zijn" risico's met zich meebrengt. Hoewel met name door de practicumleiding en de assistentie al het mogelijke wordt gedaan deze risico's te minimaliseren blijft voor de studenten de eigen houding de belangrijkste factor i.v.m. veiligheid.
Elke student draagt in deze dan ook een eigen verantwoordelijkheid. Ook de Arbowetgeving gaat van dit principe uit. De volgende regels gelden expliciet.
1. De zuurkasten dienen voor, tijdens en na gebruik schoon en droog te zijn.
Let op het juiste gebruik: de ramen moeten zoveel mogelijk gesloten zijn, en nooit verder geopend staan dan de aangegeven maximale werkhoogte.
Iedere student moet de eigen werkplek op orde houden.
2. Los glaswerk dient te worden opgeborgen in de daarvoor bestemde bergruimte. Chemicaliën mogen niet onder de zuurkast worden opgeslagen, maar moeten in de zuurkast worden bewaard, voorzien van een (geel) formulier met de daarop gewenste informatie.
Op de tafels mogen geen glaswerk of chemicaliën worden geplaatst.
3. Met de praktische uitvoering van een experiment mag niet worden begonnen dan na toestemming van de assistent. Op de zaal mogen geen experimenten worden uitgevoerd als niet tenminste één assistent aanwezig is.
De gebouwde opstelling moet vooraf door de assistent worden gecontroleerd en goedgekeurd.
De uitvoering van elke experiment moet plaatsvinden overeenkomstig het goedgekeurde en geparafeerde voorschrift. Dit document wordt duidelijk zichtbaar op de zuurkast aangebracht. Op het document moet ook duidelijk staan aangegeven welk experiment wordt uitgevoerd.
4. Gebouwde opstellingen mogen 's avonds in de zuurkasten blijven staan mits daarvoor toestemming is verleend door de zaalassistent of de practicumleiding, blijkens een bij de opstelling aanwezig en door de zaalassistent of de practicumleiding ondertekend (geel) formulier.
Alleen bij hoge uitzondering, en met toestemming van de practicumleiding mag ‘werkende’ apparatuur ‘s nachts worden aangelaten (rustig roeren, stikstof doorborrelen etc.).
5. Indien (elektrische) apparatuur in de zuurkast is geplaatst, dan dient men te waken voor aantasting van de apparatuur door schadelijke stoffen (vocht, gassen, etc.).
Daarnaast moet het gevaar van het ontstaan van brand door elektrische vonken niet vergeten worden. Zo nodig worden bijzondere maatregelen genomen.
Na gebruik dient alle apparatuur gecontroleerd en zo nodig schoon gemaakt te worden alvorens deze in de daartoe bestemde kasten wordt opgeborgen.
6. Vacuümpompen mogen alleen gebruikt worden, indien er een terugslagvat en zo nodig een gasval is voorgeschakeld (om schadelijke stoffen te weren). De nakoeler moet aangezet worden.
De pompen moeten na gebruik nog ca. 5 minuten aanblijven om schone lucht door te zuigen.
7. Chemicaliëngebruik dient zuinig te zijn. Bij ieder experiment moet de schaal waarop dit wordt uitgevoerd mede hierop worden bekeken.
Er mogen uit het magazijn geen grotere hoeveelheden chemicaliën worden gehaald dan nodig zijn voor het betreffende experiment.
Chemicaliën worden door het magazijnpersoneel slechts verstrekt na afgifte van een door de assistent ondertekende bestelbon. De student moet aan de hand van het etiket op de pot controleren of hem / haar de juiste stoffen worden verstrekt.
Het vervoer van het magazijn naar de zaal dient veilig te geschieden. Sommige zeer gevaarlijke chemicaliën worden niet door de studenten over de gang vervoerd, maar zijn op de zaal voorradig.
Het is niet toegestaan om chemicaliën te vervoeren of te bewaren zonder dat op het potje vermeld staat wat er in zit.
8. Afval dient overeenkomstig de universitaire indeling in de afvalvaten gedeponeerd te worden.
Op het vat dient genoteerd te worden wat hierin gebracht is. Is een afvalvat bijna vol, dan wordt een laboratorium-medewerker gewaarschuwd; die zal zorgen voor afvoer van het volle afvalvat en plaatsing van een nieuw afvalvat.
Let op: bij de experiment CdSe quantum dots worden aparte afvalvaten voor het cadmiumhoudende afval gebruikt.
9. Lozen op het riool is alleen bij hoge uitzondering toegestaan! Zie het speciale blad daarover, waarvan hierna een kopie is afgedrukt!! Op dit practicum kan ervan uitgegaan worden dat vrijwel niets op het riool mag worden geloosd. Vooral bij het spoelen van glaswerk moet hier op gelet worden. De spoelvloeistof is gewoonlijk nog zo vervuild dat het in een afvalvat overgebracht moet worden.
10. De balansen dienen na gebruik schoon en droog achter gelaten te worden. Kwalijk riekende of giftige stoffen moeten op een balans in een zuurkast worden afgewogen (zo nodig zelf een balans erin zetten).
11. Defecte apparatuur moet schoon ingeleverd worden bij Sanne Kers; waarbij je haar vertelt wat er (vermoedelijk) aan de hand is.
Literatuur Anorganische synthese.
A. Vooronderzoek: Synthesemethoden en stofeigenschappen
Ga eerst na of de te synthetiseren stof te vinden is in algemene naslagwerken als “Handbook of Chemistry and Physics” en “Merck Index”. In het Handbook staan veel fysische constanten, in de Merck Index staan eigenschappen en toepassingen, soms worden er ook verwijzingen naar synthesemethoden vermeld. In deze boeken staan ook vaak literatuurverwijzingen. Een aantal van deze naslagwerken is ook elektronisch raadpleegbaar.
Een volgende stap zou kunnen zijn het raadplegen van het “Römpps Lexikon” en van de Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. Hierin worden voor zeer veel stoffen beschrijvingen en toepassingen vermeld; daarnaast staan er ook weer veel verwijzingen naar syntheseliteratuur in. Overzichten van synthesemethoden voor anorganische verbindingen zijn in een aantal seriewerken te vinden, bijvoorbeeld:
a. “Gmelin” b. “Pascal” c. “Mellor’s”
De 3 genoemde handboeken en nog twee daar vlakbij staande werken bevatten zowel verwijzingen naar oorspronkelijke research artikelen, als naar gerenommeerde syntheseboeken. De indeling is per element.
B. Voorschriften.
Een aantal boeken met synthesevoorschriften bevindt zich in de bibliotheek. De meeste van deze boeken zijn ook op het practicum aanwezig. Belangrijke auteurs zijn bijvoorbeeld: Brauer, Vanino, Hecht, Grubitsch, Palmer, Dawson, Walton, Jolly, Pass en Sutcliffe, Marr en Rockett, Riesenfeld, Angelici, Schenck, Bell, Schlessinger, Kolditz (“Anorganikum”). Een belangrijke reeks syntheseboeken is: “Inorganic Syntheses”. Deze reeks is (deels) als e-book beschikbaar via de universiteitsbibliotheek.
C. Theorie, Structuren, Tabellen, Spectra etc..
Een aantal leerboeken op het gebied van de anorganische chemie is in de bibliotheek geplaatst. Belangrijke auteurs zijn bijvoorbeeld: Shriver et al., Cotton en Wilkinson, Mackay en Mackay, Lee, Porterfield.
Speciale theoretische onderwerpen en boeken met tabellen, diagrammen, spectra zijn o.a.:
• D. Dobos: “Electrochemical Data” .
• G. Milazzo, S. Caroli: “Tables of Standard Electrode Potentials” .
• Wyckoff: “The structures of crystals, inorganic”: seriewerk .
• O. Knacke et al.: “Thermochemical properties of Inorganic Substances” .
• K. Nakamoto: “Infrared spectra of inorganic and coordination compounds” (in kamer 6.18 van M.S.).
• R.A. Nyquist, R.O. Kagel: “Infrared Spectra of Inorganic compounds” (in kamer 6.18 van M.S.).
• N.N. Greenwoodet al.: references of vibrational spectra, inorganic.
D. Veiligheid.
Hier noemen we de boeken die nog van voorgaande practica bekend zullen zijn:
• Chemiekaartenboek, een recente editie (o. a. op de practicumzalen)
• Sax’s Dangerous properties of industrial materials (zowel in de bibliotheek als bij Meten en Maken I)
• MSDS sheets: op Internet, site: o.a. www.chem.utah.edu/MSDS/msds.html, CHEMGOLD of GROS.
