` HOOFDSTUK 3: Hoe kunnen we een mengsel van stoffen scheiden?

Hoe kunnen we een mengsel van stoffen scheiden?

LEERDOELEN

Je kunt al:

Lmengsels onderscheiden van zuivere stoffen;

Lmengsels onderverdelen in heterogeen/homogeen;

Leen verdere onderverdeling maken binnen de homogene en heterogene mengsels.

Je leert nu:

Lvoor een mengsel een geschikte scheidingstechniek voorstellen;

Lvoor de geschikte scheidingstechniek verklaren op welke eigenschap de scheiding gebaseerd is;

Luitleggen wat een scheidingstechniek is;

Lde principes zeven, filtreren, decanteren, centrifugeren, indampen, extraheren en destilleren beschrijven;

Leen geschikte scheidingstechniek kiezen om twee stoffen van elkaar te scheiden.

59THEMA 02 HOOFDSTUK 3 Elk soort mengsel heeft een eigen scheidingstechniek. Als je thuis pasta hebt gekookt en die afgiet door een vergiet, dan ben je aan het scheiden: via het vergiet scheid je de pasta van het water. Scheiden is het tegenovergestelde van mengen. De methodes die we gebruiken om mengsels te scheiden in hun afzonderlijke componenten steunen op verschillen in stofeigenschappen. We gaan dieper in op enkele scheidingstechnieken: sorteren, zeven, filtreren, decanteren, centrifugeren, indampen, destilleren en extraheren. Uiteraard bestaan er nog meer scheidingstechnieken, die mogelijk tijdens een ander labo met je leerkracht verder aan bod komen. Het vak dat je nu volgt is chemie, of in een oudere benaming: scheikunde. Dat betekent letterlijk: ‘de kunst om te scheiden’. De leerstof voor dit vak omvat uiteraard veel meer, maar we beginnen met inzoomen op het scheiden. We bekijken welke scheidingstechnieken er zijn, waarop ze gebaseerd zijn en wanneer je ze kunt toepassen. 3.1. Scheidingstechnieken ©VAN IN

Voer het labo rond scheidingstechnieken uit. Je vindt het op p. 223.

3.2 Sorteren, zeven en filtreren

Even terug naar je prille jeugdjaren! Je hebt als kind misschien wel met zand en water gespeeld. Zonder dat je het besefte, was je als toekomstig scheikundige mengsels aan het scheiden op het strand. Je gebruikte eenvoudige methodes die de stoffen niet veranderden.

Allereerst liet je het emmertje even staan; op die manier zonken het zand en de schelpen naar de bodem en kon je het water al grotendeels afgieten. Je liet het zand en de schelpen dus bezinken. De schelpjes uit het zand halen kon je met je handen. Je kon ze opzij leggen en sorteren per soort, door het verschillend uitzicht. De schelpjes waren ook merkelijk groter dan de rest en je maakte gebruik van dat verschil in deeltjesgrootte om ze er makkelijk uit te pikken.

Maar eens je alle schelpjes eruit gehaald had, merkte je ongetwijfeld dat er nog onzuiverheden in het zand zaten. Omdat het verschil in deeltjesgrootte tussen de componenten van je mengsel nu kleiner was, was het niet meer zo eenvoudig om die kleine dingetjes met de hand van het zand te scheiden. Je speelgoedsetje zorgde waarschijnlijk voor de oplossing: door het mengsel te zeven was je in staat om uiteindelijk zand in je emmertje te verkrijgen.

Zeven is een eenvoudige techniek om een heterogeen mengsel te scheiden. Die techniek steunt op een verschil in deeltjesgrootte tussen de twee componenten. De grotere korrels kunnen niet door de zeef, maar de kleinere component(en) wel.

Meer weten over grote zeven in de industrie? Bekijk dan de video.

BEKIJK DE VIDEO WEETJE ©VAN IN

In de lessen aardrijkskunde heb je het vast al gehad over verschillende soorten bodems: kleibodems, zandbodems, leembodems, of een combinatie daarvan. Om de bodemsamenstelling te bepalen, maakt een bodemkundige onder andere gebruik van een set zeven met een verschillende zeefopening. Zo zijn kleikorrels kleiner dan 2 µm, leem zit tussen 2 en 50 µm en zandkorrels zijn groter dan 50 µm.

In veel gevallen moeten we echter componenten scheiden met een nog veel kleiner verschil in deeltjesgrootte. We kiezen dan voor de techniek van filtreren. Een goed gekozen filter heeft net de juiste structuur om de ene component, het filtraat, wel door te laten en de andere component, het residu, tegen te houden.

Filtreren of filtratie is een eenvoudige scheidingstechniek om een heterogeen mengsel te scheiden. Die techniek steunt op het verschil in deeltjesgrootte: vaste korrels zijn immers groter dan vloeistof- of gasdeeltjes. De vaste korrels kunnen niet door de poriën van de filter, maar de vloeistof of het gas wel. De vaste deeltjes die achterblijven, worden het residu genoemd. Wat door de filter gaat, is het filtraat.

mengsel van een vaste stof en een vloeistof

staaf

61THEMA 02 HOOFDSTUK 3 filtreerpapier trechter residu filtraat Afb. 15 Filtreren ©VAN IN

Filtreren met mondmaskers (vl-g) Filtreren of filteren gebeurt met vaste stoffen en vloeistoffen, maar ook met gassen. Denk maar aan het dragen van mondmaskers om vochtdeeltjes die mogelijke virussen meedragen, te scheiden van de ingeademde lucht. Tegen het zeer besmettelijke coronavirus beschermden mensen overal ter wereld zich met een dergelijk ‘filtermasker’.

Ook het regelmatig reinigen van bv. de filters in je huis (dampkap, droogkast, ventilatiesysteem ...) is uiteraard erg belangrijk; zo blijven de filters hun werk doen en ongewenste deeltjes scheiden van de rest.

Meer weten over filtratie in de industrie? Bekijk dan de video.

Afb. 16

VOORFILTER KOOLSTOFFILTER HEPA-FILTER

BEKIJK DE VIDEO ©VAN IN

3.3 Decanteren

Afb. 17 Decanteren van wijn

Tijdens een filtratie bekom je zowel de vloeistof als de vaste stof uit het heterogene mengsel. Een variant daarop is het decanteren (of afschenken). Bij die techniek gebruik je geen filter. Door de vloeistof voorzichtig af te gieten, worden beide fasen van elkaar gescheiden. Dat er twee (of meer) lagen gevormd worden, die je van elkaar kunt scheiden door af te gieten, komt door het verschil in massadichtheid van de componenten.

De afzonderlijke componenten (of fasen) zullen niet even zuiver zijn als bij een filtratie, maar misschien volstaat het resultaat wel voor jou. Een extra filtratie achteraf is nog altijd een mogelijkheid.

Misschien heb je al van deze techniek gehoord bij het schenken van rode wijn? De vaste deeltjes zinken naar de bodem en door de wijn voorzichtig te schenken (decanteren) blijven de vaste deeltjes achter in de wijnfles.

Decanteren is een scheidingstechniek om een heterogeen mengsel (vast-vloeibaar of vloeibaar-vloeibaar) te scheiden. De techniek steunt op het feit dat elke stof zijn eigen massadichtheid heeft en daardoor afzonderlijke lagen zal vormen (eventueel na verloop van tijd). Die lagen kunnen, min of meer, van elkaar gescheiden worden door het afgieten van de bovenste laag.

63THEMA 02 HOOFDSTUK 3 Wanneer men twee vloeistoffen met een verschillende massadichtheid van elkaar wil scheiden (in een heterogeen mengsel), maakt men gebruik van een scheitrechter. Door tijdig het kraantje te sluiten na het doorlopen van een van de vloeistoffen van het heterogene mengsel, kun je betere resultaten verkrijgen dan door gewoon afgieten of decanteren. Wil je weten hoe dat werkt? Bekijk dan de video. BEKIJK DE VIDEO WEETJE Afb. 18 Decanteren met een scheitrechter©VAN IN

3.4 Centrifugeren

Decanteren hangt onder andere af van de handigheid van de gebruiker (snel genoeg de kraan van de scheitrechter dichtdraaien, de fles rode wijn niet te snel uitgieten en onder de juiste hoek ...). Maar ook het geduld van de wetenschapper wordt soms op de proef gesteld: je mengsel moet immers lang genoeg in rust blijven om voldoende scheiding van de verschillende componenten te krijgen. De zwaartekracht moet zijn werk kunnen doen.

Het is daarom soms interessant om de scheiding van de componenten te versnellen. We helpen de zwaartekracht dan een beetje door het mengsel snelle cirkelvormige bewegingen te laten maken. Bij een slazwierder scheiden we zo de sla van het waswater. Ook de droogkast bij je thuis gaat de inhoud van de machine zeer snel ronddraaien, zodat het linnen wordt gedroogd doordat het water uit je kleren wordt gezwierd.

Die speciale techniek om componenten te scheiden op basis van massadichtheid noemen we centrifugeren. De deeltjes met de grootste massadichtheid worden bij de draaibeweging tegen de buitenwand geduwd. Met speciale apparaten, centrifuges, kan men zo in een labo componenten met een gering verschil in dichtheid scheiden. Die techniek wordt onder andere gebruikt om bloedcellen en bloedplasma van elkaar te scheiden.

Wil je meer weten over centrifugatie de industrie? Bekijk dan de video.

plasma

WEETJE

BEKIJK DE VIDEO

Centrifugeren of centrifugatie is een scheidingstechniek om een heterogeen mengsel (vast-vloeibaar of vloeibaar-vloeibaar) te scheiden in verschillende componenten (net zoals decanteren). Ze steunt op het feit dat elke stof zijn eigen massadichtheid heeft en er daardoor afzonderlijke lagen gevormd zullen worden. Met behulp van machines (die het effect van de zwaartekracht versterken)zullen die lagen beter en sneller van elkaar gescheiden kunnen worden dan via decanteren alleen.

Afb. 20 De componenten van bloed na centrifuge

rode bloedcellen bloedplaatjes + witte bloedcellen Afb. 19 Centrifugeren van bloed ©VAN IN

3.5 Indampen

Afb. 21 Opwarmen van zoutoplossing

Het is mogelijk dat je door filtreren of decanteren een helder filtraat bekomt. Hoewel het lijkt alsof dat een zuivere stof is, kan dat filtraat nog steeds andere opgeloste stoffen bevatten. Het filtraat kan immers zelf nog een oplossing zijn (= homogeen mengsel van een vaste en vloeibare fase of twee vloeibare fasen). Als de opgeloste stof en het oplosmiddel een voldoende groot verschil in kookpunt hebben, is dat echter geen probleem. Door op te warmen tot de temperatuur van de fase met het laagste kookpunt (‘de meest vluchtige stof’), kun je beide fasen van elkaar scheiden. Zo verdampt water veel sneller dan keukenzout. Door een het zout op te warmen tot 100 °C, zal enkel het water verdampen en het zout (als kristallen) achterblijven. Op die manier kunnen oplossingen dus ook gescheiden worden in de opgeloste stof en het oplosmiddel.

De techniek van indampen wordt onder meer gebruikt voor het scheiden van zout uit zeewater. Daardoor ontstaan de bekende zoutbanken, die je vaak ziet in de Vendée-streek aan de Franse kust, of in Bolivia.

Wil je de indamping van zout (NaCl) zien gebeuren onder een microscoop? Bekijk dan de video.

WEETJE

65THEMA 02 HOOFDSTUK 3 BEKIJK DE VIDEO Indampen is een scheidingstechniek die gebruikt wordt om een homogeen mengsel (vast-vloeistof of vloeistof-vloeistof) te scheiden. Door het opwarmen van het mengsel en het verschil in kookpunt, verdampt de vloeistof (met het laagste kookpunt) en blijven enkel de vaste deeltjes of de vloeistof met het hogere kookpunt over. ©VAN IN

3.6 Destilleren

OPDRACHT 18 DEMO De techniek van indampen maakt gebruik van het verschil in kookpunt tussen de componenten om een oplossing te scheiden. De ene stof is veel vluchtiger dan de andere omdat ze een groot verschil in kookpunt hebben. Dat is bijvoorbeeld het geval bij een zoutoplossing in water. Bovendien focus je bij indampen slechts op een van beide componenten. Bij het indampen van zoutoplossing in water, houd je alleen het zout over.

Daarnaast geldt een groot verschil in kookpunt niet voor alle oplossingen. Als de kookpunten van de componenten dichter bij elkaar liggen, maar ook als je beide componenten later apart wilt gebruiken, gaan we onze techniek moeten verfijnen. We maken opnieuw gebruik van het verschil in kookpunt van de componenten, maar gaan nu destilleren. Destilleren is het mengsel verhitten tot boven het kookpunt van een van de componenten, maar we blijven onder het kookpunt van de andere component. Het component dat uit het mengsel gekookt wordt en apart wordt opgevangen, wordt het destillaat genoemd.

Wijn destilleren

thermometer

Wijn is een mengsel van vele componenten. Om het niet te moeilijk te maken, houden we het nu even op een mengsel van water (druivensap) en drinkalcohol (ethanol C2H5OH). Je leerkracht bouwt de proefopstelling zoals op de tekening. De wijn wordt verwarmd tot ongeveer 80 °C. Dat is net boven het kookpunt van ethanol (78 °C), maar onder het kookpunt van water (100 °C). De liebigkoeler wordt continu gekoeld met kraantjeswater. Wat neem je waar? Besluit Uit de wijn verdampt enkel de alcohol, die vervolgens condenseert omdat het koude stromende water in de liebigkoeler de alcoholdampen afkoelt. De verkregen heldere vloeistof die we opnieuw opvangen, noemen we het destillaat. 66 THEMA 02 HOOFDSTUK 3

bunsenbrander

uitlaat koelwater

klem erlenmeyer met destillaat liebigkoeler inlaat koelwater destilleerkolf met mengsel vigreuxkolom Afb. 22 ©VAN IN

Destilleren is een scheidingstechniek die gebruikt wordt om homogene mengsels van vloeistoffen of vloeistof en vaste stof, van elkaar te scheiden. Daarbij wordt gebruikgemaakt van het verschil in kookpunt tussen de aanwezige stoffen. Wanneer het mengsel aan de kook wordt gebracht, zal de component met het laagste kookpunt eerst verdampen. De gassen die zo ontstaan worden door een liebigkoeler geleid, zodat ze terug condenseren. Zo verkrijg je het destillaat.

3.7 Extraheren

Een andere veelgebruikte scheidingstechniek is extraheren of extractie: geur-, kleur- en smaakstoffen (het extract) kunnen worden onttrokken (geëxtraheerd) met behulp van een oplosmiddel (het extractiemiddel) waarin ze beter oplossen. We maken gebruik van het verschil in oplosbaarheid in verschillende oplosmiddelen. Je hebt vast en zeker al op het etiket van een yoghurt- of frisdrankverpakking of andere voedingswaren deze zin gelezen: ‘met natuurlijke extracten’. De producent heeft dan een natuurlijke kleur-, geur- of smaakstof aan het product toegevoegd.

Maar hoe krijgt bv. Fanta die mooie oranje kleur? De producent voegt caroteen als kleurstof toe. Caroteen is een oranje kleurstof die in veel natuurlijke producten voorkomt, zoals in wortelen. Kunnen we dergelijke kleurstoffen dan uit die producten halen? Zeker en vast!

67THEMA 02 HOOFDSTUK 3 OPDRACHT 19 Extraheer de geur- en kleurstoffen uit een sinaasappel. 1 Neem de schil van een sinaasappel en snijd ze in stukjes in een mortier. 2 Voeg nog wat sap van de sinaasappel toe en stamp alles verder fijn met de vijzel. 3 Voeg nu de alcohol toe die je destilleerde uit wijn in de vorige opdracht. Wat neem je waar? Door extractie met alcohol van de geur-, smaak en kleurstoffen uit de sinaasappel heb je nu een basis voor likeur gemaakt. ©VAN IN

Ook bij het koffiezetten worden op die manier met behulp van heet water geur, kleur en smaak uit de koffiebonen in je koffie gebracht. Je past hier dus twee scheidingstechnieken tegelijkertijd toe: extractie en filtratie.

Afb. 23 Koffiezetten: extractie en filtratie

Geur-, kleur- en smaakstoffen (het extract) kunnen worden onttrokken (geëxtraheerd) met behulp van een oplosmiddel (het extractiemiddel)waarin ze beter oplossen. We maken gebruik van het verschillende oplosmiddelen. verschil in oplosbaarheid in

` Maak oefening 6 t/m 12.

WEETJE

De techniek van extractie wordt vaak ook gebruikt in de parfumindustrie, waarbij de geur van bloemen zoals rozen als extract wordt toegevoegd aan het parfum. Let op! Niet alle kleurstoffen zijn van natuurlijke oorsprong. Waar Fanta bijvoorbeeld wel met het natuurlijke caroteen wordt gekleurd, is dat voor Coca-Cola niet het geval. Cola dankt zijn zwarte kleur aan karamellisatie. De gebruikte kleurstof wordt bij voedingsmiddelen aangegeven op het etiket met een zogenaamde E-code. Op het etiket van een fles Fanta zul je zo E160a terugvinden, de code voor caroteen. Je hebt nu meerdere scheidingstechnieken leren kennen en misschien zelfs enkele technieken uitgeprobeerd. De componenten werden gescheiden op basis van verschillende stofeigenschappen maar de componenten zelf bleven onveranderd. We maakten gebruik van verschillen in fysische eigenschappen van de stoffen en spreken over fysische scheidingstechnieken. ©VAN IN

Herhaal even.

1 Vul de tekst aan.

Een eerste scheidingstechniek die we zagen, was zeven. Die techniek is gebaseerd op een verschil

in . Een voorbeeld is schelpjes en zand scheiden. Een tweede

scheidingstechniek, ook gebaseerd op het verschil in , is

Daarnaast is er ook , gebaseerd op een verschil in massadichtheid.

Op die manier kun je olie van water scheiden. Indampen steunt dan weer op het verschil in

, waardoor je bijvoorbeeld zout uit zeewater haalt. Het water zelf

verdampt uiteraard. Wil je toch beide componenten behouden, dan maak je gebruik van de

scheidingstechniek . Op die manier kun je uit wijn halen.

Ten slotte weet je nu ook wat is: het onttrekken van geur-, kleur- en smaakstoffen

met behulp van een

het verschil in waarin ze goed oplossen. Die techniek steunt dus op

in verschillende oplosmiddelen.

Zo kun je bijvoorbeeld olie uit pindanoten halen, vetten uit chips of de lekkere geur uit bloemen.

2 Welke scheidingstechniek kun je gebruiken voor welk soort mengsel en hoe doen ze dat in de industrie?

Ontdek het via de ontdekplaat bij het onlinelesmateriaal.

69THEMA 02 HOOFDSTUK 3©VAN IN

Om je op weg te helpen, noteerden we alvast het basisbegrip uit dit thema: scheidingstechniek. Probeer nu zelf een mindmap rond dat begrip te maken.

Scheidingstechniek

70 THEMA 02 SYNTHESE HOOFDSTUK 3 ©VAN IN