H13.4 Massaspectrometrie

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.4 Massaspectrometrie 

Een gaschromatograaf (GC) wordt vaak gecombineerd met een massaspectrometer (MS). De GC scheidt het mengsel en de stoffen worden één-voor-één geanalyseerd door de MS.

In de MS worden atoombindingen in de moleculen van de onderzochte stoffen  door een elektronenbombardement kapot gemaakt. Er ontstaan positief geladen fragmentionen.

Leerdoelen:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen
  
• Je kunt de hoeveelheid van een stof in een mengsel berekenen en/of toelichten aan de hand van de piekhoogte in het massaspectrum 

13.4 massaspectrometrie

1. elektronenkanon geeft + lading 

2. Magneet buigt kleine, geladen deeltjes het sterkst af

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

massaspectrum

• Langs de horizontale as staat de m/z waarde; uitgaande van een ionlading z = 1+ komt dit overeen met de molecuulmassa in u. 
• De piek bij de hoogste m/z waarde hoort bij het moleculair ion. Dit is eigenlijk het complete molecuul waarin alle atoombindingen nog intact zijn, maar waar slechts één elektron is weggeschoten. De piek bij m/z = 72 komt dus van het ion C5H12+.

massaspectrum

• op de verticale as staat de relatieve intensiteit: de hoogste piek wordt altijd op 100 gezet
• de massa van de pieken zegt iets over de fragmentionen die zijn ontstaan. De piek bij m/z = 43 is van het ion C3H7+.
• de afstand tussen de pieken zegt iets over de fragmenten die zijn afgesplitst. Het verschil tussen m/z = 72 en m/z = 57 is 15 u. Dit komt overeen met het fragment - CH3

Het molecuul-ion ontstaat na...

1. beschieting met elektronen.
2. beschieting met protonen.
3. door het elektrische veld.
4. door het magnetische veld.

Het molecuul-ion is:

1. Negatief geladen
2. Positief geladen
3. Neutraal geladen
4. Kan zowel positief als negatief geladen zijn.

Het molecuul-ion valt in
fragmenten uiteen omdat...

1. het in een elektrische veld komt.
2. het in een magnetische veld komt.
3. het instabiel is geworden.
4. doordat het in de gasfase zit.

Het elektrisch veld...

1. zorgt ervoor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

Het magnetisch veld...

1. zorgt ervoor dat er brokstukken ontstaan.
2. buigt de fragmenten af.
3. detecteert de fragmenten.
4. versnelt de fragmenten.

De detector registreert...

1. de massa van de brokstukken.
2. hoe vaak een bepaald brokstuk voorkomt.
3. hoe snel een brokstuk gaat.
4. de massa en hoe vaak een brokstuk voorkomt.

Massaspectrometrie
gebruiken we om...

1. te bepalen hoe zwaar een stof is.
2. te meten uit hoeveel fragmenten een stof bestaat.
3. de structuur van een stof te bepalen.
4. de molecuulformule van een stof te bepalen.

De hoogste piek in
een massaspectrum...

1. is van het fragment dat het meest voorkomt.
2. is van het fragment dat het zwaarst is.
3. is van het molecuul-ion.
4. is alle drie voorgaande antwoorden.

Analyseren van een massaspectrum

propaan-1-ol en propaan-2-ol hebben dezelfde molecuulformule, dus dezelfde massa (molecuulion m/z = 60), maar een heel verschillend massaspectrum: doordat de structuur anders is, zullen atoombindingen op andere plekken breken

denkoefening:

• welke pieken verwacht je in het massaspectrum                      van broommethaan?

• je vindt wel pieken bij 79 u en 81 u, maar geen pieken bij 80u. Kun je dat verklaren?

Isotopen

De daadwerkelijke massa wordt gemeten

Daardoor zijn ook afzonderlijke 

isotopen zichtbaar

Je kan de verhouding van de

isotopen aflezen in het 

spectrum en vergelijken met 

BinasTabel 25.

Vooral met broom en chloor
gaat dat goed.

bijvoorbeeld: de isotopen van chloor

bijvoorbeeld: chloorethaan

Kun je uitleggen dat de verhouding van de pieken bij
M= 64 en M=66
gelijk is aan 3 : 1?

Isotopen

2 voorbeelden met isotopen

In het massaspectrum van pentaan, C5H12, komt ook een piek voor bij een m/z waarde van 29. Door welk fragmention kan deze piek veroorzaakt zijn? Ga uit van een lading van fragmentionen van z = 1+.

1. CH3+
2. C2H5+
3. C4H9+
4. COH+

Broomatomen komen in de natuur voor als verschillende isotopen (zie Binas 25A). Wanneer we enkele microliters van de stof broom in een massaspectrometer onderzoeken, kunnen we in het resulterende spectrum pieken verwachten bij m/z waarden van...(uitgaande van z = 1+)

1. alleen bij 79 en 81
2. bij 79, 81, 158 en 162
3. bij 79, 81, 158, 160, 162
4. ik heb geen idee

M+1 pieken

De piek van het molecuulion is nu niet de piek bij de hoogste m/z waarde, want deze piek (bij m/z = 47) is maar héél klein. 

Dat komt omdat het molecuul hier een C-13 isotoop bevat. 

Slechts 1% van de koolstofatomen is een C-13 isotoop (zie Binas 25A), vandaar de kleine piek bij m/z = 47. De molecuulmassa is hier 46 u.

hoe meer C-atomen in de keten, hoe meer C-13 voorkomt, hoe hoger de piek M+1. De hoogte van de M+1 piek ten opzichte van de M-piek is een indicatie voor het aantal C-atomen in het molecuul

Massaspectra analyseren

• Kijk of je het molecuulion kunt vinden
  
• Bekijk de pieken met de grootste intensiteit
• Bekijk of je de piek kunt koppelen aan een fragmention
• Bekijk of je de verschillen in M/Z kunt koppelen aan een neutraal fragment 
• Puzzel je suf!

BINAS tabel 39D:
--> tabel met neutrale fragmenten  
--> tabel met fragmentionen 

voorbeeld

Van welke koolstofverbinding is dit massaspectrum? 

• molecuulion: m/z = 46 u
• hoeveel C-atomen kunnen er dus maximaal aanwezig zijn? (C = 12 u)
• Het zou propaan (C3H8) kunnen zijn. Maar ethanol (C2H5OH) is ook 46 u. Dus van welke stof is dit spectrum nu? De andere (grote) pieken helpen je bij het ophelderen van de structuur van het molecuul.
  

Propaan of ethanol? Hoe pak je dit aan?

•  Stap 1: teken de structuurformules van de mogelijke stoffen.
  
• Stap 2: verbreek denkbeeldig (steeds meer) atoombindingen in de mogelijke stoffen en teken de structuurformules van de mogelijke fragmentionen die kunnen ontstaan. 
• Stap 3: bereken de massa's (in u) van alle mogelijke fragmentionen. 
• Stap 4: vergelijk je resultaten met de pieken in het massaspectrum.

Leg uit of dit massaspectrum van propaan of van ethanol is.

Dit is het massaspectrum van ..., omdat ....

1. propaan, omdat een piek bij m/z = 29 duidt op een fragmention van propaan
2. ethanol, omdat een piek bij m/z = 29 duidt op een fragmention van ethanol
3. propaan, omdat een piek bij m/z = 31 duidt op een fragmention van propaan
4. ethanol, omdat een piek bij m/z = 31 duidt op een fragmention van ethanol

eigen werk/huiswerk

 Maak opgave 19, 20, 22, 24,25

totdat je de volgende leerdoelen beheerst:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen