H13.3 Massaspectrometrie

• Scheikunde
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 6

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.3 Massaspectrometrie - deel 1

rekenmachine en Binas T 39D nodig

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.

GC-MS is een belangrijke techniek om van een zeer kleine hoeveelheid van een monster uit te zoeken welke stoffen erin zitten (en ook de hoeveelheid te bepalen).

Leerdoelen:

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

Werking van de massaspectrometer:

stap 1

Wat gebeurt er na dit bombardement met elektronen?

Ionisatie

Er wordt een elektron uit het molecuul verwijderd waardoor een positief ion ontstaat, het molecuul-ion:

voorbeeld:    CO₂     + e^-      ->      CO₂⁺    +     2e^-

Fragmentatie

Het molecuulion wordt verder gefragmenteerd, er ontstaat positief geladen fragmentionen en ongeladen deeltjes.

voorbeeld:   CO2+     ->    CO+   +      O

Hoe scheid je al deze fragmenten?

stap 2

Hoe meet je welke fragmenten aanwezig zijn?

stap 3

13.4 massaspectrometrie

1. elektronenkanon -> 

• molecuulion (+ geladen)
  
• fragmenten (+ geladen en neutraal) 
  

2. Magneet 

• buigt geladen deeltjes af, 
  
• deeltjes met lage massa worden het sterkst afgebogen.
  

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

Molecuulion C5H12+

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+.

Molecuulion 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

Molecuulion C5H12+

Massaspectra analyseren

• Kijk of je het molecuulion kunt vinden
  
• Bekijk de meest intense pieken
• 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 39D

Eigen werk:

• Bestudeer H13.3
• Maak opgave 23 en kijk na.

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.4 Massaspectrometrie - deel 2

rekenmachine en Binas T 39D nodig

Leerdoelen:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen.
• Je kunt relatieve piekhoogten in een MS-spectrum in verband brengen met het relatief voorkomen van een fragment en/of isotoop en hier berekeningen aan doen.

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.

Geef de formules van de (frament)ionen die horen bij de pieken

In de figuur is het massa-spectrum weergegeven van CO₂

m/z

formule

Geef de formules van de (frament)ionen die horen bij de pieken

In de figuur is het massa-spectrum weergegeven van CO₂

m/z

formule

Gegeven: spectra van 

propaan-2-ol en propaan-1-ol

Zoek uit: welk spectrum hoort bij welke stof?

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

Eigen werk

Maak opgave 23 & 25 en kijk na

zodat 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

Massaspectrometrie les 2

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.3 Massaspectrometrie - deel 3

rekenmachine en Binas T 39D nodig

Vragen over vorige les:

Maak opgave 19 & 24

zodat 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

Leerdoelen:

• 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 -> 

• molecuulion (+ geladen)
  
• fragmenten (+ geladen en neutraal) 
  

2. Magneet 

• buigt geladen deeltjes af, 
  
• deeltjes met lage massa worden het sterkst afgebogen.
  

3. Detector zet massa en lading om in een spectrum

samengevat

Massaspectrum

resultaat: een massaspectrum

Molecuulion C5H12+

Fragmention C2H5+

Tabel 39D

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+

denkoefening:

• Van welke ionen verwacht je pieken 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 halogenen gaat dat mooi. 

Massaspectrum van Cl2

voorkomen: ³⁵Cl 75% en ³⁷Cl 25%

m/z	deeltje	voorkomen
74	37 Cl 37 Cl +
72	35 Cl 37 Cl +
70	35 Cl 35 Cl +
37	37 Cl +
35	35 Cl +

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 meest intense pieken
• 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 39D

Ethanol of methoxymethaan? 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.

voorbeeld

Van welke koolstofverbinding is dit massaspectrum? 

• molecuulion: m/z = 46 u
• hoeveel C-atomen kunnen er dus maximaal aanwezig zijn? (C = 12 u)
• Zou het propaan (C3H8) kunnen zijn? 
• Ethanol (C2H5OH) of methoxymethaan (CH₃OCH₃) zijn 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.
  

Leg uit of dit massaspectrum van ethanol of methoxymethaan is.

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

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

Eigen werk:

maak opgave 24 en 25 en kijk na

Massaspectrometrie

NOVA H13 Analysetechnieken

H13.3 Massaspectrometrie - les 6, 7 en 8

rekenmachine en Binas T 39D nodig

Leerdoelen:

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen.
• Je kunt relatieve piekhoogten in een MS-spectrum in verband brengen met het relatief voorkomen van een fragment en/of isotoop en hier berekeningen aan doen.

Massaspectra analyseren

• Kijk of je het molecuulion kunt vinden
  
• Bekijk de meest intense pieken
• 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 39D

Eigen werk:

• Maak H13.3 opgave 26 en 28 en kijk na.

Leerdoelen:

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

Check: heb je de leerdoelen gehaald?

• Je kunt uitleggen hoe een massaspectrometer werkt
  
• Je kunt in een massaspectrum kenmerkende patronen van een stof of deeltje herkennen.
• Je kunt relatieve piekhoogten in een MS-spectrum in verband brengen met het relatief voorkomen van een fragment en/of isotoop en hier berekeningen aan doen.