Maagzuurtabletten onderzoeken

Datum: mei-juni 2003

Principe:

Rennies zijn opgebouwd uit een mengsel van magnesiumcarbonaat en calciumcarbonaat. Werkt een mengsel inderdaad beter dan de individuele componenten?

Materiaal:

Uitvoering:

Maak een batch kunstmatig maagsap door een zoutzuuroplossing van 0.1 M  (pH = 1) te maken. Doe 20 ml zoutzuuroplossing in de erlenmeyer. Voeg 20 ml water toe. Steek de pH meter erin. Voeg een roervlo toe en laat deze met een matige snelheid draaien. Voeg een Rennie-tablet toe en meet de pH verandering in de tijd. Herhaal deze meting met 0.7 g mg calciumcarbonaat. Herhaal deze meting met 0.1 g mg magnesiumcarbonaat.

Resultaten:

Discussie en conclusie:

Als in maag teveel zuur wordt geproduceerd kan een deel van dat zuur in de slokdarm terecht komen. Dit geeft een branderig gevoel. Om dit branderig gevoel tegen te gaan helpt het dus het teveel aan zuur te neutraliseren. Dit kan men doen door een maagtablet in te nemen. Een van de vele merken maagtabletten zijn Rennies. Een Rennie-tablet is volgens het doosje opgebouwd uit 680 mg Calciumcarbonaat en 80 mg Magnesiumcarbonaat.

Beiden kunnen met het zoutzuur reageren volgens:
Neutralisatiereaktie van calciumcarbonaat: CaCO₃ + 2H₃O⁺ + 2Cl^- --> CO₂h + Ca²⁺ + 2Cl^- + 3H₂O             
Neutralisatiereaktie van magnesiumcarbonaat: MgCO₃ + 2H₃O⁺ + 2Cl^- --> CO₂h + Mg²⁺ + 2Cl^- + 3H₂O            

Kijken we naar de massa van een tablet dan meten we een gewicht van 1.3 g terwijl als werkzame bestanddelen kleinere hoeveelheden van calciumcarbonaat (0.68 g) en magnesiumcarbonaat (0.08 g) zijn opgegeven. Er zijn dus hulpstoffen toegevoegd aan de tabletten. Kijken we in de bijsluiter dan wordt dit bevestigd dan wordt dit bevestigd. Toegevoegde hulpstoffen zijn sucrose(suiker, 0.475 g), zetmeel, magnesiumstearaat, talk, paraffine en pepermunt- en citroenaroma.

In de maag wordt 8 tot 15 ml maagsap per uur aangemaakt. De pH van het geproduceerde zoutzuur ligt tussen de 0.9 en 1.5. Door verdunning met allerlei andere stoffen in de maag is de werkelijke pH-waarde ongeveer 3.0.

De manier waarop we dit experiment hebben uitgevoerd is door het pH-verloop in de tijd te meten in kunstmatig maagsap van een Rennie tablet zelf, en van equivalente hoeveelheden van de bestanddelen van een Rennie tablet.

In de grafiek kunnen we zien dat een verpoederd  tablet sneller werkt dan een niet-verpoederd tablet. Dit is makkelijk verklaarbaar, het contact oppervlak van de vaste stof is in een poeder veel groter. Vergelijken we echter de poeders met elkaar dan zien we weer dat het calciumcarbonaat veel sneller reageert dan het poeder van het tablet en dat de kleine hoeveelheid magnesiumcarbonaat zeer langzaam reageert. Dat de tabletten langzamer reageren dan het calciumcarbonaat kan dus veroorzaakt worden door het magnesiumcarbonaat alhoewel we de invloed van de hulpstoffen op basis van deze metingen niet kunnen uitsluiten. Dit effect kan bewust geïntroduceerd zijn. In de neutralisatiereactie wordt CO₂ gevormd. Men kan zich voorstelen dat als dit te snel gemaakt wordt het resultaat een flinke boer kan zijn. Dit effect kan men dan verminderen door ervoor te zorgen dat de neutralisatiereactie langzamer verloopt.

De vraag is nu of we het probleem theoretischer kunnen benaderen. Om dat te kunnen doen kijken we naar oplosbaarheidproducten. 

Voor calciumcarbonaat geldt S = [Ca²⁺][CO₃^2-] = 8.7 . 10^-9  
Voor magnesiumcarbonaat geldt  S = [Mg²⁺][CO₃^2-] = 1.0.10^-5

Op basis van de oplosbaarheidproducten is magnesiumcarbonaat beter oplosbaar in water dan calciumcarbonaat.

Het oplosbaarheidproduct kan echter sterk beïnvloedt worden  door reacties met zuur. De volgende reacties kunnen een rol spelen:

Op basis daarvan kunnen we de volgende relaties opschrijven:

(1)   S = [Ca²⁺][CO₃^2-]  het oplosbaarheidproduct,  
(2)   2[Ca²⁺] + x = y + [Cl^-] + [HCO₃^-] + 2[CO₃^2-] de elektroneutraliteits relatie,  
(3)   [Ca²⁺] = [CO₃^2-] + [HCO₃^-] + [H₂CO₃]  de steuchiometrische relatie,  
(4)   xy = K_w de waterconstante

en de protolyseconstantes (pK_a1 = 6.4 en pK_a2 = 10.2).

(5) en (6)

Het probleem waar we mee geconfronteerd worden is dat de steuchiometrische relatie niet helemaal klopt aangezien H₂CO₃ deelneemt aan een ontledingsreactie. De steuchiometrische relatie klopt alleen als er nog geen ontleding van H₂CO₃ naar CO₂ heeft plaatsgevonden. Het is echter zo dat de reactie H₂CO₃ ó H₂O + CO₂ (aq)  kinetisch erg langzaam verloopt. Bij evenwicht is slechts 0.2-1% van het opgeloste CO₂ omgezet naar H₂CO₃. Het grootste deel van de CO₂ zit gesolvateerd in de oplossing.

Als evenwicht geschreven:

Het is zelfs zo dat de pKa die opgegeven wordt voor koolzuur (pK_a1 = 6.4) niet de echte pKa van koolzuur is. Het is de pKa van het evenwicht tussen het opgeloste CO₂ en het koolzuur. Koolzuur is in werkelijkheid een veel sterker zuur met een echte pK_a1 waarde van 3.58.

We kunnen dan de volgende relatie afleiden, waarbij we het CO₂ (l) in evenwicht met H₂CO₃ opschrijven als [H₂CO₃]:

(6) à                    (7)  [HCO₃^-] = x.[CO₃^2-]/K_a2  
(5) + (7) à            (8)  [H₂CO₃] = x.[HCO₃^-]/K_a1 = x².[CO₃^2-]/(K_a1K_a2)  
(1) à                    (9)  [CO₃^2-] = S/[Ca²⁺]  
(3)+(7)+(8) à        (10)  
[Ca²⁺] = [CO₃^2-] + x.[CO₃^2-]/K_a2  + x².[CO₃^2-]/(K_a1K_a2)  
(10) + (9) à          (11)    
[Ca²⁺] = S/[Ca²⁺] + x.S/([Ca²⁺]K_a2) + x².S/([Ca²⁺]K_a1K_a2) à    
[Ca²⁺] = S/[Ca²⁺](1 + x/K_a2 + x²/(K_a1K_a2)) à

   

We kunnen een analoge formule voor magnesium afleiden.  Geven we nu de berekende concentratie als functie van de pH weer dan krijgen we de volgende grafiek:

Ook hier is duidelijk te zien dat magnesiumcarbonaat beter oplosbaar is dan calciumcarbonaat. Onze observaties lijken echter een ander beeld te schetsen.

Gaan we denken in termen van massabalansen:

Gemeten pH = 1.3 => x= 0.050 mol/l
In 40 ml : 40/1000 * 0.05 * 1000 = 2 mmol.

680 mg calciumcarbonaat = 680/130.1 = 5.2 mmol
80 mg magnesiumcarbonaat = 80/114.3 = 0.7 mmol

In verhouding tot de hoeveelheid zoutzuur die geproduceerd wordt hebben we dus een overmaat aan neutraliserende media.

 Kijken we naar het magnesiumcarbonaat experiment dan berekenen we een pH van:
-LOG(((2-0.87)*1000/40/1000)) = 1.5
Alhoewel dit getal afwijkt van de gemeten waardes, die dichter bij de pH=2 ligt kunnen we dit mogelijk verklaren door de onnauwkeurigheid van de gebruikte balans (0.1 g) en het gegeven dat we de pH meter alleen bij pH=7 geijkt hebben. Een 1-punts kalibratie herbergt altijd een grotere kans op een afwijkend meting in het gebied dat ver van het ijkpunt ligt.

Er is echter nog een ander facet dat een rol kan spelen nl. de vorming van Ca(OH)₂ en Mg(OH)₂ die gevormd kunnen worden als het milieu meer basisch wordt.
Oplosbaarheidsprodukt Ca(OH)₂ = 1.3.10^-6  
Oplosbaarheidsprodukt Mg(OH)₂ = 1.8.10^-11
De oplosbaarheidproducten suggereren dat de kans dat er hydroxides gevormd worden vrij groot is. Berekeningen analoog aan hierboven geschetst (S=[Ca2+].y²) laten echter zien dat deze niet gevormd worden in het pH gebied waar we gemeten hebben.

Al met al kunnen we dus niet met zekerheid al onze observaties verklaren. Op basis van de oplosbaarheidsprodukten zou je nl verwachten dat beide carbonaten volledig opgelost worden, hetgeen dus niet gebeurd is, althans binnen het tijdsinterval dat bestudeerd is.

Het is zo dat de basis van de berekeningen hierboven uitgevoerd thermodynamisch is. Thermodynamica vertelt echter alleen maar of het mogelijk is dat een bepaald reactie kan plaatsvinden, ze zegt niets over de snelheid waarmee het plaatsvindt, de kinetiek. Deze kan ons dus parten spelen en met de experimenten die we hier uitgevoerd hebben kunnen we de kinetiek maar moeilijk, eigenlijk niet, kwantificeren.

Het lijkt in ieder geval waarschijnlijk dat de hulpstoffen in de tabletten er mede voor zorgen dat de maagtabletten niet te snel oplossen. Al met al is dit systeem iets complexer dan ik in eerste instantie dacht.

Opmerkingen:

• Bereiding van een 0.1 M HCl oplossing.
  De "huishoud" zoutzuur oplossing bevat ca. 10 % zoutzuur.
  10% = 10 g / 100 ml = 10/36.5 mol / 100 ml = 0.27 mol / 100 ml = 2.7 mol/l = 2.7 M.
  Om een oplossing van 0.1 M te maken moeten we de zoutzuuroplossing 2.7/0.1 = 27* verdunnen.
  Neem 3.7 ml zoutzuuroplossing en vul deze aan tot 100 ml.

• Andere chemicaliën die als maagtabletten gebruikt worden zijn Aluminiumhydroxide (Al(OH)₃), Calciumhydroxide (Ca(OH)₂) en Magnesiumhydroxide (Mg(OH)₂).
  In het boekje van Romp uit 1943 wordt aangeraden om zuiveringszout (natriumbicarbonaat), krijtpoeder, magnesia (MgO) of kalkwater (Ca(OH)₂) in te nemen.

• Een andere manier om naar de werking te kijken is de hoeveelheid CO₂ die geproduceerd wordt te meten (door deze op te vangen in een omgekeerde maatcylinder). Dit is echter een maat voor de hoeveelheid carbonaat en geeft dus informatie over de hoeveelheid vulmiddelen (indien deze gebruikt worden). Het is een goede methode om verschillende soorten tabletten met elkaar te vergelijken.

• Alhoewel Schoolkrijt eigenlijk calciumcarbonaat hoort te zijn is het niet uit te sluiten dat er ander materialen aan toegevoegd zijn. Om dat te bepalen zouden we eigenlijk de zuiverheid eens moeten bepalen, bv. door de CO₂ productie te meten of door een titratie met zuur uit te voeren.

• De meetgegevens zijn opgeslagen in de file: maagtablet.zip

Literatuur:

• Valerie Ludwig Lechtanski; 'Inquiry-based experiments in chemistry'; Oxford University Press; 2000; p.173-179.
• Dr. H. Rompp; 'Scheikundige proeven, die slagen'; Roskam; 1943; p.177.
• Dr. G. den Boef; Theoretische grondslagen van de analyse in waterige oplossingen; 1977; Elsevier; ISBN 9010103730; 4de druk; blz. 81-85.
• BINAS; Wolters-Noordhoff; 1977; ISBN 9001893546; blz 95,98,102,103.
• Gabriel Pinto; 'Stoichiometry of Calcium Medicines'; Journal of Chemical Education; 82 10 2005; p.1509-1512.

Relevante websites:

• coldpacks & hotpacks - maagtabletten - theelichtjes - lijm

• http://www.selah.wednet.edu/SOAR/SciProj99/NicoleSciProj.html

• http://www.pasco.com/experiments/chemistry/april_2002/

• http://curie.uncg.edu/~t_dean/TDean.html

• calciumcarbonaat kinetiek

Achtergrondinformatie:

De maag is het wijdste deel van het spijsverteringskanaal. Twee openingen, de maagmond of cardia en het maagportier of pylorus zorgen voor de verbinding resp. met de de slokdarm en de darmen. De maag is inwendig belkeed met een maagslijmvlies, waarin zich bekervormige cellen bevinden die slijm afscheiden, en bovendien vinder we er de maagsapklieren die het maagsap vormen. Dit bevat drie enzymen die van grote betekenis zijn voor de spijsvertering: pepsine, lipase en "lebferment" (kathepsine) en verder zoutzuur, water en zouten.

Maagzuur stimuleert de vertering van bepaalde voedselbestanddelen en maagzuur doodt bacteriën. Normaliter veroorzaakt dit zuur geen problemen.

In Nederland wordt jaarlijks 700 miljoen gulden uitgegeven aan maagzuurbeperkende stoffen. Ze hebben tot doel brandend maagzuur te voorkomen of te neutraliseren. Regelmatig komen er nieuwe producten bij die of bij de drogist of bij de apotheker te krijgen zijn.

De bacterie Helicobacter pylori is de laatste jaren regelmatig in het nieuws omdat deze bacterie betrokken is bij het ontstaan van maagzweren. Een maagzweer is een beschadiging van de binnenkant van de maagwand.Tot in de jaren tachtig was bijna iedereen ervan overtuigd dat een maagzweer werd veroorzaakt door een overmatige productie van maagzuur, die in veel gevallen het gevolg zou zijn van stress.

Voor de oplosbaarheid van een vaste stof kunnen we schrijven:
(MZ)_vast ó M⁺ + Z^-
In evenwicht geldt dan:

Aangezien volgens afspraak de activiteit van een vaste stof op 1 gesteld wordt kunnen we schrijven:

I.p.v. K spreekt men bij neerslagen vaak van S (solubility product).
Voor ideale oplossingen vervangen we activiteiten voor concentraties en krijgen dan: S=[M⁺][Z^-]

p. 98: 
Oplosbaarheidsprodukt CaCO₃ = 8.7. 10^-9  
Oplosbaarheidsprodukt MgCO₃ = 1.0.10^-5  
Oplosbaarheidsprodukt Ca(OH)₂ = 1.3.10^-6  
Oplosbaarheidsprodukt Mg(OH)₂ = 1.8.10^-11  

p. 95: Oplosbaarheid CO₂ in water:
per liter water; p = p0 

 p. 102,103:
pKa [HCO₃^-]/[CO₃^2-] = 10.25
pKa [H₂CO₃][HCO₃^-] = 6.36 waarbij H₂CO₃ = H₂O + CO₂

28-02-2006

Op 28/2/2006 een literatuurreferentie toegevoegd.