Chromatographie und andere
Trennverfahren für das
Schulexperiment
Hinweise und
Möglichkeiten
zur
thematischen
Einbettung im
Unterricht
von Stefan Becker
1
Einbettung in die Rahmenrichtlinien




einzige sinnvolle Möglichkeit zur
„geschlossenen“ Darstellung
als Grundlage für die praktische Arbeit
Vorteil 1: physikal. Kenntnisse vorhanden
(z.B. Wellenoptik)
Vorteil 2: ausreichende Stundenzahl
2
Geben einer Definition von Trennung

Versuch einer Definition:
Trennverfahren beruhen einerseits darauf, dass das
zu trennende Gemisch zwischen verschiedenen
Phasen verteilt wird oder das die Trennung nach
verschiedener Teilchengröße/dichte geschehen kann.
In Sonderfällen sind Trennungen durch chemische
Reaktionen oder durch verschiedene
Wanderungsgeschwindigkeiten im elektrischen Feld
möglich.

Fazit: Trennung meist nach physikalischen
Eigenschaften, welche sich aus der
Struktur der Moleküle ergeben
3
Möglichkeiten der Einteilung von Trennverfahren





Abmessung / Größe der Teilchen
( Moleküle und Atome )
Anziehungskraft in Feldern
( z.B. elektr. Feldern )
charakteristischen Temperaturen
( z.B. Siedetemperaturen )
Löslichkeit in bestimmten Lösemitteln
4
detailliertere Einteilungsmöglichkeit
Legende
Stoftrennung nach physikal. Eigenschaften
Haupttrenneig.
Abmessung
Hauptapp
aratur
Filter;Papier
;Sand
Physikal.
Trenneigenschaft
Unterschiedliche Teilchengrösse gegen
Grösse der
Filterporen
Verb
Nomen
Anwendung
Anziehungskraft
Papier/Lösungsmittel
Absetzg
efäss/trichter
Zentrifuge
Temperatur
Elektromagnet
AbdampfSchale
Destillierapparat
Löslichkeit
Druckgefäss
Unterschiedliche
Kapillarkräfte
der Stoffe und
des Papiers
Unterschiedl.
Gravitationskraft
Unterschiedliche Masse
gegen
Schleuderbe
-wegung
magnet.
oder nicht
magnet.
Eigenschaft der
Stoffe
Unterschiedl.
Siedepunkte
Unterschiedl.
Siedepunkte
unterschiedlich
e Trippelpunkte
filtrieren
Chromatographieren
Sedimen
-tieren
Zentrifugieren
magnet.
trennen
verdampf
en
destillieren
Filtration
Chromato
graphie
Sedim
entation
Zentrifug
-ation
Magnetismus
Verdampf
-ung
Destillation
Trinkwasseraufbereiten
im Labor u.
Kriminalistik
Wein
dekantieren
Blutuntersuchung
Gold
waschen
Rahm aus
Milch
abtrennen
Eisen aus
Kehricht
aussortiere
n
Salzgewinnung aus
Meerwasser
Alkoholreinigung
Extraktor
unterschiedl.
Kristallbildung
Unterschiedl.
Löslichkeit in
versch.
Stoffen
sublimieren
umkrist
allisieren
extrahieren
Sublimation
Umkristallisation
Extraktion
im Labor
im
Labor
im
Labor
Zucker
5
raffinier
en
Definitionen geben für einzelne Trennverfahren










Sedimentieren
Dekantieren
Filtrieren
Zentrifugieren
Abscheiden
Abdampfen
Extrahieren
Destillieren
Trennung mittels eines Magneten
Chromatographie
6
Sedimentieren

Unter Sedimentieren versteht man das Absinken von feinen
unlöslichen Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit.
Beispiel:

Wenn man etwa einen Teelöffel Gartenerde in einem Glas
Wasser umrührt, kann man beobachten, dass in dem
bräunlichen Gemisch größere Teilchen schnell zu Boden
sinken. Wenn man das Gemisch einen Tag stehen lässt, so
haben sich auch die leichtesten Teilchen am Glasboden
abgesetzt (sedimentiert). Die darüber stehende Flüssigkeit ist
klar.
7
Dekantieren

Unter Dekantieren versteht man das Abgiessen einer
Flüssigkeit, welche sich über einem unlöslichen Feststoff oder
einer unlöslichen Flüssigkeit befindet.

Beispiele:
- Das Fett einer Soße kann man mit etwas Geschick
größtenteils abgießen (dekantieren).
- Kaffee kann vom Kaffeesatz abgegossen (dekantiert)
werden
Aus diesen Beispielen kann man schon erkennen, dass
Dekantieren keine sehr genaue Trennmethode ist

8
Filtrieren - Teil1

Durch eine Filtration kann man eine Flüssigkeit von einem in
ihr unlöslichen Feststoff trennen.

Man bezeichnet die austretende Flüssigkeit als Filtrat
Der zurückbleibende Feststoff ist der Filterkuchen
Der unlösliche Feststoff besteht aus Teilchen, die größer sind
als die Poren des Filterpapiers


9
Filtrieren- Teil2

Der Filter wird wie folgt gefaltet:

Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches:

Die Filtration beruht also auf der unterschiedlichen Größe der zu
filtrierenden Stoffteilchen.
10
Filtrieren – Teil 3

Man kann filtrieren auch mit Unterdruck durchführen

Beispiel:
Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches:
11
Zentrifugieren – Teil 1

dazu braucht man einen speziellen Apparat, eine Zentrifuge

Sie besteht hauptsächlich aus einer Achse, an der man - an
zwei beweglichen Seitenarmen - dickwandige Reagenzgläser
anbringen kann.

Beispiel:
Zentrifugation eines Wasser-Gartenerde-Gemisches.
12
Zentrifugieren – Teil 2

nach dem Rotieren:

Der Feststoff hat sich am Boden der Reagenzgläser
abgesetzt und man kann die Flüssigkeit abdekantieren.
13
Abscheiden

durch Abscheiden in einem Scheidetrichter kann man zwei ineinander
unlösliche Flüssigkeiten trennen

Beispiel:
Ein Öl-Wasser-Gemisch

in einen Scheidetrichter erhält man zwei Phasen: Die untere Phase
enthält immer die Flüssigkeit mit der größten Dichte
Zur Veranschaulichung kann eine Phase angefärbt werden

14
Abdampfen




Durch Abdampfen eines homogenen Gemisches (löslicher Feststoff in
einer Flüssigkeit) kann man den löslichen Feststoff von der Flüssigkeit
trennen
Die Flüssigkeit geht aber bei diesem Vorgehen durch Verdampfen
verloren
Beispiel:
Ein homogenes Salz-Wasser-Gemenge.
Nach dem Verdampfen des Wassers bleibt Salz als weißer Feststoff
zurück
15
Extrahieren




Unter Extrahieren versteht man das Herauslösen von Stoffen mithilfe
eines Lösungsmittels.
Man kann sowohl
- eine bestimmte Flüssigkeit aus einer anderen Flüssigkeit
herauslösen, als auch
- lösliche Feststoffe aus Flüssigkeiten oder aus anderen Feststoffen
herauslösen.
Dieses Verfahren beruht auf der unterschiedlichen Löslichkeit der
einzelnen Stoffe. Eine Extraktion kann man in einem Scheidetrichter
durchführen.
Beispiele:
Aufbereiten von Kaffee oder Tee. Dabei werden wasserlösliche Stoffe
aus dem Kaffeepulver beziehungsweise aus dem Tee herausgelöst.
Eine Wasser-Chloroform Extraktion, um einen in Wasser schwer
löslichen Stoff in die Etherphase zu überführen, in welchem der Stoff
sehr löslich ist.
16
Destillieren – einfache Destillation


Anwendbar zur :
- Trennung von Feststoffen von einem Lösemittel
- Trennung von zwei Flüssigkeiten mit großem
Siedepunktsunterschied
Ablauf: In einem ersten Schritt wird das Stoffgemenge
langsam erhitzt. Die Flüssigkeit mit der kleinsten
Siedetemperatur steigt als Erste als Dampf in dem
Destillationsapparat nach oben. Der Dampf kondensiert im
Liebig-Kühler und kann dann in einem Erlenmeyerkolben
aufgefangen werden.
Beispiel:
Trennung einer Alkohol- Farbstoffmischung.
17
Destillation- fraktionierte Destillation –
Teil 1

damit kann man mehrere ineinander lösliche Flüssigkeiten
trennen. Hierzu braucht man einen besonderen
Glasapparat,ein Destillationsgerät mit einer Vigreux-Kolonne

.
Ablauf: In einem ersten Schritt wird das Stoffgemenge
langsam erhitzt. Die Flüssigkeit mit der kleinsten
Siedetemperatur steigt als Erste als Dampf in dem
Destillationsapparat nach oben. Die Vigreux-Kolonne erlaubt
dabei ein langsames aber stetes Ansteigen der Temperatur.
Durch diese feinen Temperaturunterschiede wird auch die
Trennung von Flüssigkeiten mit relativ kleinen
Siedepunktunterschieden möglich. Der Dampf kondensiert im
Liebig-Kühler und kann dann in einem Erlenmeyerkolben
aufgefangen werden.
18
Destillation- fraktionierende DestillationTeil 2

Beispiel:
Trennung eines Alkohol-Ether-Gemisch:
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Trennung mittels eines Magneten

Prinzip: Trennung von ferromagnetischen Stoffen (Fe, Co, Ni)
von nicht Ferromagnetika
In der Praxis demonstrierbar mit Fe- Spänen

Beispiel 1: Trennung von Eisenpulver und feinem Sand

Beispiel 2: Trennung von Eisenpulver und einer Flüssigkeit

20
Chromatographie – Teil 1

Durch Chromatographie kann man sehr komplizierte
Stoffgemische in ihre Bestandteile auftrennen.



Man unterscheidet zwei Phasen
- stationäre oder ruhende Phase
und eine sie durchströmende
- fluide (mobile) Phase
( für Säulenchromatographie)
Die Komponenten des Stoffgemisches werden von der
stationären Phase unterschiedlich stark festgehalten
Somit erfolgt eine Auftrennung der Komponenten
21
Chromatographie- Teil 2

prinzipieller Ablauf:
- man bringt eine geringe Menge Gemisch auf
Chromatographiepapier und lässt es trocknen
-dann gibt man das Chromatographiepapier in einen schließbaren
Glasbehälter, welcher ein Fließmittel (Gemisch von Lösungsmitteln)
enthält
- beim Aufsteigen des Fließmittels werden die verschiedenen
Gemischkomponenten unterschiedlich weit mitgerissen
- wenn das Fließmittel die obere Markierung erreicht hat, wird die
Chromatographie durch Herausnahme aus dem Glasbehälter und
anschließendem Trocknen beendet.
22
Chromatographie - Teil 3

Beispiel:
Auftrennung eines Farbstoffgemisches:

Ergebnis des Experiments:
für Ihr Publikum von Bedeutung?
23
Chromatographie - Teil 4


mögliche experimentelle Lösung für den Unterricht:
benötigte Materialien:
- Streifen aus Filterpapier
- ein Becherglas mit Essigwasser
- Bleistift, Klebeband und Filzstifte
- die Bilder zeigen den Versuch
24
Chromatographie - Teil 5

Erweiterungsmöglichkeit / Praxisbezug:

schematischer Aufbau eines Gaschromatographen:
Ihr Publikum später erinnern soll.
25
Chromatographie - Teil 6

Typischer Gaschromatograph
26
Chromatographie - Teil 7


Verbindung schaffen mit dem Fach Physik:
Rückgriff auf die Aufspaltung der Farben:
- weißes Licht:
- Was ist weißes Licht?
- Versuch von Isaac Newton (1642- 1727):
1
2
27
Literatur zum Thema

Zur fachlichen Begriffssuche:
Organikum, Willey- VCH verlag GmbH,
22. Auflage, 2004

Experimente u.a. für den Unterricht:
F. Aulas, Erstaunliche Experimente,
Orbis Verlag, 2003
28
Literatur zum Thema

Internetseiten:
- http://www.restena.lu/ddnuc/COURS/2/220m.htm
- http://www.guidobauersachs.de/oc/trennverfahren.html
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Chromatographie und andere Trennverfahren für das