Chromatographie und andere Trennverfahren für das Schulexperiment Hinweise und Möglichkeiten zur thematischen Einbettung im Unterricht von Stefan Becker

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

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

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

detailliertere Einteilungsmöglichkeit Legende Stoftrennung nach physikal. Eigenschaften       Haupt- trenneig. Abmessung Anziehungskraft Temperatur Löslichkeit Hauptapparatur Filter;Papier;Sand Papier/Lös-ungsmittel Absetzgefäss/- trichter Zentrifuge Elektro-magnet Ab-dampf- Schale Destillier-apparat Druck-gefäss   Extrak-tor  Physikal. Trennei-genschaft Unterschied-liche Teilchen-grösse gegen Grösse der Filterporen Unterschied-liche Kapillarkräfte der Stoffe und des Papiers Unter-schiedl. Gravita-tionskraft Unterschied-liche Masse gegen Schleuderbe-wegung  magnet. oder nicht magnet. Eigen-schaft der Stoffe Unter-schiedl. Siede-punkte Unter-schiedl. Siede-punkte  unter-schiedliche Trippel-punkte  unter-schiedl. Kristall-bildung Unter-schiedl.Löslich-keit in versch. Stoffen  Verb filtrieren Chromato-graphieren Sedimen-tieren Zentrifug-ieren magnet. trennen ver-dampfen destil-lieren subli-mieren umkristallisie-ren extra-hieren Nomen Filtration Chromatographie  Sedimenta-tion Zentrifug-ation Magne- tismus  Ver-dampf-ung Destil-lation Subli-mation Um-kristal-lisa-tion Ex-trak-tion Anwend-ung  Trinkwasser-aufbereiten im Labor u. Kriminalistik Wein dekantieren Blutunter-suchung Gold waschen Rahm aus Milch abtrennen  Eisen aus Kehricht aussortieren  Salz-gewin-nung aus Meer-wasser Alkohol- reinigung im Labor  im Labor im Labor Zucker raffinieren  

Definitionen geben für einzelne Trennverfahren Sedimentieren Dekantieren Filtrieren Zentrifugieren Abscheiden Abdampfen Extrahieren Destillieren Trennung mittels eines Magneten Chromatographie

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.

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

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

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.

Filtrieren – Teil 3 Man kann filtrieren auch mit Unterdruck durchführen Beispiel: Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches:

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.

Zentrifugieren – Teil 2 nach dem Rotieren: Der Feststoff hat sich am Boden der Reagenzgläser abgesetzt und man kann die Flüssigkeit abdekantieren.

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

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

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.

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.

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.

Destillation- fraktionierende Destillation- Teil 2 Beispiel: Trennung eines Alkohol-Ether-Gemisch:

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

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

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.

Chromatographie - Teil 3 Beispiel: Auftrennung eines Farbstoffgemisches: Ergebnis des Experiments: für Ihr Publikum von Bedeutung?

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

Chromatographie - Teil 5 Erweiterungsmöglichkeit / Praxisbezug: schematischer Aufbau eines Gaschromatographen: Ihr Publikum später erinnern soll.

Chromatographie - Teil 6 Typischer Gaschromatograph

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

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

Literatur zum Thema Internetseiten: - http://www.restena.lu/ddnuc/COURS/2/220m.htm - http://www.guidobauersachs.de/oc/trennverfahren.html