1.3 Trennung von Gemengen

Grundlagen der Trennung von Gemengen

• Gemenge bestehen aus mehreren Stoffen, die trennt werden müssen, um die Reinstoffe zu erhalten.
• Die Kenntnis der physikalischen Eigenschaften der Reinstoffe ist entscheidend für die Trennung.

Physikalische Trennmethoden

• Physikalische Trennmethoden basieren auf spezifischen Eigenschaften der Reinstoffe.
• Zu den wichtigen physikalischen Eigenschaften gehören:
  • Dichte: Gewichtsverhältnis eines Stoffes zu seinem Volumen.
  • Siedepunkt: Temperatur, bei der ein Stoff in den Dampfzustand übergeht.
  • Löslichkeit: Fähigkeit eines Stoffes, sich in einem anderen Stoff (z.B. Wasser) zu lösen.

Anwendung der Trennmethoden

• Die Auswahl der geeigneten Trennmethode hängt von den spezifischen physikalischen Eigenschaften der enthaltenen Stoffe ab.
• Beispielsweise kann bei einer Mischung verschiedener Feststoffe die Dichteunterschiede durch sedimentieren genutzt werden.

Trennverfahren in Salzbergwerken

• Wird in österreichischen Salzbergwerken angewandt.
• Dient der Gewinnung von reinem Salz.
• Sehr geringe Verunreinigungen machen das Salz zum Verzehr geeignet.

Chromatografie

• Grundlagen der Stofftrennung: unterschiedliche Löslichkeit und Haftung der Stoffe.
• Benötigt nur winzige Mengen einer Probe.
• Häufig erster Prozessschritt zur Identifizierung von Stoffen.

Chromatographie in der chemischen Analyse

• Chromatographie ist eine Labortechnik zur Trennung von Gemischen in ihre einzelnen Komponenten.
• Das Gemisch wird in einer mobilen Phase gelöst, die flüssig oder gasförmig sein kann.
• Mobile Phase transportiert das Gemisch durch ein System, das sich aus einer Säule, einem Kapillarrohr, einer Platte oder einem Blatt zusammensetzt.
• Auf diesem System ist die stationäre Phase fixiert, ein Material, das die Bestandteile des Gemisches aufhält.
• Unterschiedliche Affinitäten der Bestandteile zur stationären Phase beeinflussen die Rückhaltezeiten.
• Bestandteile bewegen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in der mobilen Phase und trennen sich dadurch voneinander.
• Interaktionen zwischen den Bestandteilen und der stationären Phase bestimmen die Effizienz der Trennung.

Physikalische Trennmethoden

• Destillation: Verfahren zur Trennung von Flüssigkeiten, die auf den unterschiedlichen Siedepunkten basiert. Durch Erhitzen wird die Flüssigkeit verdampft und anschließend kondensiert, um reinen Stoff zu gewinnen.

• Extraktion: Methodik zur Trennung von Stoffen, welche unterschiedliche Löslichkeiten in einem Lösungsmittel nutzen. Ein Stoff wird gezielt aus einer Mischung herausgelöst, um ihn isoliert zu erhalten.

• Sieben und Filtrieren: Diese Techniken trennen Feststoffe unterschiedlicher Größen durch das Durchlässigmachen einer permeablen Schicht (Sieben) oder durch ein Filtermedium (Filtrieren). Nützlich für die Trennung von Sand, Schlamm oder anderen Partikeln.

• Sedimentieren und Dekantieren: Trennung aufgrund unterschiedlicher Dichten. Schwere Partikel setzen sich am Boden ab (Sedimentieren), und die Flüssigkeit wird vorsichtig abgetrennt (Dekantieren), ohne die abgesetzten Partikel zu stören.

Destillation: Trennung von Flüssigkeiten

• Destillation trennt Flüssigkeitsgemische.

• Wein (ca. 13% Ethanol) ist nicht brennbar.

• Ethanol siedet bei ca. 78°C, Wasser bei 100°C.

• Bei der Destillation verdampft Ethanol zuerst.

• Der Wasserdampf bleibt zurück.

• Im Kühler kondensiert der Ethanol-Dampf wieder zu Flüssigkeit.

• Weinbrand (Destillat) ist farblos, stark riechend und brennbar.

• Ethanol verbrennt mit bläulich-flackernder Flamme.

• Ethanolgehalt von mindestens 50% ist nötig für Brennbarkeit.

Papierchromatographie: Auftrennung von Farbstoffgemischen

• Papierchromatographie trennt Farbstoffgemische in ihre Einzelbestandteile.
• Die Methode nutzt die unterschiedliche Wanderungsgeschwindigkeit der Farbstoffe in einem Lösungsmittel (z.B. Wasser).
• Filzstifte enthalten meist keine Reinstoffe, sondern Gemische aus verschiedenen wasserlöslichen Farbstoffen.
• Die Farbstoffe wandern mit dem Lösungsmittel auf dem Filterpapier nach oben.
• Unterschiedliche Farbstoffe wandern unterschiedlich schnell, wodurch eine Auftrennung erfolgt.
• Drei Punkte auf dem Filterpapier ermöglichen den Vergleich verschiedener Farbstoffe oder Konzentrationen.

Aufbau der Papierchromatographie

• Filterpapier wird in ein Gefäß gestellt, sodass der untere Rand das Wasser berührt, die Farbpunkte aber trocken bleiben.
• Kapillarwirkung bewirkt das Aufsteigen des Wassers im Papier.
• Wasserlösliche Farbstoffe werden mitgeführt.

Prinzip der Trennung

• Unterschiedliche Farbstoffe haben unterschiedliche Löslichkeiten und Wanderungsgeschwindigkeiten im Wasser.
• Dies führt zur Auftrennung der Farbstoffe auf dem Filterpapier.
• Die Trennung basiert auf dem unterschiedlichen Verhältnis von Adhäsion (Anhaftung an dem Papier) und Kohäsion (Zusammenhalt der Farbstoffmoleküle).

Material

• Filterpapier
• Gefäß (z.B. Becherglas)
• Wasser
• Substanz mit Farbstoffen (Tinte, Filzstift etc.)

Durchführung

• Farbpunkte werden auf das Filterpapier aufgetragen (knapp über dem Wasserspiegel).
• Das Gefäß wird abgedeckt (um Verdunsten zu minimieren).
• Das Experiment wird beendet, wenn die Lösungsmittelfront eine definierte Höhe erreicht hat.

Kapillarwirkung

• Wasser steigt in engen Poren (z.B. Filterpapier) entgegen der Schwerkraft auf.
• Ursache: Adhäsion (Anziehung zwischen Wassermolekülen und Papierfasern) und Kohäsion (Anziehung zwischen Wassermolekülen untereinander).
• Oberflächenspannung des Wassers spielt eine entscheidende Rolle.
• Die Kräfte von Adhäsion und Kohäsion überwinden die Schwerkraft.

Wasserlöslichkeit von Farbstoffen

• Farbstoffe sind wasserlöslich.
• Wasserlöslichkeit und chemische Struktur beeinflussen die Auflösung und den Aufstieg im Wasser.
• Der Grad der Wasserlöslichkeit bestimmt, wie gut sich ein Farbstoff im Wasser löst und mit ihm aufsteigt.
• Unterschiedliche Farbstoffbestandteile zeigen unterschiedliches Löslichkeitsverhalten.

Dünnschichtchromatographie: Stationäre Phase

• Filterpapier dient als stationäre Phase in der Chromatographie.
• Starke Wechselwirkung der Farbbestandteile mit den Papierfasern führt zu langsamerer Bewegung.
• Farbstoffe mit höherer Affinität zur stationären Phase wandern langsamer.

Dünnschichtchromatographie (DC) und Polarität

• Mobile Phase: Wasser
• Höhere Wasserlöslichkeit = höhere Affinität zur mobilen Phase
• Farbstoffe mit hoher Wasserlöslichkeit wandern schneller nach oben (höhere Retentionszeit)
• Die Wanderungsgeschwindigkeit der Farbstoffe hängt von ihrer Polarität und der Polarität der mobilen Phase ab.

Einfluss von Molekülgröße und -struktur auf den Transport

• Kleinere Moleküle weisen eine schnellere Transportgeschwindigkeit in Wasser auf.
• Schwache Molekül-Papier-Interaktionen begünstigen einen leichteren Wassertransport.
• Größere Moleküle zeigen eine langsamere Transportgeschwindigkeit.
• Polare Moleküle tendieren zu stärkerer Adhäsion am Papier und somit zu verringerter Mobilität im Wasser.

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