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Chromatographie und andere Trennverfahren für das

Schulexperiment

Hinweise und Möglichkeiten zur thematischen Einbettung im Unterricht

von Stefan Becker

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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

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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

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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

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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-schiedlic

he Trippel-punkte

 unter-schiedl. Kristall-bildung

Unter-schiedl.Löslich-keit in

versch. Stoffen 

 

Verb filtrierenChromato-graphieren

Sedimen-tieren

Zentrifug-ieren

magnet.trennen

ver-dampf

en

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 LaborZucker raffinier

en

          

detailliertere Einteilungsmöglichkeit

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Definitionen geben für einzelne Trennverfahren

Sedimentieren Dekantieren Filtrieren Zentrifugieren Abscheiden Abdampfen Extrahieren Destillieren Trennung mittels eines Magneten Chromatographie

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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.

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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

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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

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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.

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Filtrieren – Teil 3

Man kann filtrieren auch mit Unterdruck durchführen Beispiel:

Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches:

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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.

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Zentrifugieren – Teil 2

nach dem Rotieren:

Der Feststoff hat sich am Boden der Reagenzgläser abgesetzt und man kann die Flüssigkeit abdekantieren.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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Destillation- fraktionierende Destillation- Teil 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

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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

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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.

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Chromatographie - Teil 3

Beispiel:Auftrennung eines Farbstoffgemisches:

Ergebnis des Experiments:

für Ihr Publikum von Bedeutung?

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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

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Chromatographie - Teil 5

Erweiterungsmöglichkeit / Praxisbezug:

schematischer Aufbau eines Gaschromatographen:

Ihr Publikum später erinnern soll.

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Chromatographie - Teil 6

Typischer Gaschromatograph

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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):

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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

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Literatur zum Thema

Internetseiten:

- http://www.restena.lu/ddnuc/COURS/2/220m.htm

- http://www.guidobauersachs.de/oc/trennverfahren.html