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Chromatographie

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Chemie

Eine weitere Trennmethode, die du kennenlernst, ist die Chromatographie. Sie gilt als besonders schonend gegenüber den einzelnen Stoffen. Damit erweitern wir den Bereich Analytische Chemie als Teil des Fachs Chemie. 

In diesem Artikel lernst du die grundlegenden Abläufe einer Chromatographie kennen. Wir geben dir im Anschluss einen Überblick über die verschiedenen Arten einer Chromatographie und erklären dir kurz die jeweiligen Anwendungsbereiche. Zum Abschluss siehst du zwei Beispiele für Ergebnisse, an denen wir dir erklären, wie man sie untersucht.



Die Funktionsweise einer Chromatographie 


Ursprünglich wurde eine Chromatographie für den Nachweise von Farbstoffen verwendet. Daher stammt auch der Name. Sie ist somit ebenfalls eine Trennmethode, die auf den unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beruht. Hierbei handelt es sich vorrangig um die Löslichkeit und Adsorption. 


Adsorption beschreibt das Haftungsverhalten eines Stoffes an einer Oberfläche. Ein Beispiel dafür ist Parfüm, dessen Duftpartikel an der Haut haften, sich aber langsam auch wieder lösen. 


Allgemein unterscheidet man bei einer Chromatographie eine stationäre und eine mobile Phase. Die stationäre Phase ist dabei der Untergrund, auf dem die Probe hängenbleibt und haftet. 


Chromatographie, Chromatographie, stationäre und mobile Phase, StudySmarterAbbildung 1: Die Papier-Chromatographie; Quelle: seilnacht.com


In diesem Beispiel wurde als stationäre Phase ein Filterpapier verwendet. Als mobile Phase hingegen wirkt Wasser. Dieses Wasser trägt lösliche Stoffe aus der Probe mit sich, während es durch das Papier wandert. Die unterschiedlichen Stoffe bleiben allerdings unterschiedlich schnell auf dem Filterpapier kleben. Dieses adsorbiert die entsprechenden Teilchen.


In diesem Fall wurde als Probe Filzschreiber verwendet. Die unterschiedlichen Farbbestandteile wandern mit dem Wasser über das Papier und bleiben an unterschiedlichen Stellen haften. Hintergrund dafür sind unter anderem die unterschiedlichen Adhäsions-Kräfte. Dadurch lassen sich die Bestandteile erkennen, die dazu geführt haben, dass die schlussendliche Farbe des Filzstiftes erreicht wird. 


Je schneller die Wanderung der mobilen Phase erfolgt, desto weniger kommt es zu einer Diffusion der Ergebnisse. Auch die Auswahl von stationärer und mobiler Phase beeinflusst die Wanderung des Gemischs und ist daher entscheidend für die Genauigkeit der Ergebnisse.



Die unterschiedlichen Arten einer Chromatographie


Mithilfe einer Chromatographie können fast alle Arten von Gemischen optisch getrennt werden. Dafür werden verschiedene Methoden angewandt, die auf die jeweiligen Gemische angepasst sind. Einen Großteil davon lernst du nun kennen. Einzig auf die Gaschromatographie werden wir hier nicht genauer eingehen. Diese ist eine besondere Form, daher lernst du mehr darüber in einem gesonderten Artikel. 


Papier-Chromatographie (PC)


Die Papierchromatographie kennst du inzwischen aufgrund der grundlegenden Funktionsweise einer Chromatographie. Wie oben bereits erklärt wird hierfür ein Filterpapier als stationäre Phase verwendet. Die mobile Phase ist von der Probe abhängig, da so viel wie möglich gelöst werden soll. Wie du sicherlich weißt, löst sich Polares nur in einem polaren Medium, wie das in dem Beispiel oben der Fall war. Für eine unpolare Probe muss entsprechend ein unpolares Medium als mobile Phase fungieren, um eine optimale Löslichkeit zu erreichen. 


Dünnschicht-Chromatographie (DC)


Die Dünnschicht-Chromatographie erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie die Papier-Chromatographie. Nur die Materialien für die Phasen werden ausgetauscht. So wird für die stationäre Phase in diesem Fall ein fein pulverisiertes Material verwendet. Das kann unter anderem ein Kieselgel, Cellulose oder Aluminium-Oxid sein, das auf Plexiglas aufgetragen wird. 


Auch die mobile Phase erhält eine Verbesserung durch Zugabe von Ammoniak-Lösung und Natriumcitrat. Dadurch liegt der Vorteil dieser Methode deutlich darin, dass sie eine wesentlich höhere Laufgeschwindigkeit besitzt und die Empfindlichkeit gegenüber vielen Stoffen ebenfalls erhöht ist. 


Chromatographie: Dünnschicht-Chromatographie, StudySmarterAbbildung 2: Ergebnisse einer Dünnschicht-Chromatographie; Quelle: wikipedia.org


Mithilfe dieser Methode ist es sogar möglich, die unterschiedlichen Farbstoffe aus einem Laubblatt herauszutrennen, wie du in der Abbildung siehst. Besonders im Herbst kann dies sehr interessant sein, um die Zusammenstellung für die bunten Blätter nachzuverfolgen. 

 

Der Nachweis von zuerst nicht sichtbaren Stoffen erfolgt nach der Trennung mit UV-Licht oder anderen Fluoreszenz-Farbstoffen. Teilweise werden die DC-Platten dann auch mit einem Reagenz besprüht, das zu einer farblichen Änderung führt. Um die Probe nicht zu verunreinigen erfolgt dieser Vorgang meist erst nach der Chromatographie selbst. 


Säulen-Chromatographie (SC)


Die Säulen-Chromatographie gehört zu den Methoden, die die Stoffe aktiv voneinander trennen. Daher wird sie vor allem verwendet, um größere Stoffportionen oder einen Stoff von Verunreinigung zu trennen. Dabei wird in ein Röhrchen eine stationäre Phase gegeben, die häufig aus ähnlichen Materialien besteht wie bei einer Dünnschicht-Chromatographie. 


Die flüssige Phase ist nun wieder mit der Probe verbunden und wir oben in das Röhrchen gekippt. Beides muss nun durch das Röhrchen hindurchlaufen. Die flüssige Phase wird auch als Fließmittel bezeichnet und kann ständig nachgekippt werden. 


Die Röhrchen besitzen meist auch eine Öffnung am unteren Ende. In machen Fällen ist sie noch mit Watte verstopft. Dennoch kommt nach einiger Weile eine Flüssigkeit durch das Pulver und tropft heraus. Sie kann aufgefangen werden und weiter analysiert werden. 


Die Trennung erfolgt in diesem Fall, während die Probe durch das Pulver fließt. Einige Bestandteil werden adsorbiert und bleiben daher im Pulver. Daher erhält man als erste Fraktion diejenigen Stoffe, die fast gar nicht haften bleiben. Nach einer Weile lösen sich einige Stoffe wieder und werden mit dem Fließmittel mitgespült. 

So ist es möglich, durch Säulen-Chromatographie ein Gemisch zu fraktionieren, wie es auch bei der Destillation der Fall war. 


Ionenaustausch-Chromatographie 


Die Ionenaustausch-Chromatographie wird vor allem zur Reinigung von Wasser verwendet. Man bezeichnet dies auch als Demineralisierung. Dabei kommen bestimmte Kationen- und Anionenaustauscher zum Einsatz. Mithilfe von funktionellen Gruppen werden Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen in das Wasser gegeben, während die anderen Ionen an die funktionellen Gruppen binden. Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen bilden zusammen dann reines Wasser.


Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Ionenaustauscher wieder verwendbar sind. Sie können simpel aus dem Wasser getrennt werden, werden anschließend nach Dichte getrennt und mit neuen Oxonium- und Hydroxid-Ionen befüllt, um ihre Aufgabe erneut zu erfüllen. 


Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC)


Die letzte Methode, die du kennenlernst, nennt sich Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. Sie ist eine der effektivsten und genausten Methoden. So kann zum Teil 1ng aus 1kg entfernt werden für eine weitere Analyse. 

Von der Wirkungsweise ist sie der Gaschromatographie sehr ähnlich. Als stationäre Phase wirken kleine Partikel in Säulen, die einen Strömungswiderstand bilden. Dieser ist so groß, dass die mobile Phase durch die Säule mit der stationären Phase gepresst werden muss. 


Die Drücke, die dabei entstehen, befinden sich in einem Bereich um die 400MPa. Das sorgt dafür, dass die mobile Phase mit einer Geschwindigkeit von etwa 5cm/s die stationäre Phase passiert.



Der Vorteil dieser Methode besteht vor allem darin, dass sie einen riesigen Anwendungsbereich findet. Sie wird vor allem in Medizin, Bio- und Lebensmittelchemie sowie der Umwelt- und Produktüberwachung verwendet. Der geringe zeitliche Aufwand ist besonders von großem Vorteil. 



Übungen zur Chromatographie 


Zum Abschluss dieses Artikel lernst du noch die verschiedenen Varianten kennen, wie man eine Chromatographie ablesen kann. 


Chromatographie, Papier-Chromatographie,StudySmarterAbbildung 3: Die Papier-Chromatographie; Quelle: chemieunterricht.de


Die erste Möglichkeit besteht darin, dass du dir anschaust, welche Stoffe wie löslich sind. Für Filzstifte kann so nachgewiesen werden, welche Farbstoffe darin enthalten sind. In diesem Fall spielt es keine Rolle, welche Farbe wie weit gekommen ist. Hier willst du nur die verschiedenen Bestandteile selbst erkennen können. 



Chromatographie, Berechnung Rf-Wert, StudySmarterAbbildung 4: Die Berechnung des R(f)-Werts; Quelle: chemgapedia.de 


Für Untersuchungen im Labor sind jedoch andere Werte von Bedeutung. Dazu zählt der R(f)-Wert. Er berechnet sich aus dem Quotienten der Entfernung der Fließmittelfront zur Entfernung des Analyten. Es ergibt sich die Gleichung: 




Dieser R(f)-Wert wird auch als Retentionsfaktor bezeichnet und gibt entsprechend an, wie stark die Rückhaltung bzw. Haftbarkeit eines Stoffes ist im Vergleich zur Fließmittelfront. Diese Werte müssen entsprechend zwischen 0 und 1 liegen. 

Zum Vergleich wird häufig noch eine Standard-Substanz für die Chromatographie verwendet, um die Bedingungen des Experiments nicht außer Acht zu lassen. Dafür spielt dann der Quotient aus Standard-Substanz und Analyt eine Rolle. Es ergibt sich: 



Für weitere Analysen lässt sich noch die Auflösung berechnen. Daraus lassen sich Trennleistung und Selektivität bestimmen. Allerdings beziehen diese Berechnungen vor allem auch auf die Kombination aus Probe und mobiler Phase. Sie werden berechnet mit der Gleichung: 



Gesucht wird meist eine Auflösung R, die zwischen 1 und 1,5 liegt. Dann spricht von optimalen Bedingungen für eine Chromatographie. Somit kann also überprüft werden, ob das Experiment aussagekräftig genug ist oder mobile und stationäre Phase angepasst werden müssen. 





Chromatographie - Das Wichtigste auf einen Blick

  • Eine Chromatographie beruht auf den physikalischen Eigenschaften Löslichkeit und Adsorption. Dabei durchläuft eine mobile Phase mitsamt einer Probe eine stationäre Phase. Partikel der Probe bleiben an der stationären Phase haften. So kann man Aussagen über die jeweiligen Bestandteile treffen. 
  • Je schneller die Wanderung der mobilen Phase erfolgt, desto weniger findet eine Diffusion statt und die Ergebnisse sind genauer. 
  • Die Papier-Chromatographie verwendet als stationäre Phase ein Filterpapier. Als mobile Phase wirkt meist Wasser, abhängig von der Löslichkeit der Probe. 
  • Die Dünnschicht-Chromatographie verwendet Kieselgel, Cellulose oder ein Aluminium-Oxid als stationäre Phase. Sie wurde ursprünglich für die Analyse von Laubblattfarbstoffen verwendet. 
  • Die Säulen-Chromatographie dient unter anderem auch der Fraktionierung von Gemischen. 
  • Die Ionenaustausch-Chromatographie wird zur Demineralisierung von Wasser verwendet. 
  • Die effektivste Methode ist die Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. Dabei wird die mobile Phase mit einem Druck von 400MPa durch die stationäre Phase gepresst. 
  • Zur Analyse dient vor allem der R(f)-Wert. Die Auflösung R sollte zwischen 1 und 1,5 liegen. 


Häufig gestellte Fragen zum Thema Chromatographie

Je nachdem, wie genau man die Blattfarbstoffe unterscheidet, kann man folgende mithilfe einer Chromatographie erkennen: 

  • Neoxanthin
  • Vidaxanthin 
  • Lutein
  • Chlorophyll B
  • Chlorophyll A
  • Phaeophytin 
  • Carotin. 

Die Chromatographie beruht auf der Löslichkeit und Adsorption. Eine mobile Phase löst dabei eine Probe und durchfließt eine stationäre Phase. Aufgrund der Adsorption bleiben die Partikel der Probe an der stationären Phase haften. Es entstehen häufig unterschiedlich farbige Flecken auf der stationären Phase, die analysiert werden können. 

Blattgrün besteht aus den unterschiedlichen Farbstoffen eines Laubblatts. Dabei handelt es sich um:

  • Neoxanthin
  • Vidaxanthin 
  • Lutein
  • Chlorophyll B
  • Chlorophyll A
  • Phaeophytin 
  • Carotin. 

Bei der Chromatographie handelt es sich um eine Trennmethode, die auf Löslichkeit und Adsorption beruht. Eine mobile Phase löst dabei eine Probe und durchfließt eine stationäre Phase. Aufgrund der Adsorption bleiben die Partikel der Probe an der stationären Phase haften. Es entstehen häufig unterschiedlich farbige Flecken auf der stationären Phase, die analysiert werden können. 

Finales Chromatographie Quiz

Frage

Auf welchen physikalischen Eigenschaften beruht die Chromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Chromatographie beruht auf Löslichkeit und Adsorption. 

Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt die Adsorption?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Adsorption beschreibt das Haftungsverhalten eines Stoffes an der Oberfläche. Ein Beispiel dafür ist Parfüm, dessen Duftpartikel an der Haut haften, sich aber langsam wieder lösen. 

Frage anzeigen

Frage

Bei einer Chromatographie unterscheidet man eine ... und eine ... Phase. 

Antwort anzeigen

Antwort

eine stationäre und eine mobile Phase

Frage anzeigen

Frage

Warum bleiben die Partikel einer Chromatographie an unterschiedlichen Stellen haften?

Antwort anzeigen

Antwort

Hintergrund ist unter anderem die Adhäsion, aber natürlich auch die Adsorption zwischen stationärer Phase und Probe. 

Frage anzeigen

Frage

Weshalb muss eine Wanderung der mobilen Phase bei einer Chromatographie schnell erfolgen?

Antwort anzeigen

Antwort

Je schneller die Wanderung der mobilen Phase ist, desto weniger kommt es zu einer Diffusion. Die Ergebnisse werden genauer. 

Frage anzeigen

Frage

Als stationäre Phase während einer Papier-Chromatographie wird ein (1) ... verwendet. Als mobile Phase wirkt meist (2) ... . 

Antwort anzeigen

Antwort

Als stationäre Phase während einer Papier-Chromatographie wird ein (1) Filterpapier verwendet. Als mobile Phase wirkt meist (2) Wasser .

Frage anzeigen

Frage

Wann kann Wasser als mobile Phase verwendet werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Wasser ist polar. Daher kann es als Medium nur für polare Proben verwendet werden. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Materialien wirken als stationäre Phase während einer Dünnschicht-Chromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Meist werden dafür ein Kieselgel, Cellulose oder Aluminium-Oxid verwendet, die auf ein Plexiglas aufgetragen werden. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Blattfarbstoffe kann man mithilfe einer Chromatographie unterscheiden?

Antwort anzeigen

Antwort

Zu den erkennbaren Farbstoffen gehören: 

  • Neoxanthin
  • Vidaxanthin
  • Lutein
  • Chlorophyll B 
  • Chlorophyll A 
  • Phaeophytin 
  • Carotin. 
Frage anzeigen

Frage

Wodurch wird die Wirkung der mobilen Phasen während einer Dünnschicht-Chromatographie verbessert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Verbesserung entsteht durch Zugabe von Ammoniak-Lösung und Natriumcitrat. 

Frage anzeigen

Frage

Mithilfe einer Säulen-Chromatographie ist es möglich, die einzelnen Stoffe eines Gemischs zu ...

Antwort anzeigen

Antwort

fraktionieren. 

Frage anzeigen

Frage

Wofür wird die Ionenaustausch-Chromatographie verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Diese Trennmethode findet eine Anwendung in der Reinigung von Wasser. Man bezeichnet dies als Demineralisierung. 

Frage anzeigen

Frage

​Welche beiden Ionenarten werden bei der Ionenaustausch-Chromatographie ins Wasser gegeben?

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen, die sich zusammen zu Wasser verbinden. 

Frage anzeigen

Frage

Mit welchem Druck wird die mobile Phase bei einer Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie durch die stationäre Phase gepresst?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Druck liegt bei ungefähr 400MPa. 

Frage anzeigen

Frage

Die Geschwindigkeit, mit der sich die mobile Phase durch eine Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie bewegt, liegt bei ... .

Antwort anzeigen

Antwort

5cm/s

Frage anzeigen

Frage

Wie wird der Retentionsfaktor berechnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Dafür lässt sich folgende Gleichung aufstellen:

Frage anzeigen

Frage

Wie berechnet man die Auflösung R?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Auflösung R für eine Chromatographie lässt sich berechnen mit: 


Frage anzeigen

Frage

Über welche Eigenschaften kann die Auflösung eine Aussage machen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Mit der Auflösung lässt sich eine Aussage über Trennleistung und Selektivität machen. Die Auflösung sollte zwischen 1 und 1,5 liegen. 

Frage anzeigen

Frage

In welchem Bereich wird die Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie verwendet?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie wird vor allem in Medizin, Bio- und Lebensmittelchemie sowie der Umwelt- und Produktüberwachung verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Der Nachweis von zuerst nicht sichtbaren Stoffen nach einer Dünnschicht-Chromatographie erfolgt mit (1) ... oder anderen (2) ...-Farbstoffen. 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Nachweis von zuerst nicht sichtbaren Stoffen nach einer Dünnschicht-Chromatographie erfolgt mit (1) UV-Licht oder anderen (2) Fluoreszenz-Farbstoffen.

Frage anzeigen
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