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Gaschromatographie

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Gaschromatographie

Eine sehr wichtige Form der Chromatographie stellt die Gaschromatographie dar. Mithilfe dieser Methode werden in jedem Fall gasförmige Stoffe analysiert und sogar getrennt. Dabei wirkt ein Trägergas als Transportmittel. Verschiedene Zusammensetzungen der Säulen im Inneren des Gaschromatographen sorgen dafür, dass die einzelnen Bestandteile des Gases adsorbiert werden. Das unterschiedliche Haftungsverhalten der Stoffe sorgt für die mögliche Trennung.

Die Gaschromatographie ist eine der wichtigsten Trennmethoden, die alltäglich im Labor verwendet werden.

Zum Schluss dieses Artikel findest du die wichtigsten Informationen noch einmal zusammengefasst. Damit lernst du am besten für deine nächste Prüfung.

Was ist eine Gaschromatographie?

Eine Gaschromatographie ist eine Sonderform der Chromatographie. Auch hier wird mit den physikalischen Eigenschaften Löslichkeit und Adsorption gearbeitet. Wie allerdings auch schon bei einer Säulen-Chromatographie können die einzelnen Bestandteile effektiv voneinander getrennt werden.

Gaschromatographie, Aufbau Gaschromatographie, StudySmarterAbbildung 1: Aufbau einer Gaschromatographie; Quelle: Gross J. (2019) Chromatographie-Massenspektrometrie-Kopplung. In: Massenspektrometrie. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. S. 115.

Die Abbildung zeigt dir nun einen schematischen Aufbau einer solchen Gaschromatographie. Die Trennung erfolgt in der Kapillarsäule. Dabei handelt es sich meist um ein Rohr bestehend aus Glas, Kunststoff oder Metall. Getrennt werden in diesem Bereich meist Gase, aber auch leicht verdampfbare Flüssigkeiten oder Feststoffe.

Die stationäre Phase befindet sich in dieser Kapillarsäule. Häufig findet man hier ein feinkörniges Pulver, das mit einer nichtflüchtigen Flüssigkeit getränkt ist. Als mobile Phase wird ein Trägergas verwendet. Oftmals handelt es sich dabei um Wasserstoff oder Helium.

Wasserstoff ist leicht endzündbar. Beim Austritt des Gases aus der Kapillarsäule wird es entzündet. Die Veränderung der Flamme weist dann auf die entsprechenden Bestandteile hin, die dann mit dem Detektor registriert werden.

Helium hingegen leitet Wärme. Die Veränderung wird nun dadurch bemerkt, dass sich bei unterschiedlichen Gasen die Wärmeleitfähigkeit von Helium in eine bestimmte Richtung verändert. Auch diese werden mit dem Detektor aufgezeichnet.

Die Kapillarsäule wird häufig auch als Trennsäule bezeichnet, da sich die Stoffe in diesem Bereich voneinander trennen. Diese Trennung erfolgt aufgrund der unterschiedlichen Wechselwirkungen zwischen der stationären Phase und den Bestandteilen der Probe. Die einzelnen Bestandteile werden adsorbiert und haften an dem Pulver der stationären Phase. In diesem Zustand kommt es unter anderem auch vor, dass sie absorbiert werden.

Eine Absorption steht in diesem Fall dafür, dass sich der gasförmige Stoff meist in der Flüssigkeit löst, in die das Pulver getränkt ist. Allerdings handelt es sich nur um eine vorübergehende Adsorption.

Aufgrund des unterschiedlichen Haftungsverhaltens lösen sich die Teilchen entsprechend wieder. Dadurch kommt es zu einem zeitversetzten Austritt aus der Säule, der dann analysiert werden kann.

Der Detektor wandelt die Veränderungen in ein elektrisches Signal um. Mithilfe eines Verstärkers gelangen sie zu einem Schreiber. Hier entsteht dann ein sogenanntes Chromatogramm. Auf diesem sind die entsprechenden Peaks zu sehen, die Veränderungen markieren. Als Peaks bezeichnet man die Ausschläge des Schreibers.

Gaschromatographie, Peaks Chromatogramm Gaschromatographie, StudySmarterAbbildung 2: Beispiel eines Chromatogramms; Quelle: analytik.ethz.ch

Die vereinfachte Form eines solchen Chromatogramms zeigt dir die Abbildung. Die entsprechenden Peaks machen Aussagen über die Anteile in der Probe möglich. Es besteht schließlich eine Proportionalität zwischen der Fläche unter dem Peak und der vorhandenen Stoffmenge in der ursprünglichen Probe, vorausgesetzt die Wärmeleitfähigkeit aller Stoffe ist ungefähr gleich. Damit ergibt sich folgende Verhältnisgleichung:

Weiterhin lässt sich die Art des Stoffs mithilfe der charakteristischen Retentionszeit erkennen. Meist wird dabei der Reinstoff ebenfalls durch die Gaschromatographie gegeben, um unter gleichen Umständen ein Ergebnis zu zeigen. Anschließend werden die Peaks verglichen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich mit dieser Methode nicht nur Gase trennen. Auch Flüssigkeiten und Feststoffe können getrennt werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass sie unzersetzt verdampfbar sind. Nur dann kann der Stoff problemlos untersucht werden.

Die Besonderheit der Gaschromatographie

Zuerst einmal ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass sich mit dieser Methode die Stoffe tatsächlich trennen lassen, sodass sie auch weiterführend analysiert werden können. Das ist im Gegenteil bei einer Papier-Chromatographie zum Beispiel nicht der Fall.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Gaschromatographie sehr schnell arbeitet. Somit ist eine rasche quantitative, aber eben auch qualitative Analyse von teilweise sehr komplexen Gemischen möglich. Die entsprechenden Ergebnisse werden in den meisten Fällen grafisch dargestellt dank der Kopplung mit einem Detektor.

Allerdings besitzt diese Methode einen großen Nachteil gegenüber der Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie. Bei einer Gaschromatographie können nun gasförmige oder leicht verdampfbare Stoffe analysiert werden.

Die Anwendung der Gaschromatographie

Aufgrund der hohen Empfindlichkeit ist die Gaschromatographie eine der häufigsten Anwendungen in der Analytik im Labor. Teilweise können Mengen im Bereich von 1g nachgewiesen werden. Häufig erfolgt anschließend eine Kopplung mit einer Massenspektrometrie, wodurch im Anschluss eine Strukturanalyse erfolgt.

Die quantitative Analyse ist häufig komplizierter, da Vergleichsmessungen gemacht werden müssen. Da ist es meist einfacher, andere Methoden anzuwenden, doch in geringem Rahmen ist dies auch durch eine Gaschromatographie im Labor möglich.

Weitere Anwendungsbereiche sind:

  • Analytik von Agrarprodukten auf Herbizide
  • Fleischprodukte auf Hormone
  • Untersuchung von Arzneimittel, von Aromen und ätherischen Ölen, von Kohlenhydraten, von Erdölkomponenten
  • forensische Chemie
  • Dopingtests
  • Luft- und Meerwasseruntersuchungen in der Umweltanalytik

Tatsächlich ist die Flüssigkeit/Gaschromatographie gekoppelt mit der Massenspektrometrie die wichtigste Analyseform im Sportbereich, um Doping nachzuweisen. Dabei gibt es ausgewählte Zentren in Deutschland, die von der World Anti-Doping Agency (WADA) akkreditiert wurden, um als Institutionen diese Dopingtests sicher durchzuführen.

Mit diesem Wissen bist du nun bestens vorbereitet. Als Wiederholung und auch für dich zum Lernen haben wir die wichtigsten Informationen noch einmal kurz zusammengefasst.

Gaschromatographie - Alles Wichtige auf einen Blick

  • Bei einer Gaschromatographie werden die Stoffe aktiv durch Adsorption und Löslichkeit voneinander getrennt. Die Trennung selbst erfolgt in einer Kapillarsäule, die mit einem Pulver gefüllt ist.
  • Das Pulver wirkt als stationäre Phase. Die mobile Phase ist ein Gas, zum Beispiel Helium oder Wasserstoff.
  • Aufgrund der Adsorption treten die einzelnen Stoffe nacheinander aus der Säule. Die Veränderungen werden von einem Detektor wahrgenommen und mit einem Schreiber aufgezeichnet. Es entsteht ein Chromatogramm.
  • Anhand der Chromatogramme im Vergleich zwischen Probe und Reinstoffen lassen sich Aussagen über Qualität und Quantität treffen.
  • Die Besonderheit der Gaschromatographie liegt in der schnellen Analyse von teilweise sehr komplexen Gemischen. Daher wird diese Methode vorrangig im Labor angewendet.
  • Die weitere Anwendung liegt vor allen in den Bereichen Agrarwissenschaften, Arzneimittel, Forensik, aber auch Doping.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gaschromatographie

Die Gaschromatographie folgt dem Prinzip der Adsorption der Bestandteile. Als mobile Phase wird ein Gas, zum Beispiel Helium oder Wasserstoff verwendet. Als stationäre Phase dient ein Pulver, das sich in einem Rohr befindet. Die Probe wird mithilfe des Gases in ebenfalls gasförmigen Zustand durch das Rohr befördert. Ein Detektor nimmt beim Austritt aus dem Rohr die verschiedenen Bestandteile zeitlich versetzt wahr. 

Als Peaks bezeichnet man die Ausschläge, die in einem Chromatogramm entstehen. Diese Ausschläge entstehen, wenn der Detektor eine Veränderung im Trägergas wahrnimmt. 

Die Auswertung erfolgt über Referenzen unter den gleichen Bedingungen. Die Peaks werden miteinander verglichen. Gleichzeitig geben die Retentionszeiten bereits Aussagen darüber, um welche Stoffe es sich wahrscheinlich handelt, da sie charakteristisch für den Stoff sind. Auch die Fläche unter dem Peak kann besonders quantitativ ausgewertet werden. 

Als Trennsäule bezeichnet man in einer Gaschromatographie das Rohr aus Metall, Kunststoff oder Glas, in dem sich die stationäre Phase befindet. Der Name kommt daher, dass sich in diesem Bereich die Stoffe voneinander trennen müssen. 

Finales Gaschromatographie Quiz

Frage

Mithilfe welcher physikalischen Eigenschaften wirkt die Gaschromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gaschromatographie wirkt wie die anderen Arten der Chromatographie mithilfe von Löslichkeit und Adsorption. 

Frage anzeigen

Frage

Wo erfolgt die Trennung der Stoffe während einer Gaschromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Trennung erfolgt in einer Kapillarsäule, die durch den Säulenofen erhitzt wird. 

Frage anzeigen

Frage

Woraus besteht das Rohr bzw. die Kapillarsäule?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kapillarsäule einer Gaschromatographie besteht häufig aus Glas, Kunststoff oder Metall. 

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Frage

Welche Gemische können mithilfe einer Gaschromatographie getrennt werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Es können vor allem Gase, aber auch leicht verdampfbare Flüssigkeiten oder Feststoffe getrennt werden.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die stationäre Phase einer Gaschromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die stationäre Phase ist meist ein feinkörniges Pulver, das mit einer nichtflüchtigen Flüssigkeit getränkt ist. 

Frage anzeigen

Frage

Welche zwei Stoffe werden vor allem als Trägergas verwendet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Wasserstoff oder Helium 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Veränderung wahrgenommen, wenn Wasserstoff die mobile Phase der Gaschromatographie ist?

Antwort anzeigen

Antwort

In diesem Fall wird der Wasserstoff beim Austreten aus der Kapillarsäule angezündet. Veränderungen der Flamme weisen auf entsprechende Bestandteile in der Probe hin. 

Frage anzeigen

Frage

Die Bestandteile einer Probe werden bei Helium aufgrund der (1) ... festgestellt. Die Veränderungen werden mit einem (2) ... registriert. 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Bestandteile einer Probe werden bei Helium aufgrund der (1) Wärmeleitfähigkeit festgestellt. Die Veränderungen werden mit einem (2) Detektor registriert.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Kapillarsäule noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Kapillarsäule wird auch als Trennsäule bezeichnet, da in diesem Bereich die Stofftrennung erfolgt. 

Frage anzeigen

Frage

Was meint eine Absorption im Kontext der Gaschromatographie?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Absorption findet statt, wenn sich der gasförmige Stoff in der Flüssigkeit löst, in die die stationäre Phase, das Pulver, getränkt ist. Es handelt sich allerdings um eine vorübergehende Absorption. 

Frage anzeigen

Frage

Wie nennt man die Linien, die der Schreiber aufzeichnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die gesamten Linien werden zusammengefasst zum Chromatogramm. 

Frage anzeigen

Frage

Als ... bezeichnet man die Ausschläge des Schreibers. 

Antwort anzeigen

Antwort

Peaks

Frage anzeigen

Frage

Wann lässt sich eine Aussage über die Quantität eines Stoffs in der Probe machen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn die Wärmeleitfähigkeit aller Stoffe ungefähr gleich ist, kann eine Aussage über die Anteile eines Stoffes gemacht werden, indem man die Fläche unter einem einzelnen Peak mit der Gesamtfläche aller Peaks in Relation setzt. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Eigenschaft ist charakteristisch aus dem Chromatogramm erkennbar und hilft der Stoffidentifikation? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um die Retentionszeit, die in einer Chromatographie charakteristisch für die jeweiligen Stoffe ist. 

Frage anzeigen

Frage

Welchen Vorteil bringt eine Gaschromatographie mit sich gegenüber den anderen Methoden? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Gaschromatographie ist eine sehr schnelle Methode für eine quantitative und qualitative Analyse von teils sehr komplexen Gemischen. Sie ist hoch empfindlich gegenüber den einzelnen Bestandteilen. 

Frage anzeigen

Frage

Bis in welchen Bereich kann eine Gaschromatographie Stoffe nachweisen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der Nachweisbereich liegt bei etwa 1ng. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Methode wird häufig zur Strukturanalyse an eine Gaschromatographie angeschlossen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dabei handelt es sich um eine Massenspektrometrie. 

Frage anzeigen

Frage

In welchen Bereichen findet die Gaschromatographie eine Anwendung? 

Antwort anzeigen

Antwort

Dazu zählen unter anderem: 

  • Analytik von Agrarprodukten auf Herbizide
  • Fleischprodukt auf Hormone
  • Untersuchung von Arzneimittel, Aromen, ätherischen Ölen, Kohlenhydraten und Erdölkomponenten 
  • forensische Chemie
  • Dopingtests
  • Luft- und Meerwasseruntersuchungen. 
Frage anzeigen

Frage

Welchen Nachteil weist eine Gaschromatographie gegenüber einer Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie auf? 

Antwort anzeigen

Antwort

Der grundsätzliche Nachteil besteht darin, dass eine Gaschromatographie nur gasförmige oder leicht verdampfbare Stoffe analysieren kann. 

Frage anzeigen

Frage

Wie wird ein Chromatogramm ausgewertet? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die Auswertung erfolgt mit Vergleichskurven, die durch Reinstoffe gemacht worden sind. Somit lassen sich die Stoffe unter den gegebenen Bedingungen sicherer analysieren. Gleichzeitig werden Berechnungen gegenüber der ursprünglichen Anteile in der Gesamtprobe und der Retentionszeit angestellt. 

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