In der analytischen Chemie und auch in der Industrie, dort besonders in der Pharmazie, sind unterschiedliche Trennmethoden von höchstem Interesse. Diese werden nach abgelaufenen chemischen Reaktionen zur Trennung des Zielprodukts von den übrigen Verunreinigungen, wie nicht umgesetzten Ausgangsstoffen oder Nebenprodukten, im Reaktionsgefäß genutzt.
Hierzu werden von verschiedenen Trennverfahren unterschiedliche physikalische Stoffeigenschaften ausgenutzt, um die Trennung verschiedener Gemische zu bewirken. Das kann etwa die Abtrennung von zweier Flüssigkeiten aufgrund verschiedener Siedepunkte, also die Destillation sein. Dieser Artikel gibt Dir eine Übersicht der unterschiedlichen Trennmethoden, geordnet nach heterogenen und homogenen Stoffgemischen.
Trennmethoden einfach erklärt
Bevor es zu den unterschiedlichen Trennmethoden geht, solltest Du noch die grundlegenden Unterschiede zwischen den verschiedenen Stoffgemischen kennenlernen, die in der Chemie existieren.
Heterogene Gemische
Heterogene Gemische sind Stoffgemische, deren Einzelbestandteile, auch Phasen genannt, noch deutlich voneinander unterscheidbar sind. Ein heterogenes Gemisch besteht aus mindestens zwei Phasen, nach oben gibt es jedoch keine Grenze.
Der Smoothie in Abbildung 1 ist beispielsweise keine einheitliche Mischung, sondern besteht vielmehr aus verschiedenen Bestandteilen, die miteinander vermengt, aber nach wie vor unterscheidbar sind. Die verschiedenen Bestandteile, also Obst- und Gemüsestücke in einer Flüssigkeit bilden dabei laut Chemikern die unterschiedlichen Phasen.
Abbildung 1: Heterogener Smoothie
Homogene Gemische
Homogene Stoffgemische bestehen im Gegensatz zu den heterogenen Gemischen aus nur einer Phase.
Ein Beispiel hierfür wäre eine ungesättigte Kochsalzlösung, in der die Salzkristalle vollständig in Wasser gelöst sind, sodass Du nur eine farblose Flüssigkeit beobachten kannst.
Verschiedene Phasen bilden sich aus, wenn sich zwei oder mehrere Stoffe in ihren physikalischen Eigenschaften stark voneinander unterscheiden. Hiermit sind unter anderem die Dichte oder die Löslichkeit gemeint. Bei der Phasenbildung entsteht eine Grenzfläche, in der Reaktionen stattfinden können.
Es gibt aber auch Fälle, wie die Emulsion von Öl und Essig in einer Salatvinaigrette, wo kleine fein verteilte Öltropfen im Essig selbst vorliegen. Bei optimaler Vermengung sind die Phasen mit dem bloßen Auge kaum noch voneinander zu unterscheiden sind. Ein anderes realitätsnahes Beispiel für eine solche Emulsion wäre Mayonnaise.
Trennmethoden chemische Gemische
An der Stelle ist es sinnvoll, noch kurz auf die verschiedenen Stoffklassen hinzuweisen, mit denen Du in der Chemie in Kontakt kommst. Zunächst werden Reinstoffe und Gemische unterschieden. Zu den Reinstoffen zählen chemische Verbindungen und die reinen Elemente. Die Stoffgemische werden wie bereits besprochen in heterogene und homogene Gemische unterteilt.
Zu den homogenen Stoffgemischen der Chemie zählen:
- Gasgemische,
- Legierungen (Gemische aus unterschiedlichen Metallen) und
- Lösungen (in einer Flüssigkeit gelöste Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase)
Zu den heterogenen Stoffgemischen der Chemie zählen:
- Schaum (gasförmige Bläschen in einer Flüssigkeit)
- Hartschaum (gasförmigen Bläschen in einem Feststoff)
- Aerosole (Rauch, also Feststoffpartikel in einem Gas, und Nebel, also Flüssigkeitspartikel in einem Gas)
- Suspensionen (Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit)
- Emulsionen (Gemisch aus mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten)
- Gemenge (Gemisch nicht mischbarer Feststoffe)
Du kennst ja sicherlich aus dem Chemie-Unterricht bereits die verschiedenen Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig. Unter gewissen Bedingungen, meistens sind das der Druck und die Temperatur, lassen sich dann unterschiedliche Stoffe aus den Gemischen heraustrennen, indem sie von einem Aggregatzustand in den anderen überführt werden. Bei anderen Trennverfahren hingegen werden andere Stoffeigenschaften ausgenutzt.
Trennmethoden für heterogene Stoffgemische
Nachdem Du nun die verschiedene Gemische noch einmal kurz kennengelernt hast, beginnst Du nun entsprechend der Reihenfolge auch jeweils mit den verschiedenen Trennmethoden für heterogene Stoffgemische.
Sortieren
Die erste Methode, die Du kennenlernst, ist sicherlich die einfachste in der Chemie. Hierbei erfolgt die Trennung der Gemische aus festen Phasen nach deutlich erkennbaren Unterschieden. Das kann per Hand erfolgen, wird aber immer häufiger automatisiert.
Kriterien für das Sortieren können unter anderem die Teilchengröße (beim Sieben) oder die magnetischen Eigenschaften (beim Magnetsortieren) der unterschiedlichen Stoffe sein.
Für Salze werden häufig elektrostatische Trennverfahren angewendet. Die unterschiedlichen Teilchen werden dabei unterschiedlich geladen und durch Metallplatten auf beiden Seiten entsprechend der Pole angezogen. So lassen sich auch sehr feine Teilchen voneinander trennen.
Elektrostatische Trennverfahren arbeiten mit elektrisch geladenen Polen, die die jeweiligen Salz-Ionen zu sich ziehen. Bedenke, dass sich positive und negative Ladungen stets anziehen.
Sedimentieren und Dekantieren
Mithilfe dieser Trennmethode werden in der Chemie hauptsächlich Suspensionen getrennt. In einigen Fällen können auch Emulsionen auf diese Weise getrennt werden. Normalerweise läuft diese Methode auch mithilfe der Schwerkraft ab, wie es beim Dekantieren von Wein der Fall ist. Der Sinn im Dekantieren von rotem Wein liegt darin, Stoffe abzutrennen, die sich während der Lagerung im Holzfass gebildet haben und einen negativen Einfluss auf den Geschmack haben.
Zur Beschleunigung der Sedimentation wird häufig eine Zentrifuge verwendet. Die Feststoffe oder Flüssigkeiten lagern sich damit deutlich schneller und effektiver ab.
Die Sedimentation ist der physikalische Vorgang beim Absetzen von Feststoffen in einer flüssigen Phase aufgrund von unterschiedlichen Dichten.
Bei Suspensionen wird die Flüssigkeit anschließend dekantiert. Die Wortherkunft von dekantieren liegt im Französischen und bedeutet so viel wie "von der Kante gießen".
Emulsionen müssen hinterher zur Trennung in einen Scheidetrichter überführt werden, um eine erneute Vermischung der Flüssigkeiten zu verhindern.
Filtration
Die dritte Trennmethode, die Du kurz kennenlernen sollst, ist die Filtration von Feststoffen aus Flüssigkeiten oder Gasen. Zum Filtrieren selbst wird meistens ein Filterpapier verwendet. Dieses Trennverfahren findet allerdings auch regelmäßig Anwendung im Alltag. Vielleicht hast Du schon einmal Sauerkirschen abgetropft, um einen Kuchen zu backen. Aus chemischer Perspektive hast Du dann gerade filtriert, denn Du hast die feste Phase, sprich die Sauerkirschen, von der flüssigen Phase, dem Kirschsaft, getrennt.
Dieses Trennverfahren kann mithilfe von Unterdruck beschleunigt werden. In diesem Fall wird im Labor eine sogenannte Saugflasche mit einem sogenannten Büchner-Trichter genutzt. Der Anschluss an der Saugflasche ist für den Unterdruck gedacht.
Extraktion
Die Extraktion beruht als Trennmethode auf dem Löslichkeitsverhalten zweier Stoffe. Dabei wird ein Lösungsmittel hinzugegeben, in dem sich nur einer der beiden Stoffe löst. Bei den Feststoffgemischen wird dann sedimentiert und dekantiert oder filtriert. Die Trennung des Lösungsmittels von einem gelösten Stoff kann hinterher durch Abdampfen erfolgen.
Wenn Du etwa Salz mit Kräutern wie Rosmarin miteinander vermischt hast und die beiden Stoffe wieder trennen möchtest, kannst Du einfach Wasser als Lösungsmittel hinzugebe. Die Kräuter werden dann mithilfe von einem Teesieb oder Ähnlichem von der Lösung getrennt. Das Wasser kannst Du theoretisch noch abdampfen lassen, um das Salz zurückzugewinnen. Währenddessen kannst Du dann noch Deine Kräuter trocknen.
Das Löslichkeitsverhalten sagt Dir, wie gut ein Stoff in einem bestimmten Lösungsmittel gelöst werden kann.
Abdampfen und Trocknen
Bevor es zu den homogenen Stoffen geht, lernst Du noch ein letztes Trennverfahren der heterogenen Gemische kennen. Hierfür spielen unterschiedliche Siedetemperaturen eine wichtige Rolle. So wird ein Flüssigkeitsgemisch beim Abdampfen auf eine Temperatur erhitzt, bei der nur einer der beiden Stoffe siedet. Der Aggregatzustand ändert sich folglich von Flüssigkeit zu Dampf und es erfolgt eine Abtrennung der Phasen.
Beim Abdampfen oder Trocknen von Gemischen aus einem Feststoff in einer Flüssigkeit wird das ganze meist in einer offenen Apparatur gemacht. Hierbei entweicht der Dampf einfach in den Abzug und der Feststoff verbleibt wie gewünscht im Gefäß.
Die Siedetemperatur ist eine stoffspezifische Größe, die die Temperatur beschreibt, bei der die Substanz von der Flüssigkeit in die Dampfphase übergeht. Bei Wasser liegt diese bekannterweise bei 100 °C.
Trennmethoden für homogene Gemische
Der zweite große Abschnitt dieses Artikels beschäftigt sich nun mit den Trennverfahren, die für homogene Gemische Anwendung finden. Ähnlich wie heterogene Gemisch findet die Trennung der Substanzen aufgrund ihrer unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften statt. Welche dabei eine Rolle spielt, hängt von der Trennmethode selbst ab.
Extraktion
Die Extraktion hast Du bei den heterogenen Gemischen bereits kennengelernt. Das Grundprinzip der Trennmethode bleibt dabei das gleiche, allerdings handelt es sich jetzt um Lösungen. Erneut wird für die Trennung ein Lösungsmittel als Hilfsstoff hinzugefügt. Das Ziel ist, dass das Lösungsmittel eine der beiden Substanzen des Stoffgemisches aufnimmt, während die andere Substanz unverändert verbleibt. So bilden sich dann zwei Phasen aus, die anschließend mit einem Scheidetrichter voneinander getrennt werden können.
Indem der Vorgang mehrere Male wiederholt wird, kann eine fast vollständige Trennung der beiden ursprünglichen Flüssigkeiten des Stoffgemisches erreicht werden. Für die Trennung des Lösungsmittels von der gelösten Substanz wird dann meist ein Rotationsverdampfer verwendet.
Ein Rotationsverdampfer ist eine Apparatur, die aus einem Heizbad (8) und einem Dampfrohr mit Verdampfungskolben besteht, dessen Einleitrohr mit einem Vakuumanschluss verbunden ist. In einem separaten Auffangkolben (9) wird dann das zu entfernende Lösungsmittel aufgefangen. Der Rotationsverdampfer ist an eine Hebevorrichtung (4) angeschlossen und wird durch einen Motor (5) angetrieben, wodurch der Verdampfungskolben (7) im Heizbad ständig gedreht wird. Das Kühlrohr (3) dient dazu, das verdampfte Lösungsmittel an der Oberfläche Platz zu bieten, um wieder herab zu kühlen.
Abbildung 6: Rotationsverdampfer
Die Hauptanwendung ist, wie zuvor besprochen, das Entfernen eines Lösungsmittels, das einen niedrigeren Siedepunkt, als die übrigen Komponenten im Gemisch hat.
Kristallisation
Die Kristallisation ist eine Trennmethode, bei der die Trennung wieder auf dem Löslichkeitsverhalten von Feststoffen beruht. Dabei wird das Gemisch so verändert, dass die Löslichkeit des zu trennenden Stoffes verringert wird. Der andere Stoff verbleibt dann in der Lösung. Das kann zum Beispiel durch Abkühlen oder Erhitzen sowie durch Zugabe eines weiteren Lösungsmittels geschehen.
Anschließend wird die Lösung in eine Kristallisierschale gegeben, zum Auskristallisieren. Hierbei fällt der zu trennende Feststoff aus und der andere verbleibt in Lösung. Bei der anschließenden Filtration wird dann der kristalline Feststoff von dem noch gelösten Feststoff mit der zuvor vorgestellten Filtrationsapparatur getrennt.
Destillation
Von der Destillation hast Du sicherlich schon gehört, wenn es um das Thema Alkohol ging. Das Ziel hierbei ist es, möglichst viel Wasser vom Alkohol zu trennen. Das Prinzip der Trennung beruht dabei wieder auf einer physikalischen Eigenschaft, dem Siedepunkt. Hierzu wird das Gemisch erhitzt, bis einer der beiden Stoffe anfängt zu sieden und somit in die Gasphase übergeht, in der er in der Destillierbrücke wieder aufgefangen wird.
Durch Wasserkühlung kondensiert der Dampf dann. Die aufgefangene Flüssigkeit wird Destillat genannt. In manchen Fällen ist es allerdings so, dass die beiden Siedetemperaturen nah beieinander liegen. In diesem Fall muss der Vorgang mehrfach wiederholt werden, für eine bessere Trennung und Reinheit. Geschieht dieses Trennverfahren in einer Anlage, in der mehrere Destillationsschritte hintereinandergeschaltet werden, spricht der Chemiker von einer Rektifikation.
Die Destillation wird in der Chemie nicht nur bei homogenen Gemischen genutzt, sondern auch bei heterogenen Gemischen. Bei diesem Trennverfahren spielt die Anzahl der Phasen auch keine wichtige Rolle, denn entscheidend ist, wie zuvor erwähnt, der Siedepunkt der verschiedenen Flüssigkeiten.
Trennmethoden Chromatographie
Bei der Chromatographie werden zunächst die stationäre und die mobile Phase unterschieden. Die mobile Phase muss dabei die stationäre Phase, etwa ein besonderes Stück Papier, durchlaufen. Manche Partikel, die in der mobilen Phase vorhanden sind, haften dann an der stationären Phase.
Die Trennung durch Chromatographie beruht auf zwei physikalischen Prinzipien. Das eine ist die Absorption, also die Ansammlung von Stoffteilchen (Gas oder Flüssigkeit) auf der Oberfläche eines Feststoffs (Absorbens) als stationäre Phase. Das andere ist die Verteilung des Stoffes durch Lösen in einer mobilen Phase auf der Oberfläche des Trägers.
Der Vorteil dieses Trennverfahrens liegt darin, dass damit winzige Mengen mit geringem Aufwand voneinander getrennt werden können. Teilweise ist auch die Trennung einzelner Ionen möglich, wenn die Trägermaterialien passend ausgewählt werden.
Da die Chromatographie in einem gesonderten StudySmarter Original noch einmal genauer erklärt wird, wurde diese Trennmethode hier auch nur kurz angeschnitten.
Elektrophorese
Die letzte Trennmethode, die Du kennenlernst, ist die Elektrophorese. Auch das hast Du sicherlich schon mal als Gelelektrophorese gehört, als es darum ging, die DNA aufzutrennen, beispielsweise bei einem Vaterschaftstests. Im Grunde genommen handelt es sich hierbei um eine Sonderform der Chromatographie.
Der Fluss der zu trennenden Stoffe wird hier durch Anlegen einer Spannung bewirkt und durch Erhöhen dieser auch beschleunigt. Wichtig ist noch zu wissen, dass die Wanderungsgeschwindigkeit proportional zur Molekülmasse ist. Auch die Entfernung, die die einzelnen Stücke im Gel zum Beispiel wandern, hängt insbesondere von der Größe des Moleküls ab.
Bei einem Vaterschaftstest werden die betreffenden DNA-Sequenzen, die aus Buchstabenfolgen bestehen und verschieden häufig in jeder DNA vorkommen. Die aus den Proben gewonnene Menge an DNA ist meistens sehr gering, weshalb die Wissenschaftler diese vermehren müssen. Hierzu verwenden sie die Polymerase-Reaktion.
Bei der Elektrophorese werden die verschiedenen DNA-Sequenzen, die Wissenschaftler nennen diese auch STRs (short tandem repeat) über ein Gitter geschickt. Dabei wandern kleine Abschnitte schneller als längere. So können DNA-Sequenzen möglicher Väter, mit der des Kindes verglichen und ein Urteil getroffen werden.
Trennmethoden – Das Wichtigste
- Trennmethoden chemische Gemische: Heterogene Gemische bestehen aus mindestens zwei Phasen, homogene Stoffgemische hingegen besitzen nur eine Phase.
- Trennmethoden einfach erklärt:
- Das Sedimentieren dient der Trennung von Suspensionen oder Emulsionen.
- Filtration beschreibt die Trennung eines Feststoffs von einer Flüssigkeit oder einem Gas.
- Die Extraktion beruht auf den unterschiedlichen Löslichkeitsverhalten von Feststoffen oder Flüssigkeiten in einem Lösungsmittel.
- Abdampfen und Destillation arbeiten mit den unterschiedlichen Siedepunkten.
- Trennmethoden Chromatographie: Die Chromatographie verwendet das Haftverhalten (Absorption) einer mobilen Phase auf einer stationären Phase und die Verteilung der mobilen Phase über der stationären Phase zur Trennung.
Nachweise
- de-academic.com: Trennmethoden (17.09.22)
- Abb. 1: Heterogener Smoothie (https://wordpress.org/openverse/image/c739ab5a-7f84-4537-932f-92948ffd6ce8) von GordonMcDowell unter der Lizenz CC BY-SA 2.0.
- Abb. 6: Rotationsverdampfer (https://wordpress.org/openverse/image/ecded85d-6f8c-48d8-a476-ecee3a356441) von HaJo88 unter der Lizenz CC BY-SA 4.0.
- wissensschau.de: Wie funktioniert ein Vaterschaftstest? (21.09.22)
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