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Säulenchromatographie 11:50 min

Textversion des Videos

Transkript Säulenchromatographie

Guten Tag und herzlich willkommen, dieses Video heißt Säulenchromatographie. Der Film gehört zur Reihe der chromatographischen Verfahren und ist vorgesehen für die Kursphase in den Gymnasien. Für die nötigen Vorkenntnisse solltest du bereits das Video Dünnschichtchromatographie gesehen haben. Mein Ziel ist es, dir in diesem Video das Verständnis der grundlegenden Säulenchromatographie zu vermitteln.

Der Film ist in 7 Abschnitte unterteilt: 1. das Trennproblem 2. das Trennprinzip 3. die Chromatographiesäule 4. der Trennvorgang 5. Vereinigung der Fraktionen 6. Stoffgewinnung und 7. Zusammenfassung

  1. Das Trennproblem Nehmen wir einmal an, wir haben eine chemische Reaktion durchgeführt und haben jetzt in einem Dreihalskolben ein Reaktionsgemisch vorliegen. Welche Stoffe enthält es, und wie können wir sie voneinander trennen? Eine analytische Information über den Kolbeninhalt liefert die Dünnschichtchromatographie, DC. Zu Beginn der Reaktion haben wir ein Chromatogram aufgenommen. Der einzige Stoff, der im DC zu erkennen ist, ist der Ausgangsstoff. Das Edukt. Nach 20 Stunden Reaktionsdauer bietet sich uns dieses Bild. Im Reaktionsprodukt ist das Produkt enthalten. Außerdem nicht umgesetztes Edukt. Und was das Schlimmste ist, wir haben auch ein Nebenprodukt erhalten. Hinzu kommt, dass Produkt und Nebenprodukt nicht destillierbar sind, da sie sich beim Erwärmen zersetzen. Das sind wahrlich trübe Aussichten für eine Stofftrennung. Wir haben es hier mit einem echten Trennproblem zu tun. Hilfe schafft die Säulenchromatographie. Gehen wir nun vom Trennproblem zum Trennprinzip über.

  2. Das Trennprinzip Für die Säulenchromatographie benötigt man eine Chromatographiesäule, kurz, Säule genannt. Dabei handelt es sich um eine Glassäule, die unten eng geschmolzen ist. Diese Säule wird mit einer stationären Phase aufgefüllt. Populär für diesen Zweck ist Kieselgel. Oben auf die Säule wird das Stoffgemisch, in unserem Fall das Reaktionsgemisch, aufgetragen. Darauf gibt man vorsichtig die mobile Phase. Das Lösungsmittel, den Eluenten. Häufig werden dafür Lösungsmittelgemische aus Dichlormethan und Hexan verwendet. Wir beginnen mit Situation 1. Durch die Schwerkraft verläuft die mobile Phase langsam die stationäre Phase. Die im Gemisch enthaltenen Stoffe werden adsorbiert und desorbiert, und jeder unterschiedlich stark. Dynamische Gleichgewichte bilden sich heraus. Betrachten wir nun Situation 2. Alle 3 im Gemisch enthaltenen Stoffe wurden durch die Säule aufgetrennt. Die mobile Phase bewegt sich durch die Schwerkraft weiter nach unten und wir kommen zu Situation 3. Die rot markierte Substanz hat das Ende der Säule erreicht, und tropft zusammen mit der mobilen Phase heraus. Es handelt sich dabei um das Hauptprodukt der betrachteten chemischen Reaktion. Und weiter geht es, wir erreichen Situation 4. Die mobile Phase schiebt die beiden verbliebenen Stoffe weiter Richtung Säulenausgang. Und endlich ist es so weit, der 2. Stoff, hier Grün markiert, verlässt zusammen mit der mobilen Phase die Säule. Es handelt sich dabei um das Nebenprodukt der chemischen Reaktion. Die Chromatographie ist damit noch nicht abgeschlossen. Das Eluierungsmittel schiebt entlang der stationären Phase auch den 3. Stoff aus der Säule heraus. Bei der blau markierten Substanz handelt es sich um nicht umgewandeltes Edukt der chemischen Reaktion. Nachdem alle 3 Stoffe die Säule verlassen haben, kommen wir jetzt zur Situation 6. Es ist nun soweit, dass nur noch die reine mobile Phase die Säule verlässt. Die mobile Phase, das ist das Laufmittel. Vor Austritt des 1. Stoffes aus der Säule, Situation 2, sollte auch Laufmittel die Säule verlassen. Daher zeichne ich es ein.

Nach dem Trennprinzip kommen wir nun zur Chromatographiesäule. Wichtig bei der Chromatographiesäule ist nicht nur ihr Aufbau, sondern vor allem Ihre Vorbereitung für die Durchführung der Chromatographie. Bei der Chromatographiesäule handelt es sich zunächst einmal um ein Glasrohr. Dies ist unten eng geschmolzen und mit einem Einwegehahn bestückt. Direkt auf den Einwegehahn wird Glaswatte aufgesetzt. Dadurch wird verhindert, dass die stationäre Phase aus der Säule herausfällt. Als stationäre Phase wird meistenteils Kieselgel verwendet. Es ist wichtig, vor der Verwendung das Kieselgel sorgfältig zu trocknen. Das Kieselgel wird nicht in pulverisierter Form in die Säule eingegeben. Es wird eine Aufschlämmung aus Kieselgel und einem wenig polaren Lösungsmittel zubereitet. Dieses Gemisch wird in die Säule eingetragen. Durch Öffnung des Einwegehahns wird überschüssiges Lösungsmittel bis zur Feuchte an der Oberfläche des Kieselgels abgelassen. Eine der wichtigsten Chromatographieregeln besteht darin, dass die Säule niemals trocken laufen darf. Anschließend wird eine dünne gleichmäßige Schicht von Sand auf die Säule aufgetragen. Auf die Sandschicht wird nun die konzentrierte Lösung des Reaktionsgemisches vorsichtig aufgetragen. Damit das gleichmäßig und vorsichtig geschieht, verwendet man dafür eine Spritze. Jetzt kommt der verantwortungsvollste Augenblick der gesamten Chromatographie, bei der man fast alles versauen kann. Man öffnet den Einwegehahn, damit die aufgetragene Substanz, das Stoffgemisch leicht einziehen kann. Und dann erst wird die mobile Phase, nämlich das Laufmittel, ganz ganz vorsichtig oben aufgetragen und dann nachgegossen. Das Laufmittel war die letzte Komponente, um eine vollständige Chromatographiesäule zu erhalten. Die Säule ist somit bereit für die Trennung des Stoffgemischs. Das Ergebnis muss in etwa so aussehen, wie wir das Dünnschichtchromatogramm auf dem Kopf vor uns haben. Rot kommt zuerst, dann verlässt Grün die Säule und als Letztes können wir mit Blau rechnen.

Wir verlassen den Abschnitt Chromatographiesäule und kommen zum Trennvorgang. Eine Übersicht über den Trennvorgang wurde bereits in Abschnitt 2 gegeben. An dieser Stelle möchte ich die Voraussetzungen für eine saubere Trennung aufzählen. Als erstes ist eine sorgfältig vorbereitete Säule, wie ich es gezeigt habe, zu nennen. Länge zu Durchmesser muss relativ groß sein, um eine gute Trennwirkung zu erzielen. Es muss eine richtige Dimensionierung vorliegen. Je mehr Stoff man zu trennen hat, umso größer muss die Säule sein. Wichtig ist prinzipiell eine geringe Tropfgeschwindigkeit. Interessant ist, wenn ein Druck auf das Laufmittel ausgeübt wird. Man bezeichnet dieses Verfahren als Flash-Chromatographie. Bei dieser Methode wird die Trennleistung gesteigert. Mit bloßem Auge ist in der Regel nicht zu erkennen, welcher Stoff gerade die Säule verlässt. Daher wird das Eluat in viele Reagenzgläser fraktioniert. Eine starke Erleichterung bei der Fraktionierung bilden mechanische Fraktionssammler, mit Geräten für die Zeitvorgabe oder Tropfenzähler. Die einzelnen Reagenzgläser, die einzelnen Fraktionen, werden anschließend mit Dünnschichtchromatographie untersucht.

Gehen wir nun über vom Trennvorgang zur Vereinigung der Fraktionen. Nach der Untersuchung mit DC bietet sich uns folgendes Bild. Wir haben Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als rot markiert haben. Dann haben wir Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als grün markiert haben. Und schließlich haben wir Fraktionen, die den Stoff enthalten, den wir als blau markiert haben. Fraktionen mit gleichen Inhaltsstoffen werden jeweils in einem Rundkolben gesammelt. Rot ist das Hauptprodukt. Bei Grün handelt es sich um das Nebenprodukt. Blau ist das Edukt.

Und schließlich kommen wir von der Vereinigung der Fraktionen zur Stoffgewinnung. Jetzt findet das Abdestillieren des Lösungsmittels statt. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Einengen. In der Laborpraxis verwendet man dafür den Rotationsverdampfer. Hier wird schonend eingeengt, weil unter vermindertem Druck.

Kommen wir nun von der Stoffgewinnung zur Zusammenfassung des Videos. Die Säulenchromatographie ist ein präparatives, meist in der organischen Chemie genutztes Trennverfahren. Wichtig ist die sorgfältige Vorbereitung einer geeigneten Chromatographiesäule. Beim Trennvorgang wird das unterschiedliche Sorbtionsverhalten verschiedener Stoffe an einer stationären Phase ausgenutzt. Da die Stoffe mit bloßem Auge nicht unterscheidbar sind, werden sie zunächst durch einen Fraktionssammler in viele kleine Portionen, viele kleine Fraktionen, fraktioniert. Die Fraktionen werden dann mit Dünnschichtchromatographie untersucht. Anschließend werden Fraktionen, die gleiche Inhaltsstoffe besitzen, in Rundkolben vereinigt. Nach Einengen, vorzugsweise mit einem Rotationsverdampfer, erhält man dann die reinen Stoffe.

Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.

5 Kommentare
  1. Bitte direkt an sofatutor wenden.
    Alles Gute
    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als 4 Jahren
  2. Ein Video zur Gelfiltration währe eine perfekte Ergänzung und für mich sehr hilfreich.

    Von T Gabriel1, vor mehr als 4 Jahren
  3. Gelfiltration gibt es noch nicht.

    Von André Otto, vor mehr als 7 Jahren
  4. Eine gute Einführung in das Thema.
    Gibt es hier auch ein Video zur Gelfiltration oder zu eingesetzten Detektoren in der Chromatographie?
    mfg

    Von Dflow, vor mehr als 7 Jahren
  5. Sehr gut erklärt !!

    Von Lili 89, vor mehr als 7 Jahren

Säulenchromatographie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Säulenchromatographie kannst du es wiederholen und üben.

  • Definiere den Begriff Säulenchromatographie.

    Tipps

    Bei der Säulenchromatographie läuft die mobile Phase wegen der Schwerkraft in die stationäre Phase hinunter.

    Bei der Säulenchromatographie nach Schwerkraftprinzip reichern sich in der stationären Phase die einzelnen Komponenten aus dem Stoffgemisch unterschiedlich stark an, d.h. es kommt zu verschiedenen Gleichgewichten.

    Lösung

    Die Chromatographie ist eine physikalische Methode, bei welcher die Stofftrennung durch Verteilung von Substanzen zwischen einer ruhenden (stationären) und einer sich bewegenden (mobilen) Phase erfolgt.

    Bei der Säulenchromatographie ist die mobile Phase flüssig und die stationäre Phase fest. Es gibt auch weitere Chromatographie-Arten:

    $\begin {array} {c|c|c} & Stationäre~Phase~fest & stationäre~Phase~flüssig\\ \hline mobile~Phase~flüssig & Säulenchromatographie & Flüssigchromatographie\\ \hline mobile~Phase~gasförmig & Gaschromatographie & Gas-Flüssigchromatographie\end {array}$

    Bei der Säulenchromatographie nach Schwerkraftprinzip läuft die mobile Phase, d.h. das Laufmittel (Eluent) wie z.B. Hexan/Dichlormethan, in die stationäre Phase (Kieselgel, Aluminium(III)-oxid) hinein. In dieser stationären Phase wechselwirken die einzelnen Komponenten aus den Stoffgemisch unterschiedlich stark. Es stellt sich für jede Komponente ein spezifisches Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht ein. Adsorption ist die Anreicherung einer Komponenten aus der mobilen Phase in der stationären Phase. Desorption ist die Rückreaktion davon. Für die Beschreibung der Gleichgewichte gilt für ideale Bedingungen für jede Substanz X die Gleichung:

    • $K_x = \frac {Konzentration~von~Verbindung~x~in~der~stationären~Phase} {Konzentration~von~Verbindung~x~in~der~mobilen~Phase} = \frac {{c_{stat}}} {{c_{mobil}}}$
  • Beschreibe den Aufbau der Chromatographiesäule.

    Tipps

    Bei der Säulenchromatographie transportiert die bewegliche Phase die einzelnen Komponenten an der festen Phase vorbei.

    Lösung

    Die Chromatographiesäule ist ein Glasrohr. Dies ist unten eng geschmolzen und mit einem Einwegehahn bestückt. Direkt über den Einwegehahn wird das Rohr mit Glaswolle bestückt, um einen Austritt der stationären Phase zu verhindern. Die stationäre Phase ist ein poröser Stoff, meist Kieselgel oder Aluminium(III)-oxid. Es muss vor der Verwendung getrocknet werden und in die Säule wird eine Aufschlämmung von Kieselgel oder $Al_2O_3$ in einem wenig polaren Lösungsmittel gefüllt. Durch Öffnen des Einwegehahns wird überschüssiges Lösungsmittel abgelassen, allerdings darf die Säule niemals trocken laufen (s. Aufgabe 3) . Anschließend wird eine Sandschicht auf das Kieselgel aufgetragen. Darauf wird mit einer Spritze das Reaktionsgemisch aufgetragen. Durch kurzes Öffnen des Hahns sackt die Lösung in den Sand ein. Zuletzt wird die mobile Phase, d.h. das Laufmittel, oben vorsichtig aufgefüllt.

    Die mobile Phase, die die einzelnen Komponenten des Reaktionsgemisches mit sich führt, bewegt sich – wegen der Schwekraft – an der stationären Phase vorbei. Die Trennung der einzelnen Komponenten basiert auf unterschiedlich stark ausgeprägten Wechselwirkungen zwischen den Substanzen und der stationären Phase (Adsorptions-Desorptions-Gleichgewicht).

  • Beschreibe das Trennprinzip der Säulenchromatographie.

    Tipps

    Die Trennung beruht auf verschieden starken Adsorptions- und Desorptionsgleichgewichten.

    Die Trennung in der Säule ist eine „umgekehrte“ DC.

    Lösung

    Bei der Säulenchromatographie bewegt sich die mobile, flüssige Phase mit Hauptprodukt, Nebenprodukt und Edukt wegen der Schwerkraft an der stationären, festen Phase (Kieselgel) vorbei. Jeweils zwischen den Komponenten und den freien Hydroxylgruppen vom Kieselgel stellt sich ein spezifisches Gleichgewicht ein. Dieses beruht auf der Adsorption von gelösten Komponenten an das Kieselgel und der Desorption vom Kieselgel in die Lösung.

    Da sich die drei Verbindungen in gelöster Form mit der mobilen Phase an der stationären Phase vorbei bewegen, sind bei der Gleichgewichtseinstellung die Aufenthaltszeiten in der stationären Phase für das Hauptprodukt (rot) am längsten, für das Edukt (grün) am kürzesten. Bewegt sich die mobile Phase mit HP, NP und Edukt an der stationären Phase vorbei, bis alle jeweils zu einem bestimmten Punkt gebracht sind, so sind dabei für alle Komponenten verschieden lange Zeiten vergangen. Man kann also an diesem Punkt die Verbindungen nacheinander getrennt abnehmen. Zuerst wird grün, das Edukt, danach blau, das Nebenprodukt und letztendlich rot, das Hauptprodukt, entnommen. Danach fließt nur noch das Lösemittel aus der Säule (hellblau).

    Für die Chromatographie kann folgendes Diagramm aufgenommen werden ($\uparrow$), dabei ist Komponente A Hauptprodukt, Komponente B Nebenprodukt und Komponente C Edukt. Betrachtet man das Diagramm, so ist leicht zu erkennen, dass sich die stationären Konzentrationen für eine gegebene mobile Konzentration unterscheiden. Für A ist die Konzentration am höchsten und für C am kleinsten. Es gilt:

    • A: $K_x > 1$ → GG liegt auf der stationären Seite (mehr A ist adsorbiert als desorbiert)
    • B: $K_x = 1$ → Adsorption und Desorption stehen im GG
    • C: $K_x < 1$ → Es liegt mehr an Komponente C in der mobilen Phase vor (mehr C ist desorbiert als adsorbiert).
    Anhand dieser Falldiskussion wird die Entnahmereihenfolge ersichtlich: zuerst C (grün), dann B (blau) und letztendlich A (rot) (genau andersherum wie in DC, dort wäre grün ganz oben).

  • Erläutere die Vorteile der Anwendung von Kieselgel als stationäre Phase.

    Tipps

    Lösung

    Kieselgel ist die am häufigsten verwendete stationäre Phase in der Chromatographie.

    Durch die große innere Oberfläche ist die Kontaktfläche zwischen stationärer Phase und Reaktionsgemisch sehr groß, was zu einer größeren Trennleistung beiträgt. An der Oberfläche vom Kieselgel befinden sich freie Hydroxyl-Gruppen. Mit diesen freien OH-Gruppen wechselwirken die einzelnen Komponenten des Gemisches und es bilden sich Wasserstoffbrückenbindungen Es entsteht ein Adsorptions- und Desorptionsgleichgewicht. Das Kieselgel ist sehr polar. Durch Zusatz von wenig, schwach polarem Lösungsmittel zum Kieselgel werden einige OH-Gruppen desaktiviert, weil es zur Ausbildung von Wasserstoffbrücken kommt. Eine zu hohe Aktivität des Kieselgels würde die optimale Trennung verhindern. Das ist eigentlich das Tolle an dieser Verbindung: Die Aktivität kann je nach Bedarf durch einfache Mittel herabgesetzt werden. Um eine gute Trennung zu gewähren, wird das Kieselgel als Aufschlämmung verwendet.

  • Nenne Voraussetzungen für einen guten Trennvorgang.

    Tipps

    Die Gleichgewichtseinstellung zwischen Adsorption und Desorption erfolgt nur langsam und ist für die Komponenten unterschiedlich ausgeprägt.

    Die Füllhöhe der Säule soll immer das 5- bis 10-fache des Säulendurchmessers betragen.

    Lösung

    Um eine saubere Trennung des Reaktionsgemisches über Säulenchromatographie zu gewähren, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

    • Die Säule muss sorgfältig vorbereitet und aufgebaut (möglichst senkrecht) werden. Die Wahl des Laufmittels ist dabei abhängig von der Art des Gemisches.
    • Es muss eine geringe Tropfgeschwindigkeit vorliegen, da die Gleichgewichtseinstellung zwischen Adsorption und Desorption etwas Zeit benötigt, um sauberer zu trennen.
    • Wenn Druck auf das Laufmittel ausgeübt wird (Flash-Chromatographie) wird der Ablauf schneller und die Trennung noch genauer als beim langsamen Durchlaufen.
    • Für die gegebene Reaktionsmischung muss die richtige Dimenionierung gewählt werden, d.h. die Füllhöhe soll etwa 5 bis 10 mal so groß wie der Säulendurchmesser sein. Der Säulendurchmesser ist dabei abhängig von der Menge an Reaktionsgemisch.
    • Das Eluat muss in Fraktionen gesammelt werden, erst wenn nach Dünnschichtchromatographie die gewünschte Reinheit erzielt ist, werden die Fraktionen vereint.
  • Bestimme, wie Wasser mit Naturmaterialien aufgereinigt werden kann.

    Tipps

    Bei der Säulenchromatographie werden zuerst grobe und zum Schluss hingehend immer feinere Verunreinigungen abgetrennt.

    Die fein gewebte Baumwolle (T-Shirt) dient als Sieb und hält das System zusammen.

    Lösung

    Um eine Säule zur Aufreinigung des Seewassers aufzubauen, muss man sich zuerst überlegen, welche Stoffe aus dem Wasser entfernt werden müssen: Dazu gehören v.a. Schwebestoffe, Fäkalien und andere organische Stoffe.

    Zuerst werden Schwebestoffe entfernt. Dies erfolgt durch grobes Naturmaterial wie Moos oder Gras. Danach erfolgt die feinere Filterung von organisches Materialien mithilfe von Boden (d.h. grober Erde). Die letzten Verunreinigungen bleiben im Sand zurück. Den Ersatz für die Glaswolle liefert ein feingewebtes Baumwollhemd, welches nur Flüssigkeit durchlässt. Ganz oben wird zum Schluss das aufzureinigende Wasser eingefüllt.