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Trennverfahren – Chromatografie

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Team Digital
Trennverfahren – Chromatografie
lernst du in der 8. Klasse - 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse - 12. Klasse

Grundlagen zum Thema Trennverfahren – Chromatografie

Chromatografie als Trennverfahren – Chemie

Hast du dich schon einmal gefragt, aus welchen einzelnen Bestandteile deine Filzstiftfarben bestehen? Das kannst du ganz einfach mit der Papierchromatografie herausfinden. Wo die Chromatografie im Alltag verwendet wird, was die Chromatografie ist, wie sie funktioniert und was ein Chromatogramm ist, erfährst du im folgenden Text.

Was ist Chromatografie? – Definition

Einfach erklärt ist die Chromatografie ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffen. Übersetzen könnte man es mit dem Begriff Farbschreibung. Die Chromatografie ist ein Verfahren, das die Auftrennung eines Stoffgemischs durch unterschiedliche Verteilung seiner Einzelbestandteile zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erlaubt. Doch wie funktioniert das chromatografische Trennverfahren genau?

Was ist das Prinzip der Stofftrennung durch Chromatografie?

Das Prinzip der Chromatografie kannst du dir beispielsweise als Fluss vorstellen, in dem Geröll liegt. Das Geröll besteht aus unterschiedlich großen Bestandteilen wie Sand und Kieselsteinen. Das Wasser des Flusses stellt die mobile Phase dar – sie bewegt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine Richtung. Der Boden des Flussbetts stellt die stationäre Phase dar – über ihr bewegt sich die mobile Phase mit dem Geröll.

Die Bestandteile des Gerölls gehen nun unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen der stationären und der mobilen Phase ein. Der Sand und die Kieselsteine wandern also unterschiedlich schnell durch den Fluss. Die größeren Steine sind eher träge und werden nicht so weit transportiert im Vergleich zu den leichteren und kleineren Sandteilchen. Du kannst also das Geröll in seine einzelnen Bestandteile (Kieselsteine und Sand) auftrennen.

Ablauf einer Chromatografie

Die Probe, die du trennen möchtest, trägst du auf der stationären Phase an der Startlinie auf. Entlang dieser Phase lässt du nun die mobile Phase laufen. Die mobile Phase wird auch als Laufmittel oder Eluent bezeichnet.

Ablauf einer Chromatografie am Beispiel eines Löschpapiers

In einem einfachen Experiment kannst du dich selbst am Trennverfahren der Papierchromatografie versuchen. Dazu kennzeichnest du die Startlinie auf einem Streifen Löschpapier. Auf diese Startlinie malst du nun Punkte mit verschiedenen Filzstiften. Als Nächstes stellst du das Löschpapier in ein Becherglas mit Wasser. Die Startlinie darf dabei nicht das Wasser berühren. Nun deckst du das Becherglas noch ab und wartest etwa drei Stunden. Dann entfernst du den Papierstreifen aus dem Glas und lässt ihn trocknen.

Was ist passiert? Nach einiger Zeit wird das Wasser aufgrund der Kapillarkräfte am Löschpapier hochgesogen. Die Filzstiftfarben werden dabei in ihre Bestandteile aufgetrennt. Das Ergebnis auf dem Löschpapier wird als Chromatogramm bezeichnet.

In dem Bild kannst du den Ablauf und das Prinzip der Chromatografie erkennen:

Ablauf Chromatographie

Begriffe und Kenngrößen der Chromatografie

Bisher hast du gelernt, was die Chromatografie ist und welches Prinzip ihr zugrunde liegt. Im Folgenden stellen wir die wichtigsten Begriffe und Kenngrößen der Chromatografie kurz vor:

  • Adsorption: Die verschiedenen Stoffe haften verschieden stark an der stationären Phase, was als Adsorption bezeichnet wird. Die mobile Phase löst die Stoffe daher unterschiedlich schnell von der stationären Phase ab.
  • Laufmittelfront: die Linie, bis zu der die mobile Phase bei Beendigung des chromatografischen Verfahrens über oder durch die stationäre Phase gelaufen ist.
  • Auflösung: In der Chromatografie bezeichnet die Auflösung das Maß der Trennung im Chromatogramm zweier Stoffe. Damit ist gemeint, wie gut die Stoffe sich im Chromatogramm getrennt darstellen lassen und voneinander unterscheidbar sind.
  • Desorption: Die Ablösung eines Stoffs wird Desorption genannt. Das Ergebnis der unterschiedlich starken Desorption durch das Laufmittel führt zur Trennung des Stoffgemischs in seine reinen Bestandteile. In der Chromatografie kannst du die Desorption auch als Elution oder Eluierung bezeichnen.
  • Durchflusszeit: Die Durchflusszeit gibt die Zeit an, die die mobile Phase benötigt, um vom Startpunkt bis zum Endpunkt zu wandern. Die Durchflusszeit wird auch als Totzeit bezeichnet.
  • $R_f$-Wert: Mit dem $R_f$-Wert kannst du Proben des gleichen chromatografischen Systems miteinander vergleichen. Die zugehörige Gleichung siehst du hier: ($ R_f = \frac{s_x}{s_l} = \frac{\text{Strecke zwischen Startlinie und Substanzzone}}{\text{Strecke zwischen Startlinie und Laufmittelfront}}$)
  • Retention: verzögerter Durchfluss in der Chromatografie einzelner Substanzen aufgrund der Adsorption und Desorption
  • Selektivität: In der Chromatografie bezeichnet die Selektivität das Maß für die Trennbarkeit zweier Stoffe – also wie gut sind, analog zu unserem Beispiel oben, die Kieselsteine und der Sand voneinander zu trennen.

Welche Arten von Chromatografie gibt es? – Beispiele

Es gibt verschiedene Arten der Chromatografie. Die Papierchromatografie hast du ja bereits kennengelernt. Daneben gibt es auch noch folgende:

Anwendungen der Chromatografie

Die Chromatografie hat eine große praktische Bedeutung. In der Synthesechemie möchte man wissen, ob eine Reaktion erfolgreich war, und in der analytischen Chemie werden damit die Stoffe auf ihre Reinheit untersucht.

Die Chromatografie verwendet man zur Reinigung von Stoffen. Somit hat die Chromatografie große Bedeutung bei der Herstellung von Arzneimitteln. Außerdem kannst du mit der Chromatografie bestimmte Eigenschaften eines Stoffs herausfinden.

Dieses Video

Im Video lernst du die Chromatografie als Trennverfahren kennen. Mithilfe der Chromatografie kannst du Stoffgemische in ihre Einzelbestandteile auftrennen. Dieses Prinzip wird in der Chemieindustrie genutzt, um Stoffe aufzureinigen oder auf ihre Reinheit zu untersuchen.

Im Alltag kannst du beispielsweise mittels der Chromatografie die einzelnen Blattfarbstoffe eines Laubblatts auftrennen und genauer bestimmen.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Trennverfahren – Chromatografie

Heute wird's bunt! Versprochen! Bleib dran, dann erfährst du, was Malen mit einem "Trennverfahren" aus der Chemie zu tun. In diesem Video geht es um die "Chromatografie". Aber ganz von vorne, das Wort wirkt ja doch etwas abschreckend: was genau versteht man unter diesem Monster von einem Wort? CHRO-MA-TO-GRA-FIE. Wow! Der Begriff kommt aus dem Griechischen und kann mit "Farbschreiben" übersetzt werden. Darunter versteht man allerdings nicht das Bemalen einer Leinwand, sondern ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen in die einzelnen Komponenten. Aber nicht nur das, auch zur quantitativen Analyse, zum Beispiel in der Kriminalistik, werden chromatografische Methoden verwendet. Das Trennverfahren beruht dabei auf den unterschiedlichen Wechselwirkungen der Komponenten des Stoffgemisches mit einer sogenannten stationären und einer mobilen Phase. Klingt kompliziert? Keine Sorge, das gehen wir nun Schritt für Schritt gemeinsam durch. Das Prinzip der Chromatografie kannst du dir – natürlich grob vereinfacht – wie einen Fluss vorstellen, in dem sich Treibgut wie Äste, Kiesel oder größere Steine befinden. Das Wasser im Fluss ist sinnbildlich für unsere mobile Phase, wodurch das Treibgut, also unser Stoff, über die stationäre Phase, im Beispiel das Flussbett, transportiert wird. Je nach Strömungsgeschwindigkeit des Wassers und Größe des Treibguts erfolgt ein unterschiedlich schneller Transport über das Flussbett und dadurch die Auftrennung unseres Treibguts. Äste, Steine und so weiter, kommen unterschiedlich schnell am Ende des Flusses an. Prinzip verstanden? Wir haben also zwei Phasen: die mobile und die stationäre Phase. Wichtig ist dabei, dass diese beiden Phasen sich nicht mischen. Die mobile Phase besteht aus dem aufzutrennenden Stoffgemisch und einem Laufmittel. Diese wird nun über die stationäre, also NICHT bewegliche Phase transportiert, die meist aus einem Feststoff besteht. Die Komponenten des Stoffgemisches haben unterschiedliche Eigenschaften und wechselwirken daher jeweils mit einer der Phasen. Das heißt, die Bestandteile gehen entweder an unterschiedlichen Stellen in die stationäre Phase über oder verbleiben in der mobilen Phase und TADA! – unser Gemisch ist getrennt! Das Ergebnis der Chromatografie wird als "Chromatogramm" bezeichnet. Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren. Das allgemeine Trennprinzip der Chromatografie bleibt dabei immer gleich. Unterteilt werden kann zum Beispiel nach Eigenschaften, auf denen die Trennwirkung beruht, sowie Größe, elektrischer Ladung oder Affinität, also der Wechselwirkung zwischen einzelnen Molekülen und Atomen. Eine weitere Möglichkeit, die Verfahren einzuteilen, ist nach der Art der gewählten mobilen Phase. Bei der Flüssig-Chromatografie liegt die mobile Phase im flüssigen Zustand vor und bei der Gas-Chromatografie entsprechend im gasförmigen Zustand. Diese lassen sich jeweils nach Art der verwendeten stationären Phase erneut unterteilen. Wir wollen hier aber nicht allzu sehr ins Detail gehen, ein grober Überblick genügt. Zur Flüssig-Chromatografie gehören zum Beispiel die Dünnschicht- und die Papier-Chromatografie. Beide Varianten laufen ganz ähnlich ab. Daher sehen wir uns zuletzt die Papier-Chromatografie genauer an und enden damit so, wie wir im Video gestartet sind: BUNT! Diese Art der Chromatografie kannst du ganz leicht selbst durchführen. Du benötigst dafür ein Löschpapier, als stationäre Phase, und ein Becherglas mit Wasser, als deine mobile Phase. Außerdem benötigst du verschiedenfarbige Filzstifte. Markiere dir zuerst eine Startlinie auf das Löschpapier. Darauf malst du nun Punkte mit den Filzstiften. So und nun stellst du das Löschpapier in das Becherglas, aber Vorsicht: die Startlinie darf dabei NICHT das Wasser berühren. Jetzt wartest du ein paar Stunden und legst dann das Papier zum Trocknen. Was ist passiert? Das Löschpapier zieht aufgrund von Kapillarkräften das Wasser nach oben. Dabei transportiert das Wasser die Filzstiftprobe, wobei einige Bestandteile besser im Wasser gelöst sind und andere besser am Filterpapier haften und sich so eine Auftrennung der Farbe ergibt. Je nach Filterpapier erhältst du so wunderschöne bunte Muster. Damit hältst du dann dein eigenes Chromatogramm in den Händen! Wooow! Bevor du jetzt aber vor Stolz wegen deines Kunstwerkes platzt, fassen wir noch kurz zusammen. Die Chromatografie ist ein Trennverfahren um Stoffgemische in ihre Komponenten aufzutrennen. Die Trennung beruht dabei auf der Wechselwirkung des aufzutrennenden Gemisches mit der mobilen und der stationären Phase. Das Ergebnis der Chromatografie wird als "Chromatogramm" bezeichnet. Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren, die sich beispielsweise in der Art ihrer mobilen und stationären Phase unterscheiden. Alles klar. Farbschreiben Chromatografie Hm, wenn man das in der Kunst mit dem Trennverfahren ernst nehmen würde erhielten wir am Ende ja vielleicht aufgeräumte Kunst.

3 Kommentare
3 Kommentare
  1. 😊Super verständlich erklärt!

    Von Andrea, vor etwa einem Monat
  2. nice

    Von Kerem✌️, vor 3 Monaten
  3. Cooles Video

    Von Viktor Karl Gungor, vor 5 Monaten

Trennverfahren – Chromatografie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Trennverfahren – Chromatografie kannst du es wiederholen und üben.
  • Prüfe die Aussagen über den Begriff „Chromatografie“ auf ihre Richtigkeit.

    Tipps

    Es gibt drei richtige Antworten.

    Lösung

    Der Begriff „Chromatografie“ kommt aus dem Griechischen und kann mit „Farbschreiben“ übersetzt werden.
    Darunter versteht man ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffgemischen in die einzelnen Komponenten.
    Aber auch zur quantitativen Analyse, zum Beispiel in der Kriminalistik, werden chromatografische Methoden verwendet.
    Das Trennverfahren beruht dabei auf den unterschiedlichen Wechselwirkungen der Komponenten des Stoffgemisches mit einer sogenannten stationären und einer mobilen Phase.
    Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren, die sich beispielsweise in der Art ihrer stationären und mobilen Phase unterscheiden.

  • Stelle die Chromatografie modellhaft am Beispiel eines Flusses dar.

    Tipps

    Der Begriff „mobil“ kann mit „beweglich“ übersetzt werden.

    Lösung

    Das Prinzip der Chromatografie kannst du dir – natürlich grob vereinfacht – wie einen Fluss vorstellen, in dem sich Treibgut wie Äste, Kiesel oder größere Steine befindet.
    Das Wasser im Fluss steht sinnbildlich für die mobile Phase, wodurch das Treibgut (Äste, Kiesel, größere Steine), also unser Stoffgemisch, über die stationäre Phase, im Beispiel das Flussbett, transportiert wird.
    Je nach Eigenschaften des Treibguts erfolgt ein unterschiedlich schneller Transport über das Flussbett und dadurch die Auftrennung des Treibguts. Äste, Steine und so weiter kommen unterschiedlich schnell am Ende des Flusses an.

  • Erkläre das Prinzip der Chromatografie.

    Tipps

    Bei der Papier-Chromatografie befinden sich in der mobilen Phase das Wasser (Laufmittel) und die Farbe (Stoffgemisch).

    Das sind verschiedene Chromatogramme.

    Lösung

    Es gibt zwei Phasen: die mobile und die stationäre Phase. Wichtig ist dabei, dass diese beiden Phasen sich nicht mischen.
    Die mobile Phase besteht aus dem aufzutrennenden Stoffgemisch und einem Laufmittel. Diese wird nun über die stationäre, also nicht bewegliche Phase transportiert, die häufig aus einem Feststoff besteht.

    Die Komponenten des Stoffgemisches haben unterschiedliche Eigenschaften und wechselwirken daher jeweils mit einer der Phasen. Das heißt, die Bestandteile gehen entweder an unterschiedlichen Stellen in die stationäre Phase über oder verbleiben in der mobilen Phase – unser Gemisch ist getrennt!
    Das Ergebnis der Chromatografie wird als Chromatogramm bezeichnet.

    Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren. Unterteilt werden kann zum Beispiel nach den Eigenschaften, auf denen die Trennwirkung beruht. Das kann unter anderem die Größe, die elektrische Ladung oder die Affinität, also die Neigung von Atomen oder Molekülen, Bindungen einzugehen, sein. Eine weitere Möglichkeit, die Verfahren einzuteilen, ist nach der Art der gewählten mobilen Phase. Bei der Flüssig-Chromatografie liegt die mobile Phase im flüssigen Zustand vor und bei der Gas-Chromatografie entsprechend im gasförmigen Zustand.

  • Gliedere das Versuchsprotokoll der Papier-Chromatografie.

    Tipps

    Sortiere zuerst die Überschriften der Abschnitte in die richtige Reihenfolge und sortiere anschließend darunter jeweils den passenden Abschnitt.

    Beginne mit „Geräte und Chemikalien“.

    Die Auswertung findet ganz am Ende des Experiments statt.

    Lösung

    Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren. Eines davon ist die Papier-Chromatografie.
    Wie bei jedem Experiment schreiben wir dafür ein Versuchsprotokoll. Zum einen können wir dadurch unsere Beobachtungen und Ergebnisse notieren, zum anderen kann das Experiment dadurch jederzeit wiederholt werden.
    Neben den unten genannten Kategorien beinhaltet ein vollständiges Versuchsprotokoll noch die Abschnitte Thema des Versuchs, Sicherheitsmaßnahmen, Aufbau (Skizze) und Entsorgung. Der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber lassen wir diese in diesem Beispiel jedoch weg.

    Geräte und Chemikalien: Benötigt werden Löschpapier, Becherglas mit Wasser, verschiedenfarbige Filzstifte.

    Anleitung: Markiere eine Startlinie auf dem Löschpapier.
    Male darauf Punkte mit den Filzstiften.
    Stelle das Löschpapier in das Becherglas. Aber Vorsicht: Die Startlinie darf dabei das Wasser nicht berühren!
    Warte ein paar Stunden und lege dann das Papier zum Trocknen beiseite.

    Beobachtung:
    Die Farben werden nach oben gezogen. Es entstehen bunte Muster.

    Auswertung:
    Das Löschpapier zieht durch Kapillarkräfte das Wasser nach oben. Dieses transportiert die Filzstiftprobe, wobei einige Bestandteile besser im Wasser gelöst sind, andere besser am Filterpapier haften. So ergibt sich eine Auftrennung der Farbe.

  • Nenne die Eigenschaften, auf denen die Trennwirkung beruhen kann.

    Tipps

    Elektrische Ladung kann positiv (+) oder negativ (–) sein.

    Affinität beschreibt in der Chemie die Neigung von Atomen oder Molekülen, Bindungen einzugehen.

    Lösung

    Es gibt viele verschiedene chromatografische Trennverfahren, wobei das allgemeine Trennprinzip der Chromatografie immer gleich bleibt.
    Diese Verfahren können je nach den Eigenschaften, auf denen die Trennwirkung beruht, unterteilt werden. Die Trennwirkung kann zum Beispiel auf den folgenden Eigenschaften beruhen:

    • Größe,
    • elektrische Ladung oder
    • Affinität, also die Neigung von Atomen oder Molekülen, Bindungen einzugehen.

  • Entscheide, was passiert, wenn ein wasserfester schwarzer Filzstift bei der Papier-Chromatografie verwendet wird.

    Tipps

    Es gibt zwei richtige Antworten.

    Wasserfeste Schminke kann nicht mit Wasser entfernt werden.

    Lösung

    Bei der Papier-Chromatografie wird das Stoffgemisch, in diesem Beispiel die Farbe, in seine einzelnen Bestandteile aufgeteilt.

    Dabei transportiert das Wasser die Filzstiftprobe, wobei einige Komponenten eine bessere Löslichkeit in Wasser aufweisen, während andere stärker am Filterpapier haften. Dies führt zu einer Trennung der Farbkomponenten.

    Wenn wir einen schwarzen wasserfesten Filzstift nehmen, geschieht Folgendes:

    • Der schwarze Punkt verläuft nicht, da die Farbe nicht durch das Wasser transportiert werden kann. Aufgrund der Wasserfestigkeit des Stiftes ist die Farbe nicht wasserlöslich.
    • Wäre der Filzstift zwar schwarz, aber nicht wasserfest, würden sich die Farbkomponenten auf dem Filterpapier trennen. Auch ein schwarzer Filzstift setzt sich aus verschiedenen Komponenten zusammen. Diese sind für uns normalerweise nicht sichtbar. Führen wir die Papier-Chromatografie mit einem wasserlöslichen schwarzen Filzstift durch, können wir die Bestandteile erkennen.