Trennverfahren – Chromatographie

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:

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:

• Dünnschichtchromatografie (DC)
• Flüssigchromatografie (LC)
• Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC)
• Gelpermeationschromatografie (GPC)
• Ionenaustauschchromatografie (IEC)
• Säulenchromatografie
• Gaschromatografie(GC)
• Anionenaustauschchromatografie

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!