Extraktion, Chromatografie und Destillation

Einstieg: Ist Schwarz wirklich schwarz?

Male mit einem schwarzen, wasserlöslichen Filzstift einen Punkt auf einen Kaffeefilter und tauche den Rand in Wasser. Nach ein paar Minuten wandert der Punkt nach oben und zerfällt in blaue, violette und gelbe Bänder. Die schwarze Tinte war also ein Gemisch aus mehreren Farbstoffen. Mit Sieb und Filter hättest du diese Farbstoffe nie trennen können. Dafür gibt es feinere Verfahren.

Erklärung: Drei Verfahren für schwierige Gemische

Extraktion: Herauslösen

Bei der Extraktion löst ein Lösungsmittel einen Stoff gezielt aus einem Gemisch heraus. Andere Bestandteile bleiben zurück. Die genutzte Eigenschaft ist die Löslichkeit.

• Beim Teekochen löst heisses Wasser Farb-, Aroma- und Wirkstoffe aus den Blättern. Die Blätter bleiben im Beutel.
• In der Kaffeemaschine extrahiert heisses Wasser unter Druck die Aromastoffe aus dem Kaffeepulver.
• Fleckentferner lösen Fett aus Stoff, das Wasser allein nicht lösen würde.

Chromatografie: Wandern lassen

Bei der Papierchromatografie saugt sich ein Laufmittel, zum Beispiel Wasser, im Papier nach oben. Es nimmt die Farbstoffe mit. Farbstoffe, die sich gut im Laufmittel lösen und wenig am Papier haften, wandern weit. Andere bleiben weiter unten zurück. So entsteht ein Chromatogramm mit getrennten Farbbändern. Genutzt werden die Löslichkeit und das unterschiedliche Haften am Papier.

Destillation: Verdampfen und wieder auffangen

Beim Eindampfen geht das Wasser verloren. Will man die Flüssigkeit behalten, destilliert man. Das Gemisch wird erhitzt, bis die Flüssigkeit mit der tieferen Siedetemperatur verdampft. Der Dampf strömt in einen Kühler, wird dort abgekühlt und kondensiert. Die aufgefangene Flüssigkeit heisst Destillat. Genutzt wird die Siedetemperatur.

Die Siedesteinchen sorgen dafür, dass die Flüssigkeit ruhig siedet und nicht plötzlich aufschäumt. Das Thermometer sitzt auf der Höhe des Seitenrohrs. So misst es die Temperatur des Dampfes, der in den Kühler strömt.

Versuch: Filzstiftfarben trennen

Material: Rundfilter oder Kaffeefilter, wasserlösliche Filzstifte (schwarz, braun, grün), Becherglas mit 1 cm Wasser, Bleistift, Klebestreifen.

Durchführung: Ziehe 2 cm über dem unteren Rand eines Filterpapierstreifens eine Bleistiftlinie. Setze darauf kleine Farbpunkte. Hänge den Streifen so ins Becherglas, dass das Wasser die Punkte nicht berührt. Warte, bis das Wasser fast oben ist, und markiere die Laufmittelfront mit Bleistift.

Sicherheit: Nur wasserlösliche Stifte und Wasser verwenden, keine Lösungsmittel wie Aceton oder Brennsprit.

Beispiele

Beispiel 1: Destillation von Salzwasser Im Rundkolben befinden sich 100 ml Salzwasser. Beim Erhitzen steigt das Thermometer bis etwa 100 °C und bleibt dort, solange Wasserdampf übergeht. In der Vorlage sammelt sich klares Wasser. Probe: Ein Tropfen Destillat hinterlässt beim Eindampfen auf einem Uhrglas keinen Rückstand. Das Salz bleibt im Kolben, weil es erst bei 1465 °C siedet. Auf Schiffen und in sehr trockenen Ländern gewinnt man so Trinkwasser aus Meerwasser.

Beispiel 2: Ein Chromatogramm deuten Ein Punkt schwarzer Tinte trennt sich in drei Bänder: Gelb wandert 6 cm, Rot 4 cm, Blau 2 cm, die Laufmittelfront liegt bei 8 cm. Der gelbe Farbstoff löst sich am besten im Wasser und haftet am wenigsten am Papier. Der blaue haftet am stärksten. Ein brauner Stift, der ebenfalls ein gelbes Band bei 6 cm zeigt, enthält vermutlich denselben gelben Farbstoff.

Beispiel 3: Warum ein Kühler? Ohne Kühler würde der Wasserdampf in die Luft entweichen. Erst die Abkühlung im Kühler bringt die Teilchen wieder so nahe zusammen, dass sie zu Wasser kondensieren und aufgefangen werden können.

Merksatz

Extraktion löst einen Stoff mit einem Lösungsmittel heraus (Löslichkeit). Chromatografie trennt gelöste Stoffe, weil sie im Papier unterschiedlich weit wandern. Destillation trennt nach der Siedetemperatur: verdampfen, im Kühler kondensieren, als Destillat auffangen.

Übungen

Grundlagen

1. Ordne zu: Teebeutel aufgiessen, Filzstiftfarben trennen, Trinkwasser aus Meerwasser gewinnen.
2. Benenne die Teile einer Destillationsapparatur und ihre Aufgabe.
3. Warum wird die Startlinie bei der Chromatografie mit Bleistift und nicht mit Kugelschreiber gezogen?

Weiter

4. Erkläre den Unterschied zwischen Eindampfen und Destillieren.
5. Warum fliesst das Kühlwasser im Liebigkühler unten hinein und oben hinaus?
6. Ein grüner Filzstift ergibt im Chromatogramm ein gelbes und ein blaues Band. Was folgerst du?

Knobeln

7. Bei einer Lebensmittelkontrolle wird geprüft, ob ein Sirup einen nicht erlaubten Farbstoff enthält. Beschreibe, wie die Chromatografie dabei helfen könnte.
8. Ein Gemisch aus Wasser (Siedetemperatur 100 °C) und Ethanol (78 °C) wird destilliert. Welcher Stoff sammelt sich zuerst in der Vorlage? Warum ist das Destillat trotzdem kein reiner Stoff?

Lösungen

1. Tee: Extraktion. Filzstiftfarben: Chromatografie. Trinkwasser aus Meerwasser: Destillation.
2. Rundkolben: enthält das Gemisch. Heizplatte: erhitzt. Siedesteinchen: sorgen für ruhiges Sieden. Thermometer: misst die Temperatur des Dampfes. Liebigkühler: kühlt den Dampf, sodass er kondensiert. Vorlage: fängt das Destillat auf.
3. Kugelschreibertinte würde selbst vom Laufmittel mitgenommen und das Ergebnis verfälschen. Grafit löst sich nicht.
4. Beim Eindampfen will man den gelösten Feststoff gewinnen, die Flüssigkeit entweicht. Beim Destillieren fängt man die verdampfte Flüssigkeit im Kühler wieder auf und gewinnt sie als Destillat.
5. Im Gegenstrom ist das Kühlwasser am unteren Ende am kältesten, wo der Dampf schon fast kondensiert ist. So wird der Dampf vollständig abgekühlt. Ausserdem füllt sich der Kühlmantel von unten ganz mit Wasser, ohne Luftblasen.
6. Die grüne Tinte ist ein Gemisch aus einem gelben und einem blauen Farbstoff.
7. Man trägt einen Tropfen Sirup und daneben Tropfen von bekannten erlaubten und nicht erlaubten Farbstoffen auf dieselbe Startlinie auf. Zeigt der Sirup ein Band auf derselben Höhe wie der verbotene Farbstoff, besteht ein Verdacht, der mit genaueren Methoden geprüft wird.
8. Zuerst sammelt sich vor allem Ethanol, weil es die tiefere Siedetemperatur hat. Bei 78 °C verdampft aber auch schon etwas Wasser, denn auch Wasser verdunstet unterhalb seiner Siedetemperatur. Das Destillat enthält deshalb immer etwas Wasser.