Gemische trennen: Filtrieren und Eindampfen

Einstieg: Salz aus dem Berg

Das Kochsalz auf deinem Tisch stammt sehr wahrscheinlich aus der Schweiz. Die Schweizer Salinen gewinnen es am Hochrhein östlich von Basel und bei Bex im Waadtland aus Salzschichten tief im Boden. Dort liegt das Salz aber nicht rein vor, sondern vermischt mit Gestein und Ton. Wie kommt man von diesem Gemisch zu weissem, reinem Salz? Mit Trennverfahren, die du in dieser Lektion selbst ausprobierst.

Erklärung: Trennen heisst Unterschiede nutzen

Jedes Trennverfahren nutzt einen Unterschied in den Eigenschaften der Stoffe im Gemisch. Wer trennen will, fragt deshalb zuerst: Worin unterscheiden sich die Bestandteile?

Trennverfahren	genutzte Eigenschaft	so geht es	Beispiel
Sieben	Teilchengrösse	grobe Körner bleiben im Sieb	Kies und Sand im Kieswerk
Sedimentieren	Dichte	schwere Teile sinken zu Boden	Schlamm setzt sich im Wasserglas ab
Dekantieren	Dichte	Flüssigkeit vorsichtig über dem Bodensatz abgiessen	Wasser vom Sand abgiessen
Filtrieren	Teilchengrösse	Filterpapier hält ungelöste Feststoffe zurück	Kaffeefilter
Magnettrennung	Magnetismus	Magnet zieht Eisen heraus	Eisenspäne aus Sand
Eindampfen	Siedetemperatur	Flüssigkeit verdampft, gelöster Feststoff bleibt zurück	Salz aus Sole
Zentrifugieren	Dichte	schnelles Drehen verstärkt das Absetzen	Schleudergang der Waschmaschine

Beim Filtrieren heisst das, was im Filter zurückbleibt, Rückstand. Was durch den Filter läuft, heisst Filtrat. Gelöste Stoffe wie Salz oder Zucker laufen durch jedes Filterpapier, weil ihre Teilchen viel kleiner sind als die Poren. Deshalb braucht es für eine Lösung ein anderes Verfahren, zum Beispiel das Eindampfen.

So arbeitet eine Saline

1. Wasser wird durch ein Bohrloch in die Salzschicht gepumpt. Das Salz löst sich, Gestein und Ton bleiben unten.
2. Die salzige Lösung, die Sole, wird hochgepumpt.
3. Verunreinigungen werden aus der Sole entfernt.
4. Die Sole wird eingedampft. Das Wasser verdampft, das Salz bleibt als Kristalle zurück.

Die Saline nutzt also zwei Unterschiede: Salz löst sich in Wasser, Gestein nicht. Und Wasser verdampft beim Erhitzen, Salz nicht.

Versuch: Reines Salz aus Steinsalz-Sand-Gemisch

Frage: Wie gewinnst du aus einem Gemisch von Salz, Sand und Eisenspänen reines Salz?

Material: Gemisch aus etwa 5 g Kochsalz, 5 g Sand und einer Spatelspitze Eisenspänen, Magnet in einem Plastikbeutel, Becherglas, Glasstab, Trichter, Filterpapier, Erlenmeyerkolben, Abdampfschale, Heizplatte oder Brenner mit Dreifuss und Drahtnetz, Schutzbrille.

Durchführung:

1. Fahre mit dem Magnet im Beutel über das Gemisch. Streife die Eisenspäne über einem Blatt Papier ab.
2. Gib das restliche Gemisch mit etwa 50 ml Wasser ins Becherglas und rühre, bis sich das Salz gelöst hat.
3. Falte das Filterpapier, setze es in den Trichter und filtriere die Aufschlämmung in den Erlenmeyerkolben.
4. Giesse das ganze Filtrat nach und nach in die Abdampfschale und erhitze vorsichtig. Hör auf, bevor alles Wasser verdampft ist. Die Restwärme genügt.

Sicherheit:

• Schutzbrille tragen, lange Haare zusammenbinden.
• Beim Eindampfen kann heisse Salzlösung spritzen. Nicht über die Schale beugen.
• Die Abdampfschale bleibt lange heiss. Nur mit der Tiegelzange anfassen.
• Bei Brennern gelten die Regeln deiner Schule. Die Lehrperson erklärt das Anzünden.

Beispiele

Beispiel 1: Die Trennschritte begründen Der Magnet trennt die Eisenspäne, weil nur Eisen magnetisch ist. Beim Lösen und Filtrieren bleibt der Sand als Rückstand im Filter, weil er in Wasser unlöslich ist. Das Salz ist gelöst und läuft mit dem Filtrat durch. Beim Eindampfen verdampft das Wasser, das Salz bleibt zurück, weil seine Siedetemperatur viel höher ist (1465 °C).

Beispiel 2: Wie viel Salz war im Gemisch? Ein Gemisch wiegt 12,0 g. Nach dem Trennen erhältst du 1,0 g Eisenspäne, 5,5 g getrockneten Sand und 4,8 g Salz. Zusammen sind das 11,3 g. Es fehlen 0,7 g. Ein Teil des Salzes ist im Filterpapier und im feuchten Sand geblieben, etwas Salz ist beim Eindampfen herausgespritzt. Für ein genaueres Ergebnis spült man den Rückstand mit wenig Wasser nach.

Merksatz

Trennverfahren nutzen Unterschiede in den Stoffeigenschaften: Teilchengrösse (Sieben, Filtrieren), Dichte (Sedimentieren, Dekantieren, Zentrifugieren), Magnetismus (Magnettrennung) und Siedetemperatur (Eindampfen). Gelöste Stoffe lassen sich nicht abfiltrieren.

Übungen

Grundlagen

1. Erkläre die Begriffe Rückstand und Filtrat.
2. Welches Trennverfahren passt? Kies und Sand, Sand und Wasser, Eisenpulver und Schwefelpulver, Zucker und Wasser.
3. Warum lässt sich Salzwasser nicht durch Filtrieren trennen?

Weiter

4. Lege eine Reihenfolge fest, um ein Gemisch aus Sägemehl, Sand und Salz zu trennen. Begründe jeden Schritt. Tipp: Sägemehl schwimmt auf Wasser.
5. Im Versuch hat eine Gruppe am Ende graues statt weisses Salz. Nenne zwei mögliche Ursachen.
6. Beschreibe, wie die Waschmaschine beim Schleudern Wasser und Wäsche trennt. Welche Eigenschaft wird genutzt?

Knobeln

7. Eine Saline braucht viel Energie zum Eindampfen. Schlage ein Verfahren vor, mit dem man in einem warmen, trockenen Land Energie sparen könnte, und nenne einen Nachteil.
8. Werte Beispiel 2 aus: Wie viel Prozent der Masse des Gemischs war Salz, wenn man annimmt, dass die fehlenden 0,7 g alle Salz waren?

Lösungen

1. Rückstand: der Feststoff, der im Filter zurückbleibt. Filtrat: die Flüssigkeit, die durch den Filter läuft.
2. Kies und Sand: Sieben. Sand und Wasser: Sedimentieren und Dekantieren oder Filtrieren. Eisenpulver und Schwefelpulver: Magnettrennung. Zucker und Wasser: Eindampfen.
3. Die Salzteilchen sind gelöst und viel kleiner als die Poren im Filterpapier. Sie laufen mit dem Wasser durch.
4. Mögliche Reihenfolge: Gemisch in Wasser geben und rühren, das Salz löst sich. Das Sägemehl schwimmt oben und wird abgeschöpft (Dichte kleiner als Wasser). Den Sand filtrieren (unlöslich, bleibt als Rückstand). Das Filtrat eindampfen, das Salz bleibt zurück (Siedetemperatur).
5. Zum Beispiel: Das Filterpapier war gerissen oder schlecht gefaltet, sodass feiner Sand durchgelaufen ist. Oder die Lösung wurde zu stark erhitzt, und Reste sind angebrannt. Möglich ist auch, dass nicht alle Eisenspäne entfernt wurden.
6. Die Trommel dreht sehr schnell. Das Wasser wird nach aussen geschleudert und läuft durch die Löcher der Trommel ab. Die Wäsche wird von der Trommelwand zurückgehalten. Genutzt wird die Teilchengrösse (Löcher wie ein Sieb) und die Fliehbewegung, die beim Zentrifugieren das Trennen nach der Dichte verstärkt.
7. Man könnte die Sole in flachen Becken in der Sonne verdunsten lassen, wie in Meersalz-Salinen. Nachteile: Es braucht sehr viel Fläche, es dauert lange, und Regen oder Staub können das Salz verunreinigen. In der Schweiz ist das Klima dafür zu feucht.
8. $4{,}8\ \text{g} + 0{,}7\ \text{g} = 5{,}5\ \text{g}$ Salz. Anteil: $5{,}5 : 12{,}0 \approx 0{,}458$, also rund 46 Prozent.