2.2 Trennverfahren: Praktische Methoden zur Einteilung der Stoffe

Trennverfahren sind physikalische Vorgänge, beim Trennen wird die chemische Zusammensetzung der Stoffe nicht verändert. Die einzelnen Reinstoffe eines Gemenges können somit abgetrennt werden, ohne dass diese Reinstoffe verändert werden. Einige dieser Trennverfahren werden in diesem Kapitel vorgestellt.

2.2.1 Sedimentieren

2.2.2 Dekantieren

2.2.3 Filtrieren

2.2.4 Zentrifugieren

2.2.5 Abscheiden

2.2.6 Abdampfen

2.2.7 Extrahieren

2.2.8 Destillieren

2.2.9 Chromatografieren

2.2.10 Trennung mittels eines Magneten

2.2.11 Aufgaben

2.2.1 Sedimentieren

Unter Sedimentieren versteht man das Absinken von feinen unlöslichen Feststoffteilchen in einer Flüssigkeit.
Beispiel:

Wenn man etwa einen Teelöffel Gartenerde in einem Glas Wasser umrührt, kann man beobachten, dass in dem bräunlichen Gemisch größere Teilchen schnell zu Boden sinken. Wenn man das Gemisch einen Tag stehen lässt, so haben sich auch die leichtesten Teilchen am Glasboden abgesetzt (sedimentiert). Die darüber stehende Flüssigkeit ist klar.

Unter Dekantieren versteht man das Abgiessen einer Flüssigkeit, welche sich über einem unlöslichen Feststoff oder einer unlöslichen Flüssigkeit befindet.
Beispiele:
- Das Fett einer Soße kann man mit etwas Geschick größtenteils abgießen (dekantieren).
- Kaffee kann vom Kaffeesatz abgegossen (dekantiert) werden.

- Wasser kann man größtenteils von Sand abtrennen.
Aus diesen Beispielen kann man schon erkennen, dass die Dekantation keine sehr genaue Trennmethode ist.

a. Normale Filtration.
Durch eine Filtration kann man eine Flüssigkeit von einem in ihr unlöslichen Feststoff trennen.

Um ein Gemisch zu filtrieren, gießt man das Gemisch durch ein Sieb oder ein Filterpapier.
Falten des Filterpapiers:

Die Flüssigkeit, welche aus sehr kleinen Teilchen besteht, fließt problemlos durch die Poren des Filterpapiers. Man bezeichnet die austretende Flüssigkeit als Filtrat. Der unlösliche Feststoff besteht aus Teilchen, die größer sind als die Poren des Filterpapiers. Der Feststoff bleibt im Filterpapier zurück, man bezeichnet diesen Feststoff als Niederschlag.
Beispiel:

b. Filtration unter vermindertem Druck.
Obwohl die normale Filtration die Trennung eines heterogenen Gemisches aus einer Flüssigkeit und einem darin unlöslichen Feststoff erlaubt, besitzt sie zwei große Nachteile:
- die Filtration verläuft relativ langsam
- eine vollständige Trennung ist fast unmöglich, es bleibt immer noch etwas Flüssigkeit am Niederschlag haften.
Unter vermindertem Druck verläuft eine solche Filtration wesentlich schneller, auch wird durch den Unterdruck Luft durch den Niederschlag gesogen und dadurch getrocknet.
Beispiel:
Filtration eines Wasser-Sand-Gemisches.

Der verminderte Druck wird durch eine Wasserstrahlpumpe erreicht. In der Wasserstrahlpumpe reißt ein feiner Wasserstrahl Luftteilchen mit sich. Schließt man die Wasserstrahlpumpe an die Saugflasche an, so werden Luftteilchen aus der Saugflasche angesogen. Dadurch entsteht in der Saugflasche ein Unterdruck:
- Befindet sich noch Flüssigkeit im Büchnertrichter so wird sie sehr schnell in die Saugflasche eingesogen, um den Druck auszugleichen: Die Filtration unter vermindertem Druck verläuft wesentlich schneller als eine normale Filtration.
- Befindet sich nur noch ein wenig Restflüssigkeit im Büchnertrichter, so wird Luft aus der Umgebung durch den Niederschlag und das Filterpapier in die Saugflasche eingesogen. Dadurch wird der Niederschlag getrocknet.

2.2.4 Zentrifugieren

Wenn man einen sehr fein verteilten, unlöslichen Feststoff aus einer Flüssigkeit filtrieren will, so ist die normale Filtration unbrauchbar, da die Filtration äußerst langsam verläuft, und die Poren des Filterpapiers oft verstopfen.
Aber auch eine Filtration unter vermindertem Druck hilft hier nicht weiter, da wiederum die Poren des Filters verstopfen, und unter Umständen das Filterpapier reißt, und eine Filtration daher nicht möglich ist.
In einem solchen Fall kann eine Zentrifugation weiterhelfen. Dazu braucht man einen speziellen Apparat, eine Zentrifuge. Eine Zentrifuge besteht hauptsächlich aus einer Achse, an der man - an zwei beweglichen Seitenarmen - dickwandige Reagenzgläser anbringen kann.
Beispiel:
Zentrifugation eines Wasser-Gartenerde-Gemisches.

Schließt man den Apparat an, so dreht sich die Achse sehr schnell, bis zu 6000 Umdrehungen pro Minute. Durch die Fliehkraft werden die Reagenzgläser an den beweglichen Seitenarmen in die Waagerechte gebracht. Auch durch die Fliehkraft bedingt, verläuft die Flüssigkeit nicht. Die Fliehkraft drückt die Feststoffteilchen fest an den Boden des Reagenzglases. Da dies bei hohem Druck geschieht, bleiben die Feststoffteilchen auch noch nach der Zentrifugation am Boden haften.

Nach dem Lösen der Reagenzgläser aus der Halterung, kann man die Flüssigkeit dekantieren, ohne Feststoffteilchen mitzureißen, da die Feststoffteilchen sehr fest am Boden des Reagenzglases haften.

Durch Abscheiden in einem Scheidetrichter kann man zwei ineinander unlösliche Flüssigkeiten trennen.
Vermengt man beide Flüssigkeiten eng miteinander, dann bildet sich ein heterogenes Gemisch, welches man als Emulsion bezeichnet. Gibt man das Gemisch in einen Scheidetrichter, dann trennen sich die beiden Flüssigkeiten, und man erhält zwei Phasen: Die untere Phase enthält immer die Flüssigkeit mit der größten Dichte, die obere Phase wird immer durch die Flüssigkeit mit der kleineren Dichte gebildet. Durch Öffnen des Hahnes kann man die untere Phase von der oberen Phase trennen.
Beispiel:
Ein Öl-Wasser-Gemenge.

Öl besitzt eine kleinere Dichte als Wasser und bildet daher die obere Phase im Scheidetrichter. Wasser bildet die untere Phase.

2.2.6 Abdampfen

Durch Abdampfen eines homogenen Gemisches (löslicher Feststoff in einer Flüssigkeit) kann man den löslichen Feststoff von der Flüssigkeit trennen. Die Flüssigkeit geht aber bei diesem Vorgehen durch Verdampfen verloren.
Beispiel:

Nach dem Verdampfen des Wassers bleibt Salz als weißer Feststoff zurück.

2.2.7 Extrahieren

Unter Extrahieren versteht man das Herauslösen von Stoffen mithilfe eines Lösungsmittels.
Man kann sowohl
- eine bestimmte Flüssigkeit aus einer anderen Flüssigkeit herauslösen, als auch
- lösliche Feststoffe aus Flüssigkeiten oder aus anderen Feststoffen herauslösen.
Dieses Verfahren beruht auf der unterschiedlichen Löslichkeit der einzelnen Stoffe. Eine Extraktion kann man in einem Scheidetrichter durchführen.
Beispiele:
Aufbereiten von Kaffee oder Tee. Dabei werden wasserlösliche Stoffe aus dem Kaffeepulver beziehungsweise aus dem Tee herausgelöst.
Eine Wasser-Ether Extraktion, um einen in Wasser schwer löslichen Stoff in die Etherphase zu überführen, in welchem der Stoff sehr löslich ist.

2.2.8 Destillieren

a) einfache Destillation
Mit einer einfachen Destillation kann man sehr leicht lösliche Feststoffe von einem Lösungsmittel trennen. Für Flüssigkeiten mit sehr großen Siedetemperaturunterschieden ist auch eine Trennung möglich.
In einem ersten Schritt wird das Stoffgemenge langsam erhitzt. Die Flüssigkeit mit der kleinsten Siedetemperatur steigt als Erste als Dampf in dem Destillationsapparat nach oben. Der Dampf kondensiert im Liebig-Kühler und kann dann in einem Erlenmeyerkolben aufgefangen werden.
Beispiel:
Trennung einer Salzlösung.

b) Fraktionierte Destillation
Mittels einer fraktionierten Destillation kann man mehrere ineinander lösliche Flüssigkeiten trennen. Hierzu braucht man einen besonderen Glasapparat, ein Destillationsgerät mit einer Vigreux-Kolonne.
In einem ersten Schritt wird das Stoffgemenge langsam erhitzt. Die Flüssigkeit mit der kleinsten Siedetemperatur steigt als Erste als Dampf in dem Destillationsapparat nach oben. Die Vigreux-Kolonne erlaubt dabei ein langsames aber stetes Ansteigen der Temperatur. Durch diese feinen Temperaturunterschiede wird auch die Trennung von Flüssigkeiten mit relativ kleinen Siedepunktunterschieden möglich. Der Dampf kondensiert im Liebig-Kühler und kann dann in einem Erlenmeyerkolben aufgefangen werden.
Beispiel:

2.2.9 Chromatografieren

Durch Chromatografie kann man sehr komplizierte Gemische in ihre Bestandteile auftrennen. Beispiel:
Auftrennung eines Farbstoffgemisches.
a. mithilfe eines Kapillars bringt man eine geringe Menge Gemisch auf Chromatografiepapier und lässt trocknen.
b. Dann gibt man das Chromatografiepapier in einen schließbaren Glasbehälter, welcher ein Fließmittel (Gemisch von Lösungsmitteln) enthält. Beim Aufsteigen des Fließmittels werden die verschiedenen Farbstoffe unterschiedlich weit mitgerissen. Je weniger ein Stoff von dem Chromatografiepapier zurückgehalten wird, je weiter wird er vom Fließmittel mitgenommen.
c. Wenn das Fließmittel die obere Markierung erreicht hat, wird die Chromatografie durch Herausnahme aus dem Glasbehälter und anschließendem Trocknen beendet.

2.2.10 Trennung mittels eines Magneten

Eisen kann man mithilfe eines Magneten von anderen Feststoffen oder Flüssigkeiten abtrennen.

Beispiel 1: Trennung von Eisenpulver und feinem Sand

Beispiel 2: Trennung von Eisenpulver und einer Flüssigkeit

2.2.11 Aufgaben

1. Wie kann man ein Eisenpulver-Salz-Sand-Gemisch vollständig auftrennen?
Lösung

2. Welche Stoffe eines Eisenpulver-Zucker-Sand-Wasser-Gemenges kann man durch Filtration abtrennen?
Begründe deine Antwort anhand eines Modells der Filtration.
Lösung

3. Flüssige Luft ist hauptsächlich ein Gemisch aus Sauerstoff (Siedetemperatur = -183°C), Stickstoff (Siedetemperatur = -196°C) und Argon (Siedetemperatur = -186°C).
Wie kann man flüssige Luft, welche auf -200°C abgekühlt ist, in seine Reinstoffe auftrennen?
Lösung

4. Wie kann man ein Öl-Wasser-Ether-Sand-Salz-Gemisch vollständig auftrennen?
Lösung