Stofftrennung und Phasengleichgewichte – Chromatographie

Die Stofftrennung (vor allem die chromatographischen Methoden, wie Gaschromatographie) ist ein wichtiges Verfahren, um Gemische voneinander zu trennen und die einzelnen Komponenten zu erhalten. Chromatographische Methoden beruhen auf der Wechselwirkung zweier Phasen. Durch das chemische Gleichgewicht an den Grenzflächen finden Wechselwirkungen zwischen Stoffen bzw. Molekülen aneinandergrenzender Phasen statt. So lässt sich erklären, warum durch eine Chromatographiesäule ein Stoff schneller „durchfließt“, als der andere und so beide Stoffe aus einem Gemisch getrennt werden.

Stofftrennung und Phasengleichgewichte

Jeder Stoff besteht aus kleinsten Teilchen (Atome, Ionen), im „Inneren“ dieses Stoffes ist (gemäß dem einfachen Teilchenmodell) jedes Teilchen von allen Seiten von einem „Bindungspartner“ umgeben. In diesem Fall liegt ein Kräftegleichgewicht (aus Anziehung und Abstoßung) vor, es „dringt“ keine Wechselwirkung“ nach außen.

Betrachten wir nun aber die Grenzfläche an einem Stoff (auf Teilchenebene), so sind hier nicht mehr alle Teilchen von Partnern umgeben. Daher wirkt von der Grenzfläche nach außen hin eine Kraftwirkung (z.B. Van-der-Waals-Kräfte). Diese Wechselwirkungskräfte an den Grenzflächen bewirken viele physikalische und chemische „Phänomene“. Eines dieser Phänomene ist die sogenannte „Adsorption“. Unter Adsorption versteht man die Anlagerung von Gasen oder Flüssigkeiten an die Grenzfläche/ Oberfläche eines Feststoffes bzw. Flüssigkeit aufgrund der Wechselwirkungskräfte (in der Physik auch als freie Oberflächenkräfte bezeichnet).

Bei der Adsorption hat man folgendes „Phasengleichgewicht“

Adsorbens (adsorptionsfähiger Stoff)  + Adsorptiv (zu adsorbierende Stoff) => Adsorbat („beladendes Adsorbens“)

Hinweis: Bei der Adsorption unterscheidet man (wie auch in der Chemie zwischen Gemisch und Verbindung) einen physikalischen und einen chemischen Adsorptionsvorgang. Bei chemischen Adsorptionsvorgängen kommt es zu Wechselwirkungen an den Grenzflächen, aber auch anschließend zu Austauschvorgängen (=> bei Ionenaustauschern), was zu einer chemischen Reaktion führt.

Warum sprechen wir von einem Phasengleichgewicht?

Van-der-Waals-Kräfte (bzw. Dispersionskräfte) sind sekundäre „Bindungen“, sie sind „reversibel“ und können durch Temperaturänderungen jederzeit verändert werden. Solche sekundären Bindungskräfte führen in der Regel zu einem Gleichgewicht, so stellt auch die Adsorption eines Gases an einen Feststoff ein reversibles Gleichgewicht dar. Im Zustand des Gleichgewichts ist die Adsorptionsgeschwindigkeit gleich der Desoprtionsgeschwindigkeit.

Wie erwähnt, hängen sekundäre Bindungen wie die Van-der-Waals-Kräfte von vielen Einflüssen ab (z.B. Temperatur). Daher ist der Adsorptionsvorgang zwischen Adsorbens und dem Adsorptiv auch von einigen Einflüssen abhängig:

  • Von der Größe der Oberfläche des Adsorbens – je größer die Oberfläche, desto größer die Wechselwirkung
  • Von der „Umgebungstemperatur“ – Temperatur führt zur Zunahme von Molekülschwingungen, so dass sich die Desorptionsgeschwindigkeit erhöht. Es wird weniger Adsorptiv adsorbiert

Hinweis: Die Wirkung der Adsorption lässt sich mit Hilfe von Adsorptionsisothermen beschreiben. Diese Größe beschreibt die Abhängigkeit einer Konzentration eines zu adsorbierenden Stoffes an der Oberfläche eines Adsorbens in Abhängigkeit von Druck bzw. Temperatur.

Nach diesen theroetischen Grundlagen über Phasengleichgewichte und Adsorptionsvorgänge (Adsorptionsvorgänge und Adsorptionsisothermen sind die theoretische Grundlage der Chromatographie) kommen wir nun zu den Verfahren der Stofftrennung:

  • Gaschromatographie
  • Säulenchromatographie
  • Dünnschichtchromatograhie

Viele chromatographische Verfahren sind heute „automatisiert“, d.h. computergestützte Auswertung. Wie werden bei der Chromatographie Meßergebnisse abgelesen?

Wie bereits erwähnt, beruht das Verfahren der Chromatographie darauf, dass sich die einzelnen Stoffe eines Gemisches unterschiedlich verteilen in der mobilen bzw. stationären Phase. Damit wandern die einzelnen Komponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch die Trennstrecke und treten zu unterschiedlichen Zeiten am Ende der Trennstrecke auf und können so getrennt werden. Gemessen werden die einzelnen Komponenten eines zu trennenden Gemisches mit Hilfe von Detektoren, die die unterschiedlichen Stoffe nach der Trennung bzw. das resultierende Gemisch in elektrische Signale umwandeln. Die bekanntesten Detektoren beinhalten Thermistorzellen oder Wärmeleitfähigkeitszellen. Jede einzelne Komponente erzeugt im Detektor ein Signal. Als Ergebnis erhält man ein sogenanntes Chromatogramm: Darstellung von Signalen (in Form von Spitzen) in Abhängigkeit der Zeit.

Die Entstehung des elektrischen Signals lässt sich vereinfacht folgendermaßen erklären:

Prinzipiell basiert die Messung auf eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit von unterschiedlichen Stoffen. So verwendet man einen Heizleiter, der eine konstante Temperatur hat. Durch unterschiedliche Wärmeleitfähigekeiten der aufgetrennten Stoffe stellt sich am Heizleiter eine unterschiedliche Temperatur ein. Diese Temperaturänderung bedeutet ebenfalls eine Widerstandsänderung. Mit Hilfe einer geeigneten Schaltung (z.B: Wheatstone Brücke) kann die Widerstandsänderung in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Die Auswertung basiert also auf der Wärmeleitfähigkeit und der dadurch bedingten Widerstandsänderung.