Stofftrennung

Damit wir ein Stoffgemisch trennen können, benötigen wird sowohl das Wissen über seine charakteristische Stoffeigenschaften, als auch die Erkenntnis, dass ein Stoffgemisch vorliegt. Ob ein Stoff als Reinstoff oder Gemisch vorliegt, können wir unter Umständen mit bloßem Auge erkennen oder durch die Messung der Schmelztemperatur (bei festen Stoffen) bzw. Messung der Siedetemperatur (bei flüssigen Stoffen).

Liegt uns nun ein flüssiges Stoffgemisch vor, so können wir dieses mit Hilfe der sogenannten Destillation (als Verfahren zur Stofftrennung) in einzelne Stoffe. Allgemein verwenden wir die Destillation als Trennverfahren, um Flüssigkeitsgemische mit unterschiedlicher Siedetemperatur der einzelnen Komponenten voneinander zu trennen. Aufgrund seiner Bedeutung ist die Destillation heutzutage eines der wichtigsten Trennverfahren überhaupt, beispielsweise um aus Rohöl Benzin zu gewinnen.

Aus diesem Grund soll nun das Trennverfahren der Destillation einfach und kurz dargestellt werden:

Die Destillation als Methode zur Stofftrennung

Nach der allgemeinen Definition findet bei der Vermischung von Stoffen keine chemische Reaktion statt. Daher “behalten” die einzelnen Stoffe in dem Stoffgemische (teilweise) ihre Eigenschaften wie die Siedetemperatur. Aus diesem Grund Stoffgemische lassen sich durch physikalische Trennverfahren (wie z.B. der Destillation) in ihre Komponenten zerlegen bzw. einzelne Komponenten aus dem Stoffgemisch abtrennen.

Nachfolgend ist eine (einfache) Destillationsapparatur abgebildet, so wie sie im Labor verwendet wird.

Im Prinzip ist der Vorgang bei der Destillation immer der gleiche:

Bevor wir allerdings mit der Destillation beginnen, überzeugen wir uns, dass die zu trennenden Stoffe unterschiedliche Siedepunkte haben. Um eine (einfache) Destillation sinnvoll durchführen zu können, sollten die Siedepunkte der einzelnen Stoffe 30°C auseinander liegen.

1. Im ersten Schritt wird das Stoffgemisch in einen geeigneten Rundkolben gegeben und ein paar Siedesteinchen zugegeben (um einen Siedeverzug zu verhindern).
2. Zusätzlich wird der Kühler vorbereitet, dazu wird von einer Wasserleitung ein Schlauch an den Kühler angeschlossen (beim Kühlwasser-Einlass)
3. Im zweiten Schritt wird die Destillationsapparatur aufgebaut, dazu wird der Rundkolben mit einer Wärmequelle (meist ein Heizpilz) verbunden, der Destillieraufsatz mit dem Thermometer wird auf den Rundkolben gesetzt. An der Destillieraufsatz wird der Kühler angefügt. Unter dem Destilliervorstoß des Kühlers wird ein Auffanggefäß gestellt, um das Destillat aufzufangen.
4. Nachdem das Kühlwasser durch den Kühler fließt (Wasserhahn aufdrehen) wird die Wärmequelle eingeschaltet.
5. Nun wartet man, bis die Flüssigkeit im Rundkolben siedet. Dabei verdampft zunächst die Flüssigkeit mit der niedrigsten Siedetemperatur.
   Im Kühler wird nun der heiße Dampf abgekühlt und kondensiert (der Dampf wird wieder flüssig). Aus dem Kühler läuft nun die Flüssigkeit (Destillat) in das Auffanggefäß.
6. Möchten wir noch einen weiteren Stoff aus dem Stoffgemisch entfernen, so entfernen wir das Auffanggefäß, stellen eine neues (leeres) unter den Kühler und erhöhen schließlich die Temperatur, mit dem das Stoffgemisch im Rundkolben erhitzt wird. Durch die weitere Temperaturerhöhung wird dabei erreicht, dass die nächste Flüssigkeit verdampft und abgetrennt wird.

Destillation am Beispiel Wasser-Alkohol

Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Destillation eine Methode zur Trennung flüssiger Gemische, wobei die verschiedenen Stoffe im Stoffgemisch verschiedene Siedepunkte haben.

Dies für das Wasser-Alkohol-Gemisch gegeben. Das Flüssigkeitsgemisch besteht aus zwei Flüssigkeiten. Darüber hinaus haben sie zwei unterschiedliche Siedetemperaturen, die auch weit genau auseinander liegen, um den Alkohol abzutrennen. Unter Laborbedingungen siedet Wasser bei 100°C. Der Siedepunkt von Alkohol ist niedriger und liegt bei 78°C. Alkohol ist also der “flüchtigere” Stoff mit der niedrigeren Siedetemperatur.

Erhitzt man nun das Gemisch von Alkohol und Wasser, so erreicht der Alkohol (bei ca. 80°C) als erste Komponente den Siedepunkt und beginnt zu Sieden bzw. zu Verdampfen. Daher enthält der aus dem Rundkolben aufsteigende  Dampf viel mehr Alkohol als Wasser.

In der oben gezeigten Destillationsapparatur wird nun der Dampf am Destillieraufsatz durch einen Kühler abgeleitet und abgekühlt.  Dadurch kondensiert der Dampf und wird flüssig (wir haben nun also flüssigen Alkohol). Diese Flüssigkeit wird nun am “Ausgang” des Kühlers mit einem Auffanggefäß aufgefangen.

Stofftrennung – Testfragen/-aufgaben

1. Was versteht man unter Stofftrennung?

Unter Stofftrennung versteht man die Trennung von verschiedenen Stoffen oder Stoffgemischen in ihre einzelnen Bestandteile.

2. Nennen Sie vier verschiedene Methoden zur Stofftrennung.

Zu den Methoden zur Stofftrennung gehören Chromatographie, Destillation, Kristallisation und Extraktion.

3. Was ist das Ziel der Stofftrennung?

Das Ziel der Stofftrennung ist es, einzelne Bestandteile eines Stoffgemischs zu isolieren oder Verunreinigungen zu entfernen.

4. Was versteht man unter Destillation und wo wird sie angewendet?

Destillation ist eine Methode zur Trennung von flüssigen Stoffgemischen, die auf Unterschieden in den Siedetemperaturen der Komponenten basiert. Sie wird zum Beispiel in der Chemie und Lebensmittelindustrie verwendet.

5. Erklären Sie, was Chromatographie ist.

Chromatographie ist ein Verfahren, mit dem man die einzelnen Bestandteile eines Gemisches trennen kann. Das Prinzip beruht auf den unterschiedlichen chemischen Eigenschaften der Stoffe, wie beispielsweise ihrer Löslichkeit oder Adsorption.

6. Was ist Extraktion und wo wird sie angewendet?

Extraktion ist eine Methode zur Trennung von Stoffgemischen, bei der eine Komponente durch Kontakt mit einem Lösungsmittel selektiv in eine andere Phase überführt wird. Sie wird unter anderem in der Lebensmittelherstellung und der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.

7. Was versteht man unter Kristallisation?

Bei der Kristallisation handelt es sich um ein Trennverfahren, bei dem ein Stoff aus einer übersättigten Lösung in Form von Kristallen ausgeschieden wird.

8. Welche Rolle spielt die Siedetemperatur bei der Destillation?

Die Siedetemperatur spielt eine zentrale Rolle bei der Destillation, da unterschiedliche Komponenten eines Gemisches bei unterschiedlichen Temperaturen verdampfen.

9. Wie funktioniert die Trennung von Stoffen durch Chromatographie?

Bei der Chromatographie werden die Stoffe an eine stationäre Phase gebunden und dann mit einer mobilen Phase durchströmt. Unterschiedliche Stoffe werden unterschiedlich stark von der stationären Phase zurückgehalten und somit getrennt.

10. Wozu werden Trennverfahren in der Praxis eingesetzt?

Trennverfahren werden in der Praxis genutzt, um reine Stoffe zu gewinnen, Verunreinigungen aus Stoffgemischen zu entfernen oder die Bestandteile eines Stoffgemisches zur weiteren Untersuchung zu isolieren.