Trennverfahren
Trennverfahren sind in der Chemie für die Trennung von Stoffgemischen wichtig. Eine Übersicht verschiedener Trennverfahren sowie Anwendungsbeispiele findest du hier oder direkt im Video !
Inhaltsübersicht
Trennverfahren einfach erklärt
Bei chemischen Reaktionen entstehen häufig Stoffgemische. Willst du diese Stoffgemische trennen, musst du verschiedene Trennverfahren anwenden.
Du nutzt dabei verschiedene Stoffeigenschaften aus, um einzelne Stoffe aus den Gemischen abzutrennen. Beispiele sind unterschiedliche Siedepunkte oder verschiedene Löslichkeiten.
Weiterhin findest du wichtige Rohstoffe, wie Mineralien, in der Natur oft nicht in ihrer reinen Form vor. Auch sie müssen durch Trennverfahren gewonnen werden.
Sedimentieren und Dekantieren
Trennungsprinzip: Durch eine unterschiedliche Dichte setzt sich ein unlöslicher Feststoff ab und du kannst die überstehende Flüssigkeit abgießen.
Wenn du einen unlöslichen Feststoff von einer Flüssigkeit trennen möchtest, kannst du dir die Sedimentation zur Hilfe nehmen. Dabei lässt du dein Gemisch stehen und wartest, bis sich der Feststoff am Boden deines Gefäßes absetzt. Die Voraussetzung dafür ist, dass seine Dichte groß genug ist, damit die Feststoffteilchen auf den Boden absinken.
Im Anschluss trennst du die Flüssigkeit durch vorsichtiges Überführen. Du nennst den zweiten Schritt des Trennverfahrens auch dekantieren.
Eine vollständige Trennung wird dir mit dem Verfahren jedoch meist nicht gelingen. Denn ein sehr kleiner Anteil des Feststoffes ist häufig noch in der Flüssigkeit gelöst. Wenn du nicht vorsichtig bist, kann es auch passieren, dass ein Teil des Feststoffes im anderen Gefäß landet.
Beispiele:
- Abgießen des heißen Wasser nach dem Kochen von Nudeln
- Trennung des Überstands von einem schwerlöslichen Feststoff nach einer Fällungsreaktion
Filtrieren
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Teilchengröße kannst du einen Feststoff von einer Flüssigkeit oder einem Gas trennen.
Ähnlich zum Dekantieren kannst du bei der Filtration einen unlöslichen Feststoff von einer Flüssigkeit trennen. Du nennst so ein Gemisch auch Suspension. Wenn der Feststoff in der Flüssigkeit fein verteilt ist und keine Sedimentation erfolgt, ist die Filtration eine gute Alternative.
Beim Filtrieren trennst du den Feststoff mit Hilfe eines Filtermaterials vollständig ab. Das funktioniert so: Die Porengröße des Filtermaterials, beispielsweise ein Filterpapier, ist kleiner als die Teilchengröße des Feststoffs. Deswegen bleibt er im Filter zurück.
Die Flüssigkeit hingegen besteht aus sehr kleinen Teilchen und passiert das Filtermaterial problemlos. Die unten verbleibende Flüssigkeit enthält also keinen Feststoff mehr. Du nennst sie Filtrat.
Merke: Bevor du filtrierst, solltest du überprüfen, ob die Flüssigkeit vorher abdekantiert werden kann. Dadurch kannst du die Filtration beschleunigen. Denn je weniger Feststoff vorhanden ist, desto schneller läuft die Flüssigkeit durch das Filtermaterial.
Beispiele:
- Filtrieren der Teeblätter nach Aufguss eines Tees
- Trennung von Feststoff und Flüssigkeit im Labor
Neben dem Filtrieren von Suspensionen kannst du auch kleine Feststoffpartikel von Gasen trennen. Hierfür sind meist spezielle Filter notwendig. Du machst das beispielsweise beim Staubsaugen. Die Filter in Staubsaugern trennen dabei den Staub von der Luft.
Oft dauert eine Filtration recht lange. Um sie zu beschleunigen, gibt es eine Alternative. Du kannst die Filtration mit leichtem Unterdruck durchzuführen. Dazu brauchst du eine Saugflasche sowie eine Membranpumpe. Die Membranpumpe erzeugt dabei in der Saugflasche einen Unterdruck. Um den Druck auszugleichen, fließt die Flüssigkeit schneller durch den Filter.
Zentrifugieren
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Dichten trennst du nicht mischbare Stoffgemische, indem du die Fliehkräfte einer Zentrifuge nutzt.
Du hast einen fein verteilten Feststoff in einer Flüssigkeit, der sich weder filtrieren noch abdekantieren lässt. Dann solltest du dein Stoffgemisch zentrifugieren. Dazu benötigst du eine Zentrifuge.
Eine einfach Zentrifuge besteht aus einer rotierbaren Achse. Dort befinden sich zwei gegenüberliegende, bewegliche Seitenarme. An ihnen kannst du sogenannte Zentrifugenröhrchen mit deinem Stoffgemisch anbringen. Wichtig ist, dass die beiden Seiten austariert sind. Das bedeutet, dass du die Seitenarme gleichmäßig beladen musst.
Bei der Zentrifugation erzeugt das Gerät durch viele Umdrehungen pro Minute Fliehkräfte . Dadurch bewegt sich dein Feststoff nach außen an den Boden deines Gefäßes. Ähnlich wie wenn du in einem Karussell sitzt. Der Feststoff wird somit gut von deiner Flüssigkeit abgetrennt. Danach kannst du die Flüssigkeit beispielsweise abdekantieren.
Beispiele:
- Salatschleuder: Blätter werden an die Wand gepresst; Wasser kann durch die Löcher abfließen
- Trennung von Zellen oder Biomolekülen im Blut in der Medizin
Sieben
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Korngrößen kannst du Feststoffe voneinander trennen.
Feststoffe mit unterschiedlichen Korngrößen trennst du mit einem oder mehreren Sieben nacheinander auf. Dabei muss die Korngröße des abzutrennenden Stoffes größer als die Lochgröße des Siebes sein. Indem du das Sieb schüttelst, beschleunigst du den Prozess.
Beispiele:
- Puderzucker wird häufig auch gesiebt, um lediglich die feinen Körner auf beispielsweise den Kuchen zu bringen
- Wenn du am Strand Muscheln sucht, dann siebst du den Sand durch ein Sieb, wobei die Muscheln im Sieb bleiben
- In einem Kamin trennst du unter Zuhilfenahme eines Gitterrostes das Brennmaterial von der Asche
Abscheiden
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Dichten bilden nicht mischbare Flüssigkeiten trennbare Phasen aus.
Zwei oder mehrere Flüssigkeiten, welche sich nicht mischen, trennst du mit einem Scheidetrichters. Die Flüssigkeiten bilden verschiedene Phasen mit häufig sichtbaren Phasengrenzen aus. Je größer die Dichte einer Flüssigkeit, desto weiter unten befindet sich ihre Phase im Scheidetrichter. Wenn du Wasser und Öl voneinander trennen willst, ist Wasser die untere Phase und Öl die obere.
Die Phasen trennst du nacheinander auf. Dazu öffnest du den Hahn und lässt die untere Phase in ein Gefäß laufen.
Beispiele:
- Fettabscheider für die Reinigung des Abwassers von Gaststätten: Trennung der Fette und Öle
- Trennung der organischen und wässrigen Phase nach einer organischen Synthese
Abdampfen/Kristallisieren
Trennungsprinzip: Durch Verdampfen einer Flüssigkeit kannst du einen löslichen Feststoff isolieren.
Um einen löslichen Feststoff aus einer Flüssigkeit zu gewinnen, musst du das Lösungsmittel entfernen. Das gelingt dir, indem du es verdampfen lässt. Bei Flüssigkeiten mit hohen Siedepunkten ist es notwendig, das Gemisch zu erhitzen, beispielsweise mit einem Bunsenbrenner. Wenn dein Feststoff jedoch thermisch nicht stabil ist, solltest du das Gemisch nicht erhitzen, denn sonst zersetzt er sich.
Auch bei Raumtemperatur kann die Flüssigkeit verdampfen. Das dauert jedoch viel länger.
Hast du mehrere Feststoffe in einer Flüssigkeit, die unterschiedlich gut löslich sind, kannst du sie durch Kristallisation isolieren. Das schaffst du, indem du die Lösung zunächst sehr langsam verdampfen lässt. Der Stoff mit der geringsten Löslichkeit kristallisiert dabei als erstes aus. Anschließend kannst du die Lösung abdekantieren oder filtrieren.
Danach startest du das ganze von vorne und der Stoff mit der zweitgeringsten Löslichkeit kristallisiert aus. So trennst du nacheinander die löslichen Feststoffe auf.
Beispiele:
- Gewinnen von Meersalzen
- Herstellung von Einkristallen für die Strukturbestimmung von Molekülen
Extrahieren
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Löslichkeiten trennst du Stoffe mit Hilfe eines Lösungsmittels.
Bei der Extraktion unterscheidest du zwischen zwei Arten. Einerseits kannst du Feststoffe aus anderen Flüssigkeiten oder Feststoffen herauslösen. Das ist die Fest-Flüssig-Extraktion. Andererseits ist es auch möglich, Flüssigkeiten aus anderen Flüssigkeiten herauszulösen. Du nennst die zweite Art Flüssig-Flüssig-Extraktion.
Besonders wichtig ist, dass du das richtige Lösungsmittel wählst. Hast du ein Stoffgemisch mit zwei Komponenten, sollte im gewählten Lösungsmittel eine der beiden gut löslich, die andere eher schlecht löslich sein. Nur so kannst du beide Komponenten gut voneinander trennen.
Beispiele:
- Tee oder Kaffee kochen: Extraktion wasserlöslicher Stoffe durch heißes Wasser (Lösungsmittel)
- Extrahieren aromatischer Verbindungen mit dem Lösungsmittel Toluol nach einer chemischen Reaktion
Destillieren
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche Siedepunkte kannst du flüssige Stoffgemische auftrennen.
Die Destillation ist ein Trennverfahren, welches du auf verschiedene Weise einsetzen kannst.
Du kannst damit zum Beispiel einen löslichen Feststoff von einer Flüssigkeit lösen. Das funktioniert ähnlich zum Trennverfahren des Abdampfens. Im Falle der Destillation geht die Flüssigkeit jedoch nicht verloren.
Zunächst erhitzt du das Stoffgemisch. Wenn die Flüssigkeit den Siedepunkt erreicht, beginnt sie zu verdampfen. Der Dampf kondensiert im kühleren Teil der Apparatur und die Flüssigkeit wird beispielsweise in einem Kolben gesammelt.
Sind mehrere Flüssigkeiten weder durch Abscheidung noch durch Extraktion trennbar, kann dir auch hier eine Destillation helfen. Genauer gesagt destillierst du die einzelnen Flüssigkeiten fraktioniert. Dein Auffangkolben besteht aus mehreren kleineren Kolben, welche du auch Fraktionen nennst.
Die Siedepunkte der flüssigen Komponenten müssen jedoch ausreichend weit auseinander liegen. Für eine gute Trennbarkeit sollten sich die Siedepunkte um fünf bis zehn Grad Celsius unterscheiden.
Beispiele:
- Aufreinigung von flüssigen organischen Reaktionsprodukten nach der Synthese
- Gewinnung von destilliertem Wasser für die Laboranalytik oder medizinische Anwendungen
Chromatographie
Trennungsprinzip: Durch verschiedene Trenneffekte kannst du schwierige Stoffgemische auftrennen.
Das Prinzip der Chromatographie beruht auf einer unterschiedlichen Verteilung einzelner Stoffe. Bei der Chromatographie werden die einzelnen Komponenten von einer mobilen Phase auf einer stationären Phase unterschiedlich weit transportiert.
Als mobile Phase verwendest häufig ein Lösungsmittel. Die stationäre Phase dient hier als eine Art Trägermaterial.
Anschaulich kannst du es dir folgendermaßen vorstellen: Das in einem Fluss vorhandene Treibgut ist dein Stoffgemisch. Das Flussbett ist deine stationäre und das Wasser deine mobile Phase. Verschiedene Arten von Treibgut wie Sandkörner oder Kieselsteine werden mehr oder weniger gut vom Wasser transportiert.
Chromatographische Trennverfahren sind beispielsweise die Gaschromatographie oder die Dünnschichtchromatographie .
Beispiele:
- Reinigung von chemischen Substanzen in der Produktion
- Untersuchung auf Inhaltsstoffe in der chemischen Analytik
Adsorption
Trennungsprinzip: Durch Anreicherung eines Stoffes auf einer Oberfläche trennst du ihn von einer Flüssigkeit oder einem Gas.
Unter dem Trennverfahren Adsorption verstehst du die Anlagerung von Stoffen auf der Oberfläche eines sogenannten Adsorptionsmittels. Verschiedene Adsorptionsmittel sind beispielsweise Aktivkohle oder Silikate.
Beispiele:
- Adsorption von Lösungsmitteldämpfen auf Aktivkohle zur Reinigung der Abluft in chemischen Betrieben
- Schutz verschiedener Textilien vor Luftfeuchtigkeit durch kleine Silicagelbeutel, welche Wasser adsorbieren
Magnetscheiden
Trennungsprinzip: Durch unterschiedliche magnetische Eigenschaften trennst du ein Stoffgemisch in magnetische und nicht magnetische Komponenten.
Hierbei kannst du Stoffgemische aus magnetischen und nicht magnetischen Stoffen aufgrund ihrer Magnetisierbarkeit trennen. Du kannst mit dem Trennverfahren sowohl Feststoffgemische als auch magnetische Stoffe von Flüssigkeiten trennen.
Beispiele:
- Trennung von Eisenpulver und Sand
- Auftrennung verschiedener Erze in Eisenerze und Gestein für die chemische Industrie
Mechanische und thermische Trennverfahren
Du kennst jetzt die häufigsten Trennverfahren sowie Beispiel aus dem Alltag. Grob unterteilst du die Trennverfahren in zwei Arten: Mechanische und thermische Trennverfahren. Die mechanischen nutzen verschiedene mechanische Eigenschaften zur Trennung. Beim Filtrieren ist es beispielsweise die Partikelgröße.
Bei den thermischen Trennverfahren veränderst du häufig die Umgebungsbedingungen wie die Temperatur. Dadurch ändert sich der Aggregatzustand einer Komponente. Bei der Destillation trennst du beispielsweise Flüssigkeiten durch ihre unterschiedlichen Siedepunkte.
Stoffgemische
Wie du siehst, musst du bei der Wahl eines geeigneten Trennverfahrens die Art des Stoffgemisches berücksichtigen. Heterogene Gemische sind meist leichter zu trennen. Bei homogenen Gemischen ist die Trennung häufig mit mehr Aufwand verbunden.
Wenn du mehr über Stoffgemische wissen willst, schaue dir auf jeden Fall unser Video dazu an!
