Anorganische Chemie

Dünnschichtchromatographie

Du musst in deinem nächsten Praktikumsversuch eine Dünnschichtchromatographie durchführen, weißt aber noch gar nicht so richtig, was das ist? Kein Problem, hier erklären wir dir den Aufbau und Ablauf, erklären dir die mobile und stationäre Phase genauer und zeigen dir den Rf-Wert.

Willst du das Ganze kompakt zusammengefasst mit Bild und Ton hinterlegt? Dann schau dir doch einfach unser Video an!

Inhaltsübersicht

Dünnschichtchromatographie einfach erklärt

Die Dünnschichtchromatographie (DC) erlaubt es dir schnell und mit geringem Kostenaufwand, eine vorliegende Probe in ihre Bestandteile zu trennen und diese zu bestimmen.

Merke
Das Trennprinzip beruht darauf, dass verschiedene Chemikalien sich unterschiedlich gerne in der mobilen Phase lösen oder adsorbiert an einer festen Phase bleiben.

Dünnschichtchromatographie Aufbau und Ablauf

Zuerst löst man die Substanz, die man auftrennen möchte, in einem geeigneten Lösungsmittel auf und trägt sie dann auf einer Folie auf der Startlinie punktförmig auf (Bild 1). Auf dieser Folie befindet sich eine dünne Schicht aus der stationären Phase (Sorbensschicht). Anschließend stellt man die Platte aufrecht in ein Becken, die mit der flüssigen, mobilen Phase (Laufmittel) gefüllt ist (Bild 2). Die Trennung sollte man in einem geschlossenen Kasten durchführen, in dem die Luft schon mit der mobilen Phase abgesättigt ist. Dadurch kann man eine Verfälschung des Ergebnisses durch Verdunstung verhindern. Nun sollte die mobile Phase die Folie benetzen und über die Kapillarkräfte nach oben wandern. Überschreitet sie die Startlinie, lösen sich die einzelnen Bestandteile der Substanz unterschiedlich gut und werden mit der mobilen Phase nach oben gezogen und legen so unterschiedlich weite Distanzen zurück.  Dies erzeugt dann die erwünschte Trennwirkung (Bild 3 & 4).

Dünnschichtchromatographie, Ablauf, Stationäre Phase, mobile Phase
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Dünnschichtchromatigraphie Ablauf
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Dünnschichtchromatographie Prinzip

Dünnschichtchromatographie theoretische Grundlagen

Das Trennprinzip der Dünnschichtchromatographie beruht darauf, dass für jeden Bestandteil der Probe ein dynamisches Gleichgewicht zwischen flüssiger, im Laufmittel gelöster Phase, und adsorbierter Phase existiert. Dabei ist es für jeden Stoff unterschiedlich, wie weit das Gleichgewicht auf der einen oder anderen Seite liegt.

Jedoch können die Teilchen der Probe nur dann relevante Strecken zurück legen, wenn sie in der gelösten Phase sind. Somit ergibt sich die Wegstrecke, die zurückgelegt wird, folgendermaßen:

Wegstrecke = Zeit in der Flüssigphase \cdot Geschwindigkeit der mobilen Phase

Idealisierend wird hier angenommen, dass die Geschwindigkeit der gelösten Teilchen derjenigen der mobilen Phase entspricht und in der adsorbierten Phase null ist. Effekte durch Diffusion werden also vernachlässigt.

Dünnschichtchromatographie stationäre Phase

Die stationäre Phase sollte idealerweise so gewählt sein, dass ein möglichst großer Unterschied im Adsorptionsverhalten der einzelnen Bestandteile der Probe besteht. Folglich die eine Komponente stark und die andere Komponente schwach adsorbiert wird. Dadurch ergibt sich eine deutlichere Auftrennung.

In der häufig verwendeten Normalphasen-Chromatographie wird Kieselgel als stationäre Phase verwendet. Dieses weist an der Oberfläche polare Hydroxygruppen auf, die mit den Probenbestandteilen wechselwirken.

Dünnschichtchromatographie, stationäre Phase
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Stationäre Phase

Ebenfalls polare Bestandteile der Probe bilden Van-der-Waals Wechselwirkungen aus und adsorbieren eher als solche Bestandteile, die das nicht tun. Auch wird hier darauf geachtet, dass die Porengröße an der Oberfläche nicht zu stark variiert, da dies die Adsorptions-Raten ebenfalls variieren lässt und somit das Ergebnis beeinflusst.

Weitere gängige stationäre Phasen können auch Aluminiumoxid (Al_2O_3), Magnesiumsilikat (MgO \cdot xSiO_2), Polyamid und Cellulose.

Dünnschichtchromatographie Laufmittel

Bei der Wahl der mobilen Phase (Laufmittel) muss man auf mehrere Dinge achten. Erstens sollte es auch wieder die einzelnen Bestandteile der Probe unterschiedlich gut lösen. Des Weiteren muss die Wechselwirkung zwischen der Oberfläche der mobilen Phase und der stationären Phase groß genug sein, damit die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen den beiden energetisch günstiger ist, als eine Grenzfläche zwischen der umgebenden Luft und der stationären Phase. Nur so kann über Kapillarkräfte die mobile Phase nach oben wandern und eine Trennwirkung stattfinden.

Dünnschichtchromatographie. Laufmittel
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Dünnschichtchromatographie Laufmittel

Man wählt für die mobile Phase oftmals Gemische aus polarer und unpolaren Chemikalien, wie Essigsäureethylester (polar;C_4H_8O_2) und Petrolether (unpolar, Gemisch aus Hexan C_6H_14 und Pentan C_5H_12). Durch ein passendes Mischungsverhältnis kann man sich besser auf die zu trennenden Substanzen einstellen.

Trennstrecken und Geschwindigkeit der mobilen Phase

Die Trennstrecke sollte in der Dünnschichtchromatographie möglichst kurz sein, denn über weitere Trennstrecken beeinflusst Diffusion das Ergebnis der Chromatographie immer mehr. Da auch links und rechts vom auf der Startlinie aufgetragenen Punkt Konzentrationsgradienten herrschen, wird Diffusion auch in diese Richtungen stattfinden. Für eine genauere Erklärung, was Diffusion ist, klicke doch einfach hier . Durch die Diffusion ergibt sich über längere Trennstrecken dann kein kleiner,definierter Punkt, sondern eher eine große runde Fläche.

% Bild von dunklem Fleck auf Papier; eigentliche Bewegungsrichtung der mobilen Phase mit dickem Pfeil anzeigen; links und rechts kleinere Pfeile malen, die man mit Δc beschriftet

Auch sollte die Geschwindigkeit der mobilen Phase nicht zu hoch sein oder niedrig gewählt sein. Im Falle einer zu geringen Geschwindigkeit setzt das Problem der schon erwähnten Diffusion ein, wie bei zu langen Trennstrecken. Bei zu hoher Geschwindigkeit finden nicht genug Wechsel zwischen flüssiger und adsorbierter Phase für jedes Teilchen statt, um statistische Ausreißer auszuschließen. Denn die Verweildauer in einer der beiden Phasen für die Teilchen variiert und somit würden sich bei zu großen Geschwindigkeiten der mobilen Phase zu hohe Standardabweichungen für das Ergebnis ergeben.

Dünnschichtchromatographie Auswertung

Idealerweise kann man am Ende der Durchführung der Dünnschichtchromatographie die einzelnen Bestandteile der Probe als getrennte Punkte erkennen. Falls sie unter UV-Licht nicht erscheinen, kann man die Probe auch mit Chromophoren derivatisieren, durch die sie eine mit dem Auge sichtbare Farbe erhält.

Dünnschichtchromatographie, Auswertung
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Dünnschichtchromatographie Auswertung

Dünnschichtchromatographie Rf-Wert

Im nächsten Schritt möchte man nun die einzelnen Bestandteile der Probe identifizieren. Dafür misst man auf dem Chromatogramm jeweils wie weit sich die einzelnen Bestandteile der Probe von der Startlinie weg bewegt haben. Diese Längen setzt man dann jeweils ins Verhältnis zu der Wegstrecke, die das Laufmittel von der Startlinie aus zurückgelegt hat. Dadurch ergibt sich der jeweilige R_f-Faktor :

R_f= \frac {W}{S}

W= Laufstrecke Substanz; S= Laufstrecke Laufmittel

Durch diesen R_f-Wert, auch Retentionsfaktor genannt, stellt man Vergleichbarkeit zwischen den Ergebnissen verschiedener Dünnschichtchromatogrammen her, da dieser Wert bei gleicher Wahl der Zusammensetzung der mobilen Phase und der stationären Phase eine für jeden Stoff spezifische Konstante ist. Über diesen R_f-Wert kann man die einzelnen Bestandteile durch Vergleiche mit einer Referenz auch identifizieren.

Dünnschichtchromatographie Rst-Faktor

Oftmals wird für eine exaktere Bestimmung auch der R_st-Wert statt dem R_st-Wert herangezogen. Dieser setzt die Laufstrecke der Substanzen der Proben ins Verhältnis  zur Laufstrecke, die das reine Laufmittel ohne Probe gehabt hätte. Diesen Standard muss man parallel auf einer anderen Folie ermitteln. Dadurch hat man einen weiteren Wert, den man zur Identifikation heranziehen kann.

Unterschied zwischen Dünnschichtchromatographie und Säulenchromatographie

Die Säulenchromatographie beruht auf den gleichen Trennprinzipien wie die Dünnschichtchromatographie, nur ist hier der Aufbau, wie der Name schon sagt, in einer Säule verpackt. Diese ist gefüllt mit einem Packungsmaterial, das hier dieselbe Funktion erfüllt wie die Sorbensschicht bei der Dünnschichtchromatographie. Hierbei wird aber die Bewegung der mobilen Phase nach oben nicht durch Kapillarkräfte erzeugt, sondern mit Druckluft durch die stationäre Phase gepresst. Dadurch lässt sich die Fließgeschwindigkeit frei einstellen, was eine bessere Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ermöglicht. Außerdem misst man in der Säulenchromatographie nicht die zurückgelegte Wegstrecke, sondern die Zeit, die die einzelnen Bestandteile brauchen, um das gesamte Packungsmaterial zu durchqueren.

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