Destillation - Chemie
Destillation - Chemie
Destillation - Chemie
Einleitung
Die Destillation ist ein thermisches Trennverfahren, mit dem Du Bestandteile eines Stoffgemisches anhand ihrer unterschiedlichen Flüchtigkeit trennst. Dabei wird ein Stoff zuerst verdampft und danach wieder kondensiert. Die aufgefangene Flüssigkeit heißt Destillat. Stoffe, die nicht oder nur schwer verdampfen, bleiben als Destillationsrückstand zurück.
Ein einfaches Beispiel ist Salzwasser: Beim Erhitzen verdampft vor allem Wasser. Der Wasserdampf wird im Kühler abgekühlt und wieder flüssig. Das Salz bleibt im Siedekolben. Destillation wird im Labor, bei der Trinkwasseraufbereitung, zur Gewinnung ätherischer Öle und in Raffinerien eingesetzt.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du das Prinzip der Destillation erklären, eine einfache Apparatur beschriften, Destillat und Rückstand unterscheiden, einfache und fraktionierte Destillation vergleichen und wichtige Sicherheitsregeln begründen.
Grundprinzip
Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck den äußeren Druck erreicht. In einem Gemisch geht die leichter flüchtige Komponente stärker in die Gasphase über. Der Dampf wird anschließend durch einen Kühler geleitet und gibt Wärme an das Kühlwasser ab. Dabei kondensiert er.
Der Ablauf lässt sich in vier Schritte gliedern:
- Erhitzen: Das Stoffgemisch nimmt Wärme auf.
- Verdampfen: Die leichter flüchtige Komponente gelangt bevorzugt in die Gasphase.
- Kühlen: Der Dampf strömt durch den Kühler und gibt Wärme ab.
- Auffangen: Das Kondensat wird als Destillat gesammelt.
Als grobe Faustregel gilt: Je größer der Abstand der Siedetemperaturen zweier Flüssigkeiten ist, desto leichter lassen sie sich durch eine einfache Destillation trennen. Der Abstand kann beschrieben werden durch:
Die Siedetemperatur allein erklärt jedoch nicht jede Trennung vollständig. Auch die Zusammensetzung des Dampfes und besondere Gemische wie Azeotrope spielen eine Rolle.
Die Destillationsapparatur
| Bauteil | Aufgabe |
|---|---|
| Siedekolben | Enthält das zu trennende Gemisch und wird erwärmt. |
| Heizquelle | Liefert die benötigte Wärme. |
| Thermometer | Misst die Temperatur des Dampfes am Übergang zum Kühler. |
| Destillationsbrücke | Leitet den Dampf zum Kühler. |
| Liebigkühler | Kühlt den Dampf, sodass er kondensiert. |
| Vorlage | Fängt das flüssige Destillat auf. |
Beim Liebigkühler tritt das Kühlwasser normalerweise unten ein und oben aus. Dadurch bleibt der Kühlmantel möglichst vollständig mit Wasser gefüllt.
Siedesteinchen und Siedeverzug
Siedesteinchen erleichtern die Bildung kleiner Dampfblasen. Sie vermindern das Risiko eines plötzlichen, heftigen Aufkochens. Siedesteinchen werden vor dem Erhitzen in die kalte Flüssigkeit gegeben, niemals nachträglich in eine bereits heiße oder siedende Flüssigkeit.
Schulversuch: Destillation von Salzwasser
Dieser Versuch wird nur mit geeigneter Schutzausrüstung und unter Anleitung einer Lehrkraft durchgeführt.
| Phase | Beobachtung | Deutung |
|---|---|---|
| Erwärmen | Im Siedekolben entstehen Dampfblasen. | Wasser geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. |
| Kühlen | Im Kühler bilden sich Tropfen. | Wasserdampf kondensiert. |
| Auffangen | In der Vorlage sammelt sich eine klare Flüssigkeit. | Das Destillat besteht überwiegend aus Wasser. |
| Rückstand | Im Siedekolben bleibt die Salzlösung zurück und wird konzentrierter. | Gelöstes Salz ist unter diesen Bedingungen nicht flüchtig. |
Eine mögliche Nachweisidee besteht darin, die elektrische Leitfähigkeit von Ausgangslösung und Destillat zu vergleichen. Salzwasser leitet deutlich besser als nahezu salzfreies Wasser. Der Versuch zeigt jedoch nicht automatisch, dass das Destillat chemisch vollkommen rein ist.
Formen der Destillation
Einfache Destillation
Die einfache Destillation eignet sich besonders, wenn ein flüchtiges Lösungsmittel von einem nicht flüchtigen Stoff getrennt werden soll oder wenn die Siedebereiche zweier Flüssigkeiten deutlich auseinanderliegen. Ein Beispiel ist die Abtrennung von Wasser aus einer Salzlösung.
Fraktionierte Destillation
Liegen die Siedebereiche näher beieinander, wird eine fraktionierte Destillation verwendet. Zwischen Siedekolben und Kühler befindet sich eine Fraktionierkolonne. In ihr laufen viele kleine Verdampfungs- und Kondensationsschritte ab. Dadurch reichert sich die leichter flüchtige Komponente im aufsteigenden Dampf an.
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Vakuumdestillation
Bei geringerem Außendruck sinkt die Siedetemperatur. Die Vakuumdestillation wird deshalb für Stoffe genutzt, die bei hohen Temperaturen geschädigt oder zersetzt werden könnten. Die Apparatur muss dafür druckfest, dicht und fachgerecht aufgebaut sein.
Wasserdampfdestillation
Die Wasserdampfdestillation eignet sich zur Gewinnung bestimmter schwer wasserlöslicher, flüchtiger Naturstoffe. Wasserdampf trägt beispielsweise Bestandteile ätherischer Öle mit. Nach der Kondensation können sich eine Wasserphase und eine Ölphase bilden.
Destillation in der Industrie
In einer Erdölraffinerie wird Rohöl in Fraktionen mit unterschiedlichen Siedebereichen getrennt. Der untere Bereich der Kolonne ist heißer als der obere. Leichter siedende Bestandteile steigen weiter nach oben, schwerer siedende kondensieren weiter unten. Die gewonnenen Fraktionen sind keine einzelnen Reinstoffe, sondern Gemische mit ähnlichen Siedebereichen.
Grenzen des Verfahrens
Destillation ist wirksam, aber nicht unbegrenzt. Flüssigkeiten mit sehr ähnlicher Flüchtigkeit sind schwer zu trennen. Manche Gemische bilden ein Azeotrop, dessen Zusammensetzung sich bei gewöhnlicher Destillation nicht beliebig weiter verändern lässt. Außerdem benötigt das Verdampfen viel Energie. Bei hitzeempfindlichen Stoffen können Vakuum- oder Wasserdampfdestillation geeigneter sein.
Sicherheit
- Trage Schutzbrille und arbeite nur nach Anweisung der Lehrkraft.
- Prüfe Glasgeräte auf Schäden und sichere die Apparatur mit Stativen und Klemmen.
- Verschließe eine Destillationsapparatur niemals vollständig, weil sich gefährlicher Überdruck bilden kann.
- Sorge für festen Sitz der Kühlwasserschläuche und leite das Kühlwasser von unten nach oben.
- Verwende bei entzündlichen Stoffen keine offene Flamme.
- Fülle den Siedekolben nicht zu voll und gib Siedesteinchen vor dem Erhitzen hinzu.
- Berühre heißes Glas nicht mit bloßen Händen, da heißes und kaltes Glas ähnlich aussehen können.
- Destilliere keine unbekannten Stoffgemische und führe keine privaten Alkohol-Destillationen durch.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was ist das Grundprinzip der Destillation? (Verdampfen und anschließendes Kondensieren) (!Filtrieren und anschließendes Trocknen) (!Magnetisches Trennen und anschließendes Lösen) (!Sieben und anschließendes Zentrifugieren)
Wie heißt die aufgefangene kondensierte Flüssigkeit? (Destillat) (!Rückstand) (!Filtrat) (!Sediment)
Welche Aufgabe hat der Liebigkühler? (Er kühlt den Dampf und verflüssigt ihn) (!Er erhitzt den Siedekolben) (!Er misst die Masse des Gemisches) (!Er filtert feste Teilchen heraus)
Wie wird das Kühlwasser am Liebigkühler geführt? (Es tritt unten ein und oben aus) (!Es tritt oben ein und unten aus) (!Es bleibt unbewegt im Kühler) (!Es fließt durch den Siedekolben)
Was bleibt bei der Destillation von Salzwasser überwiegend im Siedekolben? (Das Salz) (!Der Wasserdampf) (!Das Destillat) (!Das Kühlwasser)
Warum besitzt eine fraktionierte Destillation eine Kolonne? (Sie ermöglicht viele Verdampfungs- und Kondensationsschritte) (!Sie ersetzt jede Heizquelle) (!Sie entfernt feste Stoffe durch ein Sieb) (!Sie verhindert grundsätzlich jede Wärmeübertragung)
Was bewirkt ein verringerter Druck bei der Vakuumdestillation? (Die Siedetemperatur sinkt) (!Die Siedetemperatur steigt immer stark) (!Die Kondensation wird unmöglich) (!Der Stoff wird automatisch fest)
Welche Funktion hat das Thermometer in der Destillationsbrücke? (Es misst die Temperatur des übergehenden Dampfes) (!Es misst die elektrische Leitfähigkeit) (!Es bestimmt die Masse des Rückstands) (!Es kühlt das Destillat)
Was sind Erdölfraktionen? (Gemische mit ähnlichen Siedebereichen) (!Immer einzelne reine Elemente) (!Ausschließlich feste Salze) (!Nur Wasser und Wasserdampf)
Welche Sicherheitsregel ist richtig? (Die Apparatur darf nicht vollständig geschlossen sein) (!Siedesteinchen werden in die siedende Flüssigkeit geworfen) (!Heißes Glas wird mit bloßen Händen geprüft) (!Entzündliche Stoffe werden mit offener Flamme erhitzt)
Memory
| Destillat | Aufgefangene kondensierte Flüssigkeit |
| Destillationsrückstand | Im Siedekolben verbleibender Stoff |
| Liebigkühler | Gerät zur Abkühlung des Dampfes |
| Siedesteinchen | Hilfsmittel gegen Siedeverzug |
| Fraktionierkolonne | Ort vieler Verdampfungs- und Kondensationsschritte |
| Vakuumdestillation | Trennung bei vermindertem Druck |
| Wasserdampfdestillation | Verfahren zur Gewinnung bestimmter ätherischer Öle |
| Thermometer | Messgerät für die Dampftemperatur |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Aufgabe |
|---|---|
| Siedekolben | Enthält das Ausgangsgemisch |
| Heizquelle | Liefert Wärme zum Verdampfen |
| Destillationsbrücke | Leitet den Dampf weiter |
| Liebigkühler | Kondensiert den Dampf |
| Vorlage | Sammelt das Destillat |
| Fraktionierkolonne | Verbessert die Trennung ähnlicher Flüssigkeiten |
Kreuzworträtsel
| Destillat | Wie heißt die aufgefangene Flüssigkeit nach dem Kondensieren? |
| Kondensation | Wie heißt der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand? |
| Liebigkuehler | Welches Laborgerät kühlt den Dampf mit einem Wassermantel? |
| Kolonne | Welches Bauteil verbessert die fraktionierte Trennung? |
| Vakuum | Welcher Zustand senkt den äußeren Druck bei einer besonderen Destillationsform? |
| Siedesteinchen | Welches Hilfsmittel vermindert Siedeverzug? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Destillationsapparatur beschriften: Zeichne eine einfache Apparatur und beschrifte Siedekolben, Thermometer, Kühler und Vorlage.
- Teilchenmodell: Erstelle vier kleine Bilder, die Erhitzen, Verdampfen, Kühlen und Kondensieren im Teilchenmodell zeigen.
- Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat mit fünf begründeten Regeln für eine sichere Destillation im Unterricht.
- Begriffe erklären: Formuliere kurze Erklärungen für Destillat, Rückstand, Siedepunkt und Kondensation.
Standard
- Versuchsplanung Salzwasser: Plane mit Deiner Lerngruppe eine Destillation von Salzwasser und formuliere Beobachtungen, Messgrößen und Auswertung.
- Trennverfahren vergleichen: Vergleiche Destillation, Filtration und Eindampfen anhand geeigneter Stoffgemische.
- Kühlwasser untersuchen: Erkläre mithilfe einer Skizze, warum das Kühlwasser unten in den Liebigkühler eintritt.
- Medienanalyse Destillation: Prüfe ein Lernvideo auf fachliche Richtigkeit, Verständlichkeit und Beachtung der Sicherheit.
Schwer
- Fraktionierkolonne modellieren: Entwickle ein Modell, das wiederholtes Verdampfen und Kondensieren in einer Kolonne veranschaulicht.
- Energiebedarf abschätzen: Untersuche, an welchen Stellen einer Destillation Energie zugeführt oder abgeführt wird, und schlage Energiesparmaßnahmen vor.
- Raffinerie bewerten: Erkläre den Aufbau einer Erdöldestillationskolonne und diskutiere Nutzen sowie ökologische Probleme der gewonnenen Produkte.
- Erklärvideo produzieren: Erstelle ein eigenes kurzes Lernvideo, das einfache, fraktionierte und Vakuumdestillation unterscheidet.
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|
Lernkontrolle
- Unbekanntes Gemisch auswählen: Entscheide für drei vorgegebene Stoffgemische, ob Destillation geeignet ist, und begründe jede Entscheidung.
- Fehleranalyse Apparatur: Analysiere eine fehlerhafte Skizze mit falsch angeschlossenem Kühlwasser, fehlender Öffnung und falsch positioniertem Thermometer.
- Messkurve deuten: Werte eine Temperatur-Zeit-Kurve aus und erkläre, welche Hinweise sie auf den Übergang verschiedener Fraktionen gibt.
- Verfahrensvergleich: Begründe, wann einfache, fraktionierte, Vakuum- oder Wasserdampfdestillation sinnvoll ist.
- Reinheit beurteilen: Entwickle geeignete Untersuchungen, mit denen Du Ausgangsgemisch, Destillat und Rückstand vergleichst.
- Alltagstransfer: Erkläre, warum ein Deckel auf einem Kochtopf zwar Kondensation zeigt, aber noch keine vollständige Destillationsanlage bildet.
Lernnachweis
Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du:
- das Trennprinzip mit Verdampfen und Kondensieren fachsprachlich erklären,
- die Bauteile einer Apparatur korrekt benennen und ihre Funktionen zuordnen,
- Beobachtungen aus einem Versuch deuten,
- eine geeignete Destillationsform für ein Problem auswählen und begründen,
- Grenzen des Verfahrens sowie Sicherheitsmaßnahmen erläutern,
- Ergebnisse in einer Skizze, einem Versuchsprotokoll oder einer Präsentation nachvollziehbar darstellen.
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