Chromatografie - Chemie
Chromatografie - Chemie
Chromatografie - Chemie
Einleitung
Die Chromatografie – auch Chromatographie geschrieben – ist ein wichtiges Trennverfahren der Chemie. Mit ihr kannst Du Stoffgemische in einzelne Bestandteile zerlegen, Stoffe vergleichen und unbekannte Stoffe untersuchen. Das Grundprinzip ist immer ähnlich: Eine mobile Phase bewegt sich an einer stationären Phase vorbei. Die Bestandteile eines Gemisches wechselwirken unterschiedlich stark mit beiden Phasen. Deshalb wandern sie verschieden schnell und werden getrennt.
Chromatografische Verfahren werden im Unterricht, in der Lebensmittelchemie, der Umweltanalytik, der Pharmazie, der Biochemie und der Kriminaltechnik eingesetzt. Ein einfaches Beispiel ist die Trennung der Farbstoffe eines schwarzen Filzstifts auf Papier.
Lernziele
Nach diesem aiMOOC kannst Du:
- Stoffgemische und Reinstoffe unterscheiden.
- das Grundprinzip aus mobiler und stationärer Phase erklären.
- Papier-, Dünnschicht-, Säulen- und Gaschromatografie vergleichen.
- ein einfaches Chromatogramm auswerten.
- den Retentionsfaktor berechnen und deuten.
- geeignete Sicherheitsregeln bei Experimenten anwenden.
Grundprinzip der Chromatografie
Bei jeder Chromatografie gibt es zwei Phasen:
- Mobile Phase: Sie bewegt sich. Bei einfachen Versuchen ist sie meist ein flüssiges Laufmittel. Bei der Gaschromatografie ist sie ein Gas.
- Stationäre Phase: Sie bleibt an ihrem Platz. Sie kann aus Papier, Kieselgel, Aluminiumoxid oder einer Beschichtung in einer Säule bestehen.
Ein Stoff, der sich gut in der mobilen Phase löst und nur schwach an der stationären Phase haftet, wird meist schneller transportiert. Ein Stoff mit stärkerer Wechselwirkung zur stationären Phase bleibt häufiger zurück. Die Trennung beruht daher nicht einfach auf der Masse der Teilchen, sondern vor allem auf Unterschieden bei Löslichkeit, Adsorption, Polarität und Verteilung.
Ein vereinfachtes Bild ist ein Fluss: Das Wasser entspricht der mobilen Phase, das Flussbett der stationären Phase. Verschiedene Gegenstände werden unterschiedlich gut mitgenommen. Der Vergleich hilft beim Einstieg, ist aber nicht vollständig, denn in der Chromatografie wechseln die Teilchen sehr häufig zwischen den beiden Phasen.
Begriffe im Überblick
- Probe: Das zu untersuchende Stoffgemisch.
- Laufmittel: Die flüssige mobile Phase.
- Analyt: Ein Stoff, der untersucht wird.
- Elution: Der Transport oder das Herauslösen eines Stoffes durch die mobile Phase.
- Chromatogramm: Das sichtbare oder gemessene Ergebnis einer chromatografischen Trennung.
- Detektor: Ein Geräteteil, das austretende Stoffe registriert.
Papierchromatografie
Die Papierchromatografie ist für den Chemieunterricht besonders geeignet. Das Papier bildet die stationäre Phase. Ein Lösungsmittel steigt durch Kapillarkraft im Papier nach oben und wirkt als mobile Phase. Die gelösten Farbstoffe wandern mit. Weil sie verschieden gut im Laufmittel löslich sind und verschieden stark am Papier festgehalten werden, entstehen getrennte Farbzonen.
Schulversuch mit Filzstiftfarben
Material: Filterpapier oder Chromatografiepapier, wasserlösliche Filzstifte, Becherglas, Wasser, Bleistift und Lineal.
Durchführung: Zeichne mit Bleistift eine Startlinie etwa zwei Zentimeter über dem unteren Papierrand. Setze kleine Farbpunkte auf die Linie. Stelle das Papier so in wenig Wasser, dass die Startlinie über dem Wasserspiegel liegt. Beobachte, wie das Wasser aufsteigt.
Auswertung: Mehrere Farbzonen zeigen, dass die ursprüngliche Farbe ein Stoffgemisch war. Ein einzelner Fleck beweist jedoch nicht sicher, dass ein Reinstoff vorliegt, weil verschiedene Stoffe unter den gewählten Bedingungen gleich weit wandern können.
Sicherheit: Verwende für einen einfachen Heimversuch nur Wasser und wasserlösliche Stifte. Andere Lösungsmittel gehören in den beaufsichtigten Chemieunterricht.
Dünnschichtchromatografie
Bei der Dünnschichtchromatografie befindet sich eine dünne Schicht aus Kieselgel oder Aluminiumoxid auf einer Platte. Diese Schicht ist die stationäre Phase. Das Laufmittel steigt in einer Entwicklungskammer nach oben. Die Probe wird vorher als kleiner Punkt auf eine Startlinie aufgetragen.
Nach dem Lauf sind getrennte Flecken sichtbar. Manche Stoffe sind farbig. Farblose Stoffe können zum Beispiel unter UV-Licht oder mit einem Nachweisreagenz sichtbar gemacht werden.
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Retentionsfaktor
Bei Papier- und Dünnschichtchromatografie kann der Retentionsfaktor oder Rf-Wert berechnet werden:
Dabei ist die Strecke vom Start bis zur Mitte des Stoffflecks. ist die Strecke vom Start bis zur Laufmittelfront.
Beispiel: Ein Stofffleck wandert , die Laufmittelfront .
Der Rf-Wert liegt unter gleichen Bedingungen zwischen 0 und 1. Er kann beim Vergleich mit bekannten Stoffen helfen. Er ist aber kein unveränderlicher Stoffwert, denn Laufmittel, Temperatur und stationäre Phase beeinflussen das Ergebnis.
Säulenchromatografie
Bei der Säulenchromatografie befindet sich die stationäre Phase in einer Säule. Die Probe wird oben aufgetragen. Das Laufmittel fließt durch die Säule und transportiert die Stoffe unterschiedlich schnell. Unten werden nacheinander einzelne Fraktionen aufgefangen.
Die Säulenchromatografie eignet sich nicht nur zur Analyse, sondern auch zur Reinigung und Gewinnung von Stoffen. In Forschung und Produktion werden dafür häufig automatisierte Anlagen eingesetzt.
Gaschromatografie
Bei der Gaschromatografie ist die mobile Phase ein Trägergas. Eine verdampfte Probe wird in eine lange Säule eingebracht. Die Bestandteile werden unterschiedlich stark von der stationären Phase zurückgehalten. Am Ende misst ein Detektor, wann und in welcher Stärke ein Stoff austritt.
Das Ergebnis ist ein Chromatogramm mit Peaks. Die Retentionszeit ist die Zeit zwischen Probenaufgabe und dem Erscheinen eines Peaks. Unter festgelegten Bedingungen kann sie Hinweise auf die Stoffart geben. Die Peakfläche kann zur Bestimmung der Stoffmenge genutzt werden, wenn das Gerät passend kalibriert wurde.
Hochleistungsflüssigkeitschromatografie
Die Hochleistungsflüssigkeitschromatografie, kurz HPLC, ist eine Form der Flüssigkeitschromatografie. Eine Pumpe drückt das Laufmittel unter hohem Druck durch eine dicht gepackte Säule. Dadurch können auch komplexe Gemische schnell und genau getrennt werden.
HPLC wird zum Beispiel zur Untersuchung von Arzneimitteln, Lebensmitteln, Umweltproben und Biomolekülen verwendet. Für den Schulunterricht genügt meist das Verständnis der Bauteile: Laufmittelvorrat, Pumpe, Probenaufgabe, Säule, Detektor und Datenauswertung.
Weitere Trennprinzipien
Chromatografische Verfahren können unterschiedliche Wechselwirkungen nutzen:
- Adsorptionschromatografie: Stoffe haften unterschiedlich stark an einer Oberfläche.
- Verteilungschromatografie: Stoffe verteilen sich unterschiedlich zwischen zwei Phasen.
- Ionenaustauschchromatografie: Geladene Teilchen wechselwirken mit geladenen Gruppen der stationären Phase.
- Größenausschlusschromatografie: Moleküle werden nach ihrer Größe getrennt.
- Affinitätschromatografie: Ein Stoff bindet besonders gezielt an einen passenden Bindungspartner.
Vergleich wichtiger Verfahren
| Verfahren | Mobile Phase | Stationäre Phase | Typische Anwendung |
|---|---|---|---|
| Papierchromatografie | Flüssigkeit | Papier | Schulversuche und Farbstoffe |
| Dünnschichtchromatografie | Flüssigkeit | Dünne Feststoffschicht | Schneller Stoffvergleich |
| Säulenchromatografie | Flüssigkeit | Füllmaterial in einer Säule | Stofftrennung und Reinigung |
| Gaschromatografie | Gas | Beschichtung in einer Säule | Flüchtige Stoffe |
| HPLC | Flüssigkeit unter hohem Druck | Fein gepackte Säule | Genaue Analyse komplexer Proben |
Fehlerquellen und Sicherheit
Typische Fehler entstehen, wenn der Probenfleck zu groß ist, die Startlinie im Laufmittel steht, die Entwicklungskammer offen bleibt oder die Laufmittelfront nicht rechtzeitig markiert wird. Auch verunreinigte Geräte können das Ergebnis verändern.
Im Chemieunterricht gelten die Anweisungen der Lehrkraft. Schutzbrille und geeignete Schutzausrüstung sind zu verwenden. Flüchtige oder entzündliche Lösungsmittel dürfen nur unter geeigneten Laborbedingungen eingesetzt werden. UV-Licht darf nicht direkt auf Haut oder Augen gerichtet werden.
Anwendungen
Chromatografie hilft bei vielen Fragen:
- Lebensmittelanalyse: Welche Farbstoffe oder Aromastoffe sind enthalten?
- Umweltchemie: Lassen sich Schadstoffe in Wasser, Boden oder Luft nachweisen?
- Pharmazie: Ist ein Wirkstoff rein und richtig dosiert?
- Forensische Chemie: Stimmen Tinten, Lösungsmittel oder andere Spuren überein?
- Biochemie: Wie können Proteine, Aminosäuren oder Pflanzenfarbstoffe getrennt werden?
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Welche Aussage beschreibt die mobile Phase? (Sie bewegt sich durch oder an der stationären Phase) (!Sie bleibt während der Trennung immer unbeweglich) (!Sie besteht bei jedem Verfahren aus Papier) (!Sie ist immer ein fester Stoff)
Warum werden Bestandteile eines Gemisches chromatografisch getrennt? (Sie wechselwirken unterschiedlich mit mobiler und stationärer Phase) (!Sie besitzen immer unterschiedliche Farben) (!Sie haben immer verschiedene Aggregatzustände) (!Sie werden ausschließlich nach ihrer Masse sortiert)
Was ist bei der Papierchromatografie meist die stationäre Phase? (Das Papier) (!Das Becherglas) (!Die Laufmittelfront) (!Der Farbstift)
Wo muss die Startlinie beim Papierchromatografieversuch liegen? (Oberhalb des Laufmittelspiegels) (!Unterhalb des Gefäßbodens) (!Genau auf der Laufmittelfront) (!Vollständig im Laufmittel)
Wie wird der Rf-Wert berechnet? (Stoffstrecke geteilt durch Laufmittelstrecke) (!Laufmittelstrecke plus Stoffstrecke) (!Stoffstrecke mal Laufmittelstrecke) (!Laufmittelstrecke geteilt durch Zeit)
Welche stationäre Phase ist für die Dünnschichtchromatografie typisch? (Eine dünne Schicht aus Kieselgel) (!Ein Trägergas) (!Ein Metallblock) (!Reines Wasser)
Was wird bei der Säulenchromatografie unten aufgefangen? (Nacheinander austretende Fraktionen) (!Nur die stationäre Phase) (!Ausschließlich gasförmige Stoffe) (!Das unveränderte Ausgangsgemisch)
Was ist bei der Gaschromatografie die mobile Phase? (Ein Trägergas) (!Chromatografiepapier) (!Kieselgelpulver) (!Eine UV-Lampe)
Was zeigt ein Peak in einem Chromatogramm? (Ein vom Detektor registriertes Signal) (!Die Höhe der Laufmittelfront auf Papier) (!Die Dicke der stationären Phase) (!Die Temperatur des Klassenraums)
Welche Aussage zum Rf-Wert ist richtig? (Er hängt von den Versuchsbedingungen ab) (!Er ist unter allen Bedingungen unveränderlich) (!Er kann größer als zehn sein) (!Er wird nur bei der Gaschromatografie verwendet)
Memory
| Mobile Phase | Bewegtes Laufmittel |
| Stationäre Phase | Unbewegtes Trägermaterial |
| Retentionsfaktor | Verhältnis zweier Laufstrecken |
| Chromatogramm | Ergebnis einer Trennung |
| Adsorption | Anlagerung an einer Oberfläche |
| Elution | Transport durch das Laufmittel |
| Retentionszeit | Zeit bis zum Detektorsignal |
| Detektor | Registriert austretende Stoffe |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Kennzeichen |
|---|---|
| Papierchromatografie | Papier als stationäre Phase |
| Dünnschichtchromatografie | Kieselgel auf einer Platte |
| Säulenchromatografie | Fraktionen werden nacheinander aufgefangen |
| Gaschromatografie | Trägergas als mobile Phase |
| Hochleistungsflüssigkeitschromatografie | Flüssigkeit wird unter hohem Druck gefördert |
...
Kreuzworträtsel
| Laufmittel | Wie nennt man die flüssige mobile Phase? |
| Adsorption | Wie heißt die Anlagerung von Teilchen an einer Oberfläche? |
| Kieselgel | Welcher Stoff wird häufig als stationäre Phase einer Dünnschichtplatte verwendet? |
| Detektor | Welches Bauteil registriert Stoffe am Ende einer Säule? |
| Chromatogramm | Wie heißt das Ergebnis einer chromatografischen Messung? |
| Kapillarkraft | Welche Kraft lässt ein Laufmittel im Papier aufsteigen? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Begriffsnetz Chromatografie: Gestalte ein Begriffsnetz mit mobiler Phase, stationärer Phase, Probe, Laufmittel und Chromatogramm.
- Filzstiftvergleich: Untersuche unter Aufsicht zwei schwarze wasserlösliche Filzstifte mit Papierchromatografie und vergleiche die Farbmuster.
- Bildanalyse Chromatografie: Wähle eine Abbildung aus dem aiMOOC und beschreibe Aufbau, Stoffbewegung und sichtbares Ergebnis.
- Sicherheitsplakat: Entwirf ein Plakat mit Regeln für einen sicheren Chromatografieversuch im Chemieunterricht.
Standard
- Versuchsprotokoll Papierchromatografie: Plane einen Versuch, dokumentiere Material, Durchführung, Beobachtung und Deutung und kennzeichne Fehlerquellen.
- Rf-Wert-Auswertung: Zeichne ein fiktives Chromatogramm mit drei Flecken, lege Laufstrecken fest und berechne die Rf-Werte.
- Methodenvergleich Chromatografie: Erstelle eine Vergleichstabelle zu Papier-, Dünnschicht-, Säulen- und Gaschromatografie.
- Alltagsprobe untersuchen: Entwickle eine Fragestellung zu Tinte, Lebensmittelfarbe oder Pflanzenfarbstoffen und begründe eine geeignete Methode.
Schwer
- Unbekannte Probe identifizieren: Entwickle ein Auswertungskonzept, mit dem eine unbekannte Probe anhand von Vergleichsproben und Rf-Werten untersucht wird.
- Chromatogramm deuten: Erfinde ein Chromatogramm mit überlappenden und getrennten Peaks und erkläre, welche Aussagen sicher oder unsicher sind.
- Interview Analytisches Labor: Bereite Fragen für ein Interview mit einer Person aus einem Labor vor und werte die Antworten zu Verfahren, Qualität und Sicherheit aus.
- Erklärvideo Chromatografie: Produziere ein kurzes Erklärvideo, das das Phasenmodell, ein Verfahren und eine typische Anwendung fachlich korrekt verbindet.
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Lernkontrolle
- Methodenwahl: Eine Probe enthält flüchtige, farblose Stoffe. Begründe, warum Gaschromatografie geeigneter sein kann als Papierchromatografie.
- Fehleranalyse: Bei einem Papierversuch liegt die Startlinie im Wasser. Erkläre die Folgen für das Ergebnis und formuliere eine Verbesserung.
- Transfer Rf-Wert: Zwei Stoffe besitzen in einem Laufmittel denselben Rf-Wert. Erkläre, warum daraus noch keine sichere Identität folgt, und plane eine weitere Prüfung.
- Chromatogramm und Stoffmenge: Erläutere den Unterschied zwischen der Information aus der Lage eines Peaks und der Information aus seiner Fläche.
- Teilchenmodell: Beschreibe die Trennung eines Zweistoffgemisches auf Teilchenebene mit wechselnden Aufenthalten in mobiler und stationärer Phase.
- Qualitätskontrolle: Entwickle ein einfaches Konzept, wie Chromatografie zur Prüfung eines Arzneimittels oder Lebensmittels eingesetzt werden könnte.
Lernnachweis
Für einen Lernnachweis zu diesem Thema solltest Du:
- das Grundprinzip mit mobiler und stationärer Phase fachsprachlich erklären.
- mindestens drei chromatografische Verfahren vergleichen.
- ein Experiment sicher planen und vollständig protokollieren.
- Beobachtungen von Deutungen unterscheiden.
- einen Rf-Wert korrekt berechnen und seine Grenzen erläutern.
- ein einfaches Chromatogramm auswerten.
- eine Methode passend zu einer Untersuchungsfrage auswählen und begründen.
- mögliche Fehlerquellen erkennen und Verbesserungen vorschlagen.
OERs zum Thema
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