Destillation - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Chemie, Klasse 7-8, G-Niveau

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.

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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:

1. Erhitzen: Das Stoffgemisch nimmt Wärme auf.
2. Verdampfen: Die leichter flüchtige Komponente gelangt bevorzugt in die Gasphase.
3. Kühlen: Der Dampf strömt durch den Kühler und gibt Wärme ab.
4. 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:

$\Delta T=|T_{\mathrm{S},1}-T_{\mathrm{S},2}|$

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.

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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.

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.

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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.

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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

1. Trage Schutzbrille und arbeite nur nach Anweisung der Lehrkraft.
2. Prüfe Glasgeräte auf Schäden und sichere die Apparatur mit Stativen und Klemmen.
3. Verschließe eine Destillationsapparatur niemals vollständig, weil sich gefährlicher Überdruck bilden kann.
4. Sorge für festen Sitz der Kühlwasserschläuche und leite das Kühlwasser von unten nach oben.
5. Verwende bei entzündlichen Stoffen keine offene Flamme.
6. Fülle den Siedekolben nicht zu voll und gib Siedesteinchen vor dem Erhitzen hinzu.
7. Berühre heißes Glas nicht mit bloßen Händen, da heißes und kaltes Glas ähnlich aussehen können.
8. 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?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die Destillation ist ein thermisches .

Beim Erhitzen geht die leichter flüchtige Komponente bevorzugt in die über.

Im Kühler wird der Dampf wieder .

Die aufgefangene Flüssigkeit heißt .

Der im Siedekolben verbleibende Stoff wird als bezeichnet.

Das Kühlwasser tritt beim Liebigkühler normalerweise ein.

Eine Fraktionierkolonne ermöglicht viele aufeinanderfolgende Verdampfungs- und .

Bei vermindertem Druck sinkt die .

Ätherische Öle können teilweise durch gewonnen werden.

Eine Destillationsapparatur darf niemals vollständig sein.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Destillationsapparatur beschriften: Zeichne eine einfache Apparatur und beschrifte Siedekolben, Thermometer, Kühler und Vorlage.
2. Teilchenmodell: Erstelle vier kleine Bilder, die Erhitzen, Verdampfen, Kühlen und Kondensieren im Teilchenmodell zeigen.
3. Sicherheitsplakat: Gestalte ein Plakat mit fünf begründeten Regeln für eine sichere Destillation im Unterricht.
4. Begriffe erklären: Formuliere kurze Erklärungen für Destillat, Rückstand, Siedepunkt und Kondensation.

Standard

1. Versuchsplanung Salzwasser: Plane mit Deiner Lerngruppe eine Destillation von Salzwasser und formuliere Beobachtungen, Messgrößen und Auswertung.
2. Trennverfahren vergleichen: Vergleiche Destillation, Filtration und Eindampfen anhand geeigneter Stoffgemische.
3. Kühlwasser untersuchen: Erkläre mithilfe einer Skizze, warum das Kühlwasser unten in den Liebigkühler eintritt.
4. Medienanalyse Destillation: Prüfe ein Lernvideo auf fachliche Richtigkeit, Verständlichkeit und Beachtung der Sicherheit.

Schwer

1. Fraktionierkolonne modellieren: Entwickle ein Modell, das wiederholtes Verdampfen und Kondensieren in einer Kolonne veranschaulicht.
2. Energiebedarf abschätzen: Untersuche, an welchen Stellen einer Destillation Energie zugeführt oder abgeführt wird, und schlage Energiesparmaßnahmen vor.
3. Raffinerie bewerten: Erkläre den Aufbau einer Erdöldestillationskolonne und diskutiere Nutzen sowie ökologische Probleme der gewonnenen Produkte.
4. Erklärvideo produzieren: Erstelle ein eigenes kurzes Lernvideo, das einfache, fraktionierte und Vakuumdestillation unterscheidet.

Lernkontrolle

1. Unbekanntes Gemisch auswählen: Entscheide für drei vorgegebene Stoffgemische, ob Destillation geeignet ist, und begründe jede Entscheidung.
2. Fehleranalyse Apparatur: Analysiere eine fehlerhafte Skizze mit falsch angeschlossenem Kühlwasser, fehlender Öffnung und falsch positioniertem Thermometer.
3. Messkurve deuten: Werte eine Temperatur-Zeit-Kurve aus und erkläre, welche Hinweise sie auf den Übergang verschiedener Fraktionen gibt.
4. Verfahrensvergleich: Begründe, wann einfache, fraktionierte, Vakuum- oder Wasserdampfdestillation sinnvoll ist.
5. Reinheit beurteilen: Entwickle geeignete Untersuchungen, mit denen Du Ausgangsgemisch, Destillat und Rückstand vergleichst.
6. Alltagstransfer: Erkläre, warum ein Deckel auf einem Kochtopf zwar Kondensation zeigt, aber noch keine vollständige Destillationsanlage bildet.

Lernnachweis

Für einen überzeugenden Lernnachweis solltest Du:

1. das Trennprinzip mit Verdampfen und Kondensieren fachsprachlich erklären,
2. die Bauteile einer Apparatur korrekt benennen und ihre Funktionen zuordnen,
3. Beobachtungen aus einem Versuch deuten,
4. eine geeignete Destillationsform für ein Problem auswählen und begründen,
5. Grenzen des Verfahrens sowie Sicherheitsmaßnahmen erläutern,
6. Ergebnisse in einer Skizze, einem Versuchsprotokoll oder einer Präsentation nachvollziehbar darstellen.

Verknüpfte Lernbereiche

Destillation - Chemie Stoffgemisch Trennverfahren Siedepunkt Verdampfen Kondensation Aggregatzustand Fraktionierte Destillation Liebigkühler Erdöl Sicherheit im Chemieunterricht