Trennverfahren im Alltag - Chemie

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

Trennverfahren im Alltag - Chemie

Einleitung

Viele Stoffe im Alltag sind keine Reinstoffe, sondern Stoffgemische. Kaffee enthält Wasser, gelöste Aromastoffe und feste Kaffeeteilchen. Meerwasser enthält Wasser und gelöste Salze. Müll besteht aus vielen unterschiedlichen Materialien. Damit gewünschte Stoffe gewonnen oder unerwünschte Bestandteile entfernt werden können, nutzt man Trennverfahren.

Ein Trennverfahren verändert die Stoffe meist nicht chemisch. Es nutzt unterschiedliche Stoffeigenschaften, zum Beispiel Teilchengröße, Dichte, Löslichkeit, Siedetemperatur oder Magnetisierbarkeit.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

1. Stoffgemische und Reinstoffe unterscheiden.
2. wichtige Trennverfahren mit ihren genutzten Stoffeigenschaften erklären.
3. passende Trennverfahren für Alltagssituationen auswählen.
4. einfache Trennketten planen und begründen.
5. Versuche sicher durchführen und auswerten.

Grundidee der Stofftrennung

Ein Gemisch lässt sich nur trennen, wenn sich seine Bestandteile in mindestens einer Eigenschaft unterscheiden. Große und kleine Körner können gesiebt werden. Ein unlöslicher Feststoff kann aus einer Flüssigkeit filtriert werden. Flüssigkeiten mit verschiedenen Siedetemperaturen können durch Destillation getrennt werden.

Trennverfahren	Genutzte Eigenschaft	Beispiel aus dem Alltag
Sieben	Teilchengröße	Mehl von groben Bestandteilen trennen
Filtrieren	Teilchengröße	Kaffeepulver vom Getränk trennen
Sedimentieren	Dichte und Schwerkraft	Erde setzt sich in Wasser ab
Dekantieren	Lage der getrennten Schichten	klare Flüssigkeit vorsichtig abgießen
Zentrifugieren	Dichte	Wasser aus Wäsche entfernen
Eindampfen	Flüchtigkeit	Salz aus Salzwasser gewinnen
Destillieren	Siedetemperatur	destilliertes Wasser herstellen
Extrahieren	Löslichkeit	Tee- und Aromastoffe lösen
Chromatographie	Löslichkeit und Haftung	Filzstiftfarben untersuchen
Magnettrennung	Magnetisierbarkeit	Eisen aus einem Gemisch abtrennen

Trennverfahren im Alltag

Sieben

Beim Sieben gelangen kleine Teilchen durch die Öffnungen des Siebs. Größere Teilchen bleiben zurück. Das Verfahren funktioniert nur, wenn sich die Korngrößen deutlich unterscheiden.

Alltag: Mehl wird gesiebt, Sand von Kies getrennt und Kompost von groben Resten befreit.

Filtrieren

Beim Filtrieren hält ein Filter größere feste Teilchen zurück. Die Flüssigkeit, die durch den Filter läuft, heißt Filtrat. Der zurückbleibende Feststoff heißt Filterrückstand.

Alltag: Ein Kaffeefilter hält Kaffeepulver zurück. Ein Staubsaugerfilter trennt Staub aus der Luft. In Wasserwerken werden Filterstufen eingesetzt.

Sedimentieren und Dekantieren

Beim Sedimentieren sinken dichtere Feststoffteilchen durch die Schwerkraft nach unten. Der Bodensatz heißt Sediment. Beim anschließenden Dekantieren wird die obere Flüssigkeit vorsichtig abgegossen.

Alltag: Schlammiges Wasser klärt sich nach einiger Zeit. Auch bei der Aufbereitung von Abwasser wird das Absetzen von Teilchen genutzt.

Zentrifugieren

Eine Zentrifuge dreht ein Gemisch sehr schnell. Dadurch werden Bestandteile unterschiedlicher Dichte schneller voneinander getrennt als beim bloßen Stehenlassen.

Alltag: Beim Schleudergang wird Wasser aus der Wäsche entfernt. In Molkereien kann Rahm von Milch getrennt werden. Medizinische Labore trennen Blutbestandteile.

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Eindampfen und Kristallisieren

Beim Eindampfen verdampft das Lösungsmittel. Ein gelöster Feststoff bleibt zurück. Beim Kristallisieren bilden die gelösten Teilchen geordnete Kristalle, wenn die Lösung abkühlt oder Lösungsmittel verdunstet.

Alltag: In Salinen verdunstet Wasser aus Meerwasser. Das Salz kristallisiert aus.

Destillieren

Die Destillation verbindet Verdampfen und Kondensieren. Zuerst verdampft bevorzugt der leichter flüchtige Bestandteil. Im Kühler wird der Dampf wieder flüssig und als Destillat aufgefangen.

Alltag: Destillation wird zur Herstellung von destilliertem Wasser, bei der Gewinnung von Duftstoffen und in Erdölraffinerien eingesetzt.

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Extrahieren

Beim Extrahieren löst ein Lösungsmittel bestimmte Bestandteile aus einem Gemisch heraus. Entscheidend ist die unterschiedliche Löslichkeit.

Alltag: Heißes Wasser löst Farb-, Aroma- und Geschmacksstoffe aus Tee oder Kaffee. Beim Waschen löst Wasser zusammen mit Waschmittel Schmutzbestandteile aus Textilien.

Nicht mischbare Flüssigkeiten können sich in einem Scheidetrichter als Schichten trennen. Die untere Schicht wird zuerst abgelassen.

Chromatographie

Bei der Chromatographie wandern Stoffe unterschiedlich weit. Sie lösen sich unterschiedlich gut im Laufmittel und haften unterschiedlich stark an der stationären Phase.

Bei der Papierchromatographie ist Papier die stationäre Phase. Das Laufmittel steigt im Papier nach oben und nimmt Farbstoffe mit.

Der Retentionsfaktor kann mit der Erweiterung Math dargestellt werden:

$R_f=\frac{\text{Strecke des Stoffflecks}}{\text{Strecke der Laufmittelfront}}$

Der Wert liegt bei einer korrekt durchgeführten Papierchromatographie zwischen 0 und 1.

Magnettrennung

Ein Magnet zieht ferromagnetische Stoffe wie Eisen an. Andere Stoffe bleiben zurück.

Alltag: In Sortieranlagen werden eisenhaltige Metalle aus Abfällen entfernt. Im Unterricht kann Eisenpulver aus einem Gemisch mit Sand getrennt werden.

Trennketten

In vielen Situationen reicht ein einziges Verfahren nicht aus. Dann werden mehrere Verfahren nacheinander eingesetzt.

Beispiel Sand-Salz-Gemisch:

1. Wasser zugeben: Das Salz löst sich, der Sand nicht.
2. Filtrieren: Der Sand bleibt als Filterrückstand zurück.
3. Eindampfen: Das Wasser verdampft, das Salz bleibt zurück.

Beispiel Abwasserreinigung:

1. Grobe Stoffe werden mit Rechen oder Sieben entfernt.
2. Schwere Teilchen setzen sich ab.
3. Feinere Teilchen werden filtriert.
4. Weitere Reinigungsstufen bauen gelöste Stoffe ab oder entfernen sie.

Einfache Schülerexperimente

Versuch 1: Filtration von Sand und Wasser

Material: Becherglas, Trichter, Filterpapier, Auffanggefäß, Sand-Wasser-Gemisch.

Durchführung: Falte das Filterpapier, setze es in den Trichter und gieße das Gemisch langsam hinein.

Beobachtung: Sand bleibt im Filter. Wasser läuft als Filtrat durch.

Auswertung: Die Sandteilchen sind größer als die Poren des Filters.

Versuch 2: Filzstift-Chromatographie

Material: Wasser, Glas, Filterpapierstreifen, wasserlöslicher Filzstift, Bleistift.

Durchführung: Zeichne mit Bleistift eine Startlinie. Setze einen kleinen Farbfleck darauf. Stelle das Papier so in wenig Wasser, dass der Fleck über dem Wasserspiegel liegt.

Beobachtung: Das Wasser steigt hoch. Manche Farben trennen sich in mehrere Farbzonen.

Auswertung: Die Farbstoffe unterscheiden sich in Löslichkeit und Haftung.

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Sicherheit

1. Trage bei Schulversuchen eine Schutzbrille.
2. Probiere keine Versuchsstoffe.
3. Erhitze Stoffe nur nach Anweisung einer Lehrkraft.
4. Verwende bei der Papierchromatographie möglichst Wasser statt brennbarer Lösungsmittel.
5. Öffne eine laufende Zentrifuge niemals.

Entscheidungshilfe

Gemisch	Sinnvolles Verfahren	Begründung
Kies und Sand	Sieben	unterschiedliche Korngrößen
Sand und Wasser	Filtrieren	Sand ist unlöslich und besteht aus großen Teilchen
Schlammwasser	Sedimentieren und Dekantieren	Feststoffteilchen sind dichter als Wasser
Salzwasser	Eindampfen oder Destillieren	Wasser ist flüchtig, Salz nicht
Öl und Wasser	Scheidetrichter oder vorsichtiges Abgießen	Flüssigkeiten sind nicht mischbar und bilden Schichten
Filzstifttinte	Papierchromatographie	Farbstoffe wandern unterschiedlich weit
Eisen und Sand	Magnettrennung	nur Eisen wird stark vom Magneten angezogen

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Eigenschaft wird beim Sieben genutzt? (Teilchengröße) (!Siedetemperatur) (!Löslichkeit) (!Magnetisierbarkeit)

Was bleibt beim Filtrieren im Filter zurück? (Filterrückstand) (!Destillat) (!Laufmittel) (!Filtrat)

Wie heißt das Absetzen von Feststoffteilchen? (Sedimentieren) (!Destillieren) (!Extrahieren) (!Kristallisieren)

Was beschleunigt die Trennung in einer Zentrifuge? (Schnelle Drehbewegung) (!Abkühlen) (!Magnetische Abstoßung) (!Licht)

Welches Verfahren eignet sich zur Salzgewinnung aus Salzwasser? (Eindampfen) (!Sieben) (!Magnettrennung) (!Dekantieren)

Was geschieht im Kühler einer Destillationsapparatur? (Dampf kondensiert) (!Feststoff schmilzt) (!Salz löst sich) (!Teilchen werden magnetisch)

Welche Eigenschaft ist beim Extrahieren entscheidend? (Löslichkeit) (!Härte) (!Farbe) (!Kornform)

Warum trennen sich Farbstoffe bei der Papierchromatographie? (Sie wandern unterschiedlich weit) (!Sie werden alle magnetisch) (!Sie sieden gleichzeitig) (!Sie werden ausgesiebt)

Welches Gemisch lässt sich mit einem Magneten trennen? (Eisen und Sand) (!Salz und Zucker) (!Öl und Wasser) (!Alkohol und Wasser)

Warum werden oft mehrere Trennverfahren kombiniert? (Ein Verfahren trennt nicht immer alle Bestandteile) (!Jedes Gemisch muss erhitzt werden) (!Filter können nur Gase trennen) (!Alle Stoffe haben gleiche Eigenschaften)

Memory

Sieben	Teilchengröße
Filtrieren	Filterrückstand
Sedimentieren	Bodensatz
Zentrifugieren	Dichteunterschied
Eindampfen	Salzgewinnung
Destillieren	Siedetemperatur
Extrahieren	Löslichkeit
Chromatographie	Wanderungsgeschwindigkeit

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Sieben	Kies und Sand
Filtrieren	Kaffeepulver und Kaffee
Sedimentieren	Schlamm und Wasser
Zentrifugieren	Wasser und Wäsche
Eindampfen	Salz und Wasser
Destillieren	Wasser und gelöstes Salz
Extrahieren	Aromastoffe und Teeblätter
Chromatographie	Farbstoffgemisch in Tinte

Kreuzworträtsel

Filtration	Wie heißt das Trennen eines unlöslichen Feststoffs mit einem Filter?
Destillation	Welches Verfahren nutzt Verdampfen und Kondensieren?
Zentrifuge	Welches Gerät trennt Stoffe durch schnelle Drehung?
Sediment	Wie heißt der Bodensatz nach dem Absetzen?
Extraktion	Wie heißt das Herauslösen eines Stoffes mit einem Lösungsmittel?
Chromatogramm	Wie heißt das sichtbare Ergebnis einer Chromatographie?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein Stoffgemisch besteht aus mindestens Reinstoffen. Beim Sieben wird die unterschiedliche genutzt. Beim Filtrieren bleibt der Feststoff als zurück. Beim Sedimentieren entsteht am Boden ein . Eine Zentrifuge beschleunigt die Trennung durch eine schnelle . Beim Eindampfen verdampft das . Bei der Destillation wird Dampf im Kühler wieder . Beim Extrahieren wird die unterschiedliche genutzt. Bei der Chromatographie wandern Stoffe unterschiedlich . Eisen kann durch seine von Sand getrennt werden.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Trennverfahren-Tagebuch: Finde fünf Trennverfahren in Deinem Alltag und beschreibe jeweils Gemisch, Verfahren und genutzte Eigenschaft.
2. Kaffeefilter untersuchen: Zeichne den Aufbau beim Kaffeekochen und beschrifte Filter, Rückstand und Filtrat.
3. Siebe vergleichen: Vergleiche zwei Siebe mit unterschiedlichen Maschenweiten und prüfe geeignete trockene Gemische.
4. Sedimentation beobachten: Stelle ein ungefährliches Erde-Wasser-Gemisch her, dokumentiere das Absetzen mit Fotos und beschreibe die Schichten.

Standard

1. Trennkette Sand und Salz: Plane eine vollständige Trennkette und begründe jeden Schritt mit einer Stoffeigenschaft.
2. Papierchromatographie-Projekt: Untersuche mehrere wasserlösliche Filzstifte und vergleiche die entstandenen Farbmuster.
3. Filtervergleich: Vergleiche Kaffeefilter, Stoff und ein feines Sieb. Entwickle Kriterien für Trennwirkung und Geschwindigkeit.
4. Alltagsprodukt analysieren: Wähle Tee, Kaffee, Saft oder Speiseöl und erkläre, welche Trennverfahren bei Herstellung oder Nutzung vorkommen.

Schwer

1. Wasseraufbereitung planen: Entwirf eine mehrstufige Anlage für schlammiges Wasser. Begründe Reihenfolge und Grenzen der Verfahren.
2. Trennverfahren erklären: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du ein Verfahren auf Stoff- und Teilchenebene erklärst.
3. Recyclinganlage entwickeln: Plane eine Anlage, die Papier, Eisen, Kunststoff und Glas aus einem Abfallgemisch trennt.
4. Chromatographie auswerten: Miss die Laufstrecken mehrerer Farbstoffe, berechne ihre Rf-Werte und diskutiere Messfehler.

Lernkontrolle

1. Verfahrensauswahl begründen: Ein Gemisch enthält Sand, Salz, Eisenpulver und Wasser. Entwickle eine sinnvolle Trennkette und begründe die Reihenfolge.
2. Alltagsproblem lösen: Nach einem Hochwasser ist Wasser mit Erde, Blättern und gelösten Salzen verunreinigt. Erkläre, welche Bestandteile mit einfachen Verfahren entfernt werden können und welche nicht.
3. Verfahren vergleichen: Vergleiche Filtrieren und Destillieren hinsichtlich Gemischart, Stoffeigenschaft, Energiebedarf und Ergebnis.
4. Fehleranalyse Chromatographie: Der Startfleck taucht in das Laufmittel ein. Erkläre die Folgen und verbessere den Versuchsaufbau.
5. Nachhaltigkeit bewerten: Beurteile zwei mögliche Trennketten für dasselbe Gemisch nach Energieverbrauch, Materialaufwand und Rückgewinnung der Stoffe.
6. Modellvorstellung nutzen: Erkläre auf Teilchenebene, warum gelöstes Salz einen Kaffeefilter passiert, Sand aber zurückbleibt.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. Stoffgemische sicher erkennst und beschreibst.
2. mindestens sechs Trennverfahren fachlich korrekt erklären kannst.
3. die jeweils genutzte Stoffeigenschaft nennst.
4. für eine neue Alltagssituation ein geeignetes Verfahren auswählst.
5. eine mehrstufige Trennkette planst und begründest.
6. Beobachtung und Erklärung voneinander trennst.
7. Sicherheitsregeln bei Versuchen einhältst.
8. Messergebnisse, Skizzen oder Fotos übersichtlich dokumentierst.

Verknüpfte Lernbereiche

Trennverfahren im Alltag - Chemie Stoffgemisch Reinstoff Stoffeigenschaft Filtration Sedimentation Zentrifugation Destillation Extraktion Chromatographie Recycling