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Chromatografie als Trennverfahren

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Die Autor*innen
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André Otto
Chromatografie als Trennverfahren
lernst du in der Oberstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Grundlagen zum Thema Chromatografie als Trennverfahren

Inhalt

Chromatografie als Trennverfahren – Chemie

Hast du dich schon einmal gefragt, aus welchen einzelnen Bestandteile deine Filzstiftfarben bestehen? Das kannst du ganz einfach mit der Papierchromatografie herausfinden. Wo die Chromatografie im Alltag verwendet wird, was die Chromatografie ist, wie sie funktioniert und was ein Chromatogramm ist, erfährst du im folgenden Text.

Was ist Chromatografie? – Definition

Einfach erklärt ist die Chromatografie ein Verfahren zur Auftrennung von Stoffen. Übersetzen könnte man es mit dem Begriff Farbschreibung. Die Chromatografie ist ein Verfahren, das die Auftrennung eines Stoffgemischs durch unterschiedliche Verteilung seiner Einzelbestandteile zwischen einer stationären und einer mobilen Phase erlaubt. Doch wie funktioniert das chromatografische Trennverfahren genau?

Was ist das Prinzip der Stofftrennung durch Chromatografie?

Das Prinzip der Chromatografie kannst du dir beispielsweise als Fluss vorstellen, in dem Geröll liegt. Das Geröll besteht aus unterschiedlich großen Bestandteilen wie Sand und Kieselsteinen. Das Wasser des Flusses stellt die mobile Phase dar – sie bewegt sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine Richtung. Der Boden des Flussbetts stellt die stationäre Phase dar – über ihr bewegt sich die mobile Phase mit dem Geröll.

Die Bestandteile des Gerölls gehen nun unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen der stationären und der mobilen Phase ein. Der Sand und die Kieselsteine wandern also unterschiedlich schnell durch den Fluss. Die größeren Steine sind eher träge und werden nicht so weit transportiert im Vergleich zu den leichteren und kleineren Sandteilchen. Du kannst also das Geröll in seine einzelnen Bestandteile (Kieselsteine und Sand) auftrennen.

Ablauf einer Chromatografie

Die Probe, die du trennen möchtest, trägst du auf der stationären Phase an der Startlinie auf. Entlang dieser Phase lässt du nun die mobile Phase laufen. Die mobile Phase wird auch als Laufmittel oder Eluent bezeichnet.

Ablauf einer Chromatografie am Beispiel eines Löschpapiers

In einem einfachen Experiment kannst du dich selbst am Trennverfahren der Papierchromatografie versuchen. Dazu kennzeichnest du die Startlinie auf einem Streifen Löschpapier. Auf diese Startlinie malst du nun Punkte mit verschiedenen Filzstiften. Als Nächstes stellst du das Löschpapier in ein Becherglas mit Wasser. Die Startlinie darf dabei nicht das Wasser berühren. Nun deckst du das Becherglas noch ab und wartest etwa drei Stunden. Dann entfernst du den Papierstreifen aus dem Glas und lässt ihn trocknen.

Was ist passiert?
Nach einiger Zeit wird das Wasser aufgrund der Kapillarkräfte am Löschpapier hochgesogen. Die Filzstiftfarben werden dabei in ihre Bestandteile aufgetrennt. Das Ergebnis auf dem Löschpapier wird als Chromatogramm bezeichnet.

In dem Bild kannst du den Ablauf und das Prinzip der Chromatografie erkennen:

Ablauf Chromatographie

Begriffe und Kenngrößen der Chromatografie

Bisher hast du gelernt, was die Chromatografie ist und welches Prinzip ihr zugrunde liegt. Im Folgenden stellen wir die wichtigsten Begriffe und Kenngrößen der Chromatografie kurz vor:

  • Adsorption: Die verschiedenen Stoffe haften verschieden stark an der stationären Phase, was als Adsorption bezeichnet wird. Die mobile Phase löst die Stoffe daher unterschiedlich schnell von der stationären Phase ab.
  • Laufmittelfront: die Linie, bis zu der die mobile Phase bei Beendigung des chromatografischen Verfahrens über oder durch die stationäre Phase gelaufen ist.
  • Auflösung: In der Chromatografie bezeichnet die Auflösung das Maß der Trennung im Chromatogramm zweier Stoffe. Damit ist gemeint, wie gut die Stoffe sich im Chromatogramm getrennt darstellen lassen und voneinander unterscheidbar sind.
  • Desorption: Die Ablösung eines Stoffs wird Desorption genannt. Das Ergebnis der unterschiedlich starken Desorption durch das Laufmittel führt zur Trennung des Stoffgemischs in seine reinen Bestandteile. In der Chromatografie kannst du die Desorption auch als Elution oder Eluierung bezeichnen.
  • Durchflusszeit: Die Durchflusszeit gibt die Zeit an, die die mobile Phase benötigt, um vom Startpunkt bis zum Endpunkt zu wandern. Die Durchflusszeit wird auch als Totzeit bezeichnet.
  • $R_f$-Wert: Mit dem $R_f$-Wert kannst du Proben des gleichen chromatografischen Systems miteinander vergleichen. Die zugehörige Gleichung siehst du hier:
    ($ R_f = \frac{s_x}{s_l} = \frac{\text{Strecke zwischen Startlinie und Substanzzone}}{\text{Strecke zwischen Startlinie und Laufmittelfront}}$)
  • Retention: verzögerter Durchfluss in der Chromatografie einzelner Substanzen aufgrund der Adsorption und Desorption
  • Selektivität: In der Chromatografie bezeichnet die Selektivität das Maß für die Trennbarkeit zweier Stoffe – also wie gut sind, analog zu unserem Beispiel oben, die Kieselsteine und der Sand voneinander zu trennen.

Welche Arten von Chromatografie gibt es? – Beispiele

Es gibt verschiedene Arten der Chromatografie. Die Papierchromatografie hast du ja bereits kennengelernt. Daneben gibt es auch noch folgende:

Anwendungen der Chromatografie

Die Chromatografie hat eine große praktische Bedeutung. In der Synthesechemie möchte man wissen, ob eine Reaktion erfolgreich war, und in der analytischen Chemie werden damit die Stoffe auf ihre Reinheit untersucht.

Die Chromatografie verwendet man zur Reinigung von Stoffen. Somit hat die Chromatografie große Bedeutung bei der Herstellung von Arzneimitteln. Außerdem kannst du mit der Chromatografie bestimmte Eigenschaften eines Stoffs herausfinden.

Dieses Video

Im Video lernst du die Chromatografie als Trennverfahren kennen. Mithilfe der Chromatografie kannst du Stoffgemische in ihre Einzelbestandteile auftrennen. Dieses Prinzip wird in der Chemieindustrie genutzt, um Stoffe aufzureinigen oder auf ihre Reinheit zu untersuchen.

Im Alltag kannst du beispielsweise mittels der Chromatografie die einzelnen Blattfarbstoffe eines Laubblatts auftrennen und genauer bestimmen.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Transkript Chromatografie als Trennverfahren

Hallo und ganz herzlich Willkommen. Chromatographie als Trennverfahren. Für den Start nehmen wir einen Löschblattblock. Ich reiße ein Blatt heraus und schneide mir Papierstreifen. Die Löschpapierstreifen sehen dann so aus. Ich habe ein paar mehr geschnitten. Man weiß ja nie. Sie dienen uns als stationäre Phase. Etwa einen halben Zentimeter vom unteren Rand ziehe ich eine Bleistiftlinie. In etwa gleichem Abstand zeichne ich vier Striche. Mit wasserlöslichen Filzstiften setze ich auf die markierten Stellen kleine Farbflecken. Blau, grün, rot und schwarz. Wir haben hier Substanzen aufgetragen und wie schon gehört: man spricht hier von Startflecken. Jetzt geht es ans Eluieren. Dafür benötigen wir ein Becherglas und eine Flüssigkeit. In unserem Fall ist es Wasser. Wasser ist unser Eluent. Man sagt dazu auch Laufmittel. Wasser ist unsere mobile Phase. Und was wollten wir tun? Richtig! Eluieren! Wir nehmen also unsere stationäre Phase mit den Substanzflecken und tauchen sie in das Wasser, die mobile Phase. Aber Vorsicht! Die Flecken dürfen nicht in das Wasser eintauchen. Das Wasser bewegt sich nun entlang des Löschpapiers nach oben. Wir helfen ihm, indem wir das Becherglas abdecken. Ein großer Teil des Wasserdampfs bleibt dadurch im Becherglas. Jetzt heißt es Warten. Nach etwa drei Stunden: Schauen wir doch einmal nach. Das sieht doch schon Mal hübsch aus. Nun wird das Löschpapier getrocknet. Und jetzt schauen wir uns die Ergebnisse an. Bis hier ist das Wasser gestiegen. Man spricht auch von der Laufmittelfront. Das Löschpapier in Großaufnahme sieht so aus. Erinnert euch! Blau, grün, rot und schwarz. Bei Blau kann ich nur einen großen Fleck erkennen. Bei Grün gibt es neben diesem großen Fleck einen Zweiten und zwar oben, ziemlich klein und gelb. Bei Rot hat man mindestens zwei Flecken. Am Start und oben rot. Und bei Schwarz sogar drei. Am Start einen Fleck, dann den grünen und oben den roten. Das heißt, die Farbe blau besteht aus einem Stoff, die Farbe grün aus zwei Stoffen. Rot besteht auch aus zwei Stoffen. Schwarz besteht gar aus drei Stoffen. Damit haben wir ein neues Trennverfahren kennen gelernt. Man nennt es Chromatographie. Das Wesen der Chromatographie besteht in folgendem: Verschiedene Stoffe haften verschieden stark an der stationären Phase an. Die Bindung bezeichnet man als Adsorption. Die mobile Phase löst sie daher verschieden schnell ab. Die Ablösung der Stoffe nennt man Desorption. Das Ergebnis der verschieden starken Desorptionen durch das Laufmittel führt zur Trennung des Stoffgemisches in reine Stoffe. Die von uns verwendete Art der Chromatographie nennt man Papierchromatographie. Das Verfahren der Chomatographie wurde entdeckt von Michail Semjonowitsch Zwet. Dem russischen Chemiker gelang das im Jahre 1903. Das von ihm verwendete Verfahren nennt man heute Säulenchromatographie. Bei Zwet ging das so: Eine Glassäule mit Ausfluss wird mit Inulin, das ist ein Polysaccharid und die stationäre Phase befüllt. Das Inulin wird mit Ligroin, das ist die mobile Phase, ein Leichtbenzin durchspült. Dann wird oben Chlorophyll aufgetragen und mit Ligroin eluiert. Es gelang ihm eine Trennung von Chlorophyll in Chlorophyll a und Chlorophyll b. Außerdem konnte Zwet durch Auftrennung eines Stoffgemischs Carotin und Xanthophyll erhalten. Also, es gibt Papierchromatographie und Säulenchromatographie. Das ist noch nicht alles. Es gibt viele Arten der Chromatographie. Dünnschichtchromatographie, abgekürzt „DC“. Gaschromatographie, abgekürzt „GC“. Flüssigchromatographie, abgekürzt „LC“. „L“ steht für Liquid, flüssig. Hochauflösende Flüssigkeitschromatographie. Hier verwendet man fast nur die englische Abkürzung „HPLC“. Gelpermeationschromatographie, abgekürzt „GPC“. Und Ionenaustauschchromatographie. Häufig verwendet man die englische Abkürzung „IEC“. Die Chromatographie hat eine große praktische Bedeutung. In der Synthesechemie möchte man feststellen, ob die Reaktion erfolgreich war. In der analytischen Chemie werden Stoffe auf Reinheit untersucht und Stoffgemische analysiert. Natürlich kommt auch die Chemieindustrie ohne Chromatographie nicht aus. Man benötigt die Chromatographie zur Reinigung von Stoffen. Große Bedeutung hat die Chromatographie daher, bei der Herstellung von Arzneimitteln. Übrigens: Zwet bedeutet Farbe. Chromatographie heißt „Farbschreibung“. So, hat euch das Video gefallen? Das war ein weiterer Film von Andre Otto. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. Yay! Andre Otto. Ich mag deinen Still sehr und deine Videos finde ich sehr hilfreich. Dankeschön.

    Von Harry Potter, vor etwa einem Jahr
  2. ich will auch erster sein

    Von Janniknoah07, vor mehr als einem Jahr
  3. The Movie was nice and helpful . I hop you have more of the Movies

    Von Henk V., vor mehr als 2 Jahren
  4. Och mann, ich der letzte

    Von Quyenlinhdao, vor mehr als 2 Jahren
  5. Geil

    Von Elena B., vor mehr als 5 Jahren
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Chromatografie als Trennverfahren Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Chromatografie als Trennverfahren kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe das Wesen der Chromatographie.

    Tipps

    Das Lösungsmittel „bewegt“ sich an dem Papier hoch. Ist die Phase somit mobil oder stationär?

    Lösung

    Die Chromatographie ist ein Trennverfahren. Mit ihr können aus einem Stoffgemisch einzelne Komponenten herausgetrennt werden, sodass im Idealfall am Ende reine Stoffe vorliegen. Aber wie funktioniert das nun? Bei der Chromatographie hast du zwei Phasen: Zum einen gibt es eine mobile Phase. Ein Beispiel dafür ist Wasser. Wie der Name schon sagt, bewegt sich diese Phase, sie zieht sich durch das Papier. Papier ist also die stationäre Phase. Auf ihr wird das Gemisch aufgetragen. Das Anhaften der Komponenten an der stationären Phase nennt man Adsorption. Der Umkehrprozess, also das Lösen durch das Wasser, auch als mobile Phase bezeichnet, wird Desorption genannt.

  • Erkläre, was die mobile Phase ist.

    Tipps

    Im Video hast du eine Chromatographie mit Wasser und Papier gesehen. Welche dieser beiden Komponenten hat sich „bewegt“?

    Das Herauslösen von Stoffen wird auch als Eluieren bezeichnet.

    Lösung

    Als mobile Phase wird bei einer Chromatographie das Lösungsmittel bezeichnet. Dieses bewegt sich entlang der stationären Phase und löst so die einzelnen Komponenten aus dem Gemisch unterschiedlich stark heraus. Da sich diese Phase „bewegt“, wird sie als mobil bezeichnet. Die mobile Phase ist somit beim Eluieren zwingend notwendig.

  • Beschreibe die Durchführung einer Chromatographie.

    Tipps

    Überlege dir, welche einzelnen Komponenten für eine Chromatographie nötig sind und wie sie angeordnet sein müssen.

    Lösung

    Um ein Gemisch durch Chromatographie zu trennen, brauchst du eine stationäre Phase, also z.B. Papier, und eine mobile Phase, also ein Lösungsmittel.

    1. Zuerst trägst du das Gemisch, das getrennt werden soll, auf die stationäre Phase auf.
    2. Dann stellst du diese in das Gefäß mit dem Laufmittel, ohne dass die Substanzen eintauchen.
    3. Das Gefäß wird nun abgedeckt.
    4. Das Lösungsmittel steigt durch die stationäre Phase und die Komponenten des Gemisches trennen sich aufgrund verschiedener Moleküleigenschaften.
    5. Wenn der Versuch beendet ist, wird die Laufmittelfront markiert. Das ist die Linie, bis zu der das Lösungsmittel an der stationären Phase gestiegen ist.

  • Nenne die Komponenten, aus denen das Gemisch besteht.

    Tipps

    Die Einzelkomponenten tauchen auch im Gemisch an der gleichen Stelle auf, an der sie auch beim Einzelversuch auftreten.

    Lösung

    Bei der Chromatographie wird ein Stoffgemisch in seine einzelnen Komponenten getrennt. Wenn man wissen will, woraus das Gemisch besteht, kann man die vermuteten Einzelkomponenten unter gleichen Bedingungen eluieren. Man verwendet also hierbei dasselbe Lösungsmittel und dieselbe stationäre Phase. Unter diesen Bedingungen laufen die Einzelkomponenten genauso weit und haben das gleiche „Muster“ auf dem Chromatogramm wie im Gemisch und können so gut identifiziert werden. In diesem Beispiel siehst du also im Gemisch einen hellblauen, einen grünen und einen magentafarbenen Fleck und diese auch noch an der gleichen Stelle, wie bei den Einzelkomponenten. So kannst du dir also sehr sicher sein, dass das Gemisch aus den Komponenten B, C und D besteht.

  • Nenne Verwendungsmöglichkeiten für die Chromatographie.

    Tipps

    Bei der Chromatographie handelt es sich um ein Trennverfahren.

    Lösung

    Die Chromatographie ist ein Trennverfahren. Wenn Komponenten in einem Gemisch unterschiedlich stark an der stationären Phase haften, bzw. unterschiedlich gut im Lösungsmittel löslich sind, dann können sie mit Hilfe der Chromatographie getrennt werden. Wenn Stoffe von anderen getrennt werden können, kann das Verfahren auch gut zur Reinigung von Stoffen verwendet werden. So kann ein gewünschtes Produkt gut von unerwünschten Verunreinigungen getrennt werden.

  • Interpretiere das Chromatogramm.

    Tipps

    Die Chromatographie ist ein Trennverfahren. Aus einem Gemisch trennt man so die Einzelkomponenten aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften.

    Die Trennung erfolgt durch unterschiedliche Löslichkeiten im Laufmittel.

    Lösung

    Dieses Chromatogramm zeigt die einzelnen Bestandteile aus einem Blattextrakt. Die Trennung der einzelnen Farbkomponenten erfolgt durch Chromatographie, wobei als Lösungsmittel unpolares Benzin verwendet wird. Wenn das unpolare Benzin nun durch die stationäre Phase steigt, dann werden die unpolaren Bestandteile weiter transportiert als die polaren. Auch hier gilt der Merksatz: Gleiches löst sich in Gleichem. Die unpolaren Carotine laufen also am weitesten. Das erkennst du an dem orangegelben Farbfleck nahe dem Laufmittel. Die polaren Xanthophylle werden nicht weit vom Benzin mitgezogen, da sie sich schlechter lösen. Die grünen Chlorophylle erkennst du in der Mitte.

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