Trennverfahren im Überblick

Trennverfahren im Überblick Übung

• Benenne die Trennverfahren.

  Tipps

  Sedimentieren beschreibt das Absetzen eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit mit höherer Dichte.

  Beim Filtrieren werden Stoffgemische anhand ihrer Partikelgröße getrennt.

  Lösung

  Trennverfahren gibt es in der Industrie, im Labor sowie in unserem Alltag zu Hause. Trennverfahren sind wichtige Methoden, um Stoffgemische in ihre jeweiligen Bestandteile aufzutrennen. Stoffe können sich in mehreren Stoffeigenschaften unterscheiden, wie in puncto Partikelgröße, Dichte, Siede- und Schmelztemperatur oder Löslichkeit. Diese verschiedenen Eigenschaften werden bei Trennverfahren genutzt.

  Sedimentieren beschreibt das Absetzen eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit mit höherer Dichte, beispielsweise in einem Glas mit Wasser und Sand. Da sich der Sand nicht im Wasser löst und eine höhere Dichte als Wasser hat, setzt er sich unten am Glasboden ab. Das kann mitunter jedoch etwas länger dauern.

  Das Dekantieren folgt meist auf das Sedimentieren. Dabei wird die Flüssigkeit über dem abgesetzten Feststoff oder der Flüssigkeit mit höherer Dichte abgegossen. Ein Beispiel dafür ist das Kaffeekochen. Wenn heißes Wasser in eine Tasse mit Kaffeepulver gegossen wird, dann setzt sich mit der Zeit das ungelöste Kaffeepulver unten am Boden ab (Sedimentieren). Danach kann der fertige Kaffee abgegossen werden.

  Der Schleudergang in der Waschmaschine ist nichts anderes als Zentrifugieren: Die Feststoffteilchen (hier: Kleidung) werden an den Boden der Trommel gedrückt. Allerdings kann das Wasser beim Schleudern in der Waschmaschine aus der durchlöcherten Trommel entweichen.

  Beim Filtrieren wird mithilfe eines Filters ein Gemisch anhand der Partikelgröße aufgetrennt: Größere Teilchen bleiben im Filter, kleinere landen im darunter stehenden Gefäß. Das Trennverfahren, das gekochte Nudeln von dem Wasser mithilfe eines Siebs trennt, nennt sich also Filtrieren, da das Gemisch aus einer Flüssigkeit (Wasser) und einem Feststoff (Nudeln) besteht. Sieben ist dem Filtrieren ganz ähnlich, nur dass dabei Feststoffe voneinander getrennt werden. Streng genommen müsste der entsprechende Haushaltsgegenstand also „Nudelfilter“ und nicht „Nudelsieb“ genannt werden.

• Zeige auf, welche Stoffeigenschaft für das jeweilige Trennverfahren genutzt wird.

  Tipps

  Beim Destillieren verdampfen die Stoffe bei unterschiedlichen Temperaturen.

  Lösung

  Stoffe können sich in mehreren Stoffeigenschaften unterscheiden, zum Beispiel in Partikelgröße, Dichte, Siede- und Schmelztemperatur oder Löslichkeit. Diese verschiedenen Eigenschaften werden bei Trennverfahren genutzt.

  
  Bei den mechanischen Trennverfahren machen wir uns mechanische Eigenschaften wie Dichte oder Partikelgröße der Komponenten zunutze. Dieses Prinzip wird meist zum Trennen von Suspensionen, also von heterogenen Stoffgemischen aus einer festen und einer flüssigen Komponente, verwendet:

  • Das Sedimentieren (Absetzen) gelingt aufgrund der unterschiedlichen Dichte der zu trennenden Stoffe, sodass sich ein Stoff am Boden absetzt.
  • Beim Filtrieren sollte die Partikelgröße der Stoffe verschieden sein, damit eine vollständige Trennung mithilfe eines passenden Filters gelingt.

  Bei den thermischen Trennverfahren nutzen wir beispielsweise die unterschiedliche Löslichkeit oder Siedetemperatur der Stoffe:

  • Die Extraktion basiert auf der Löslichkeit, indem ein oder mehrere Bestandteile eine höhere Löslichkeit vorweisen und sich somit durch das Extraktionsmittel lösen können.
  • Bei der Destillation werden die Stoffe anhand ihrer verschiedenen Siedetemperatur voneinander getrennt, indem das Stoffgemisch erhitzt wird.

• Bestimme, ob die Trennverfahren mechanisch oder thermisch sind.

  Tipps

  Bei mechanischen Trennverfahren machen wir uns mechanische Eigenschaften wie Dichte oder Partikelgröße der Komponenten zunutze.

  Lösung

  Bei den mechanischen Trennverfahren machen wir uns mechanische Eigenschaften wie Dichte oder Partikelgröße der Komponenten zunutze. Dieses Prinzip wird meist zum Trennen von Suspensionen, also von heterogenen Stoffgemischen aus einer festen und einer flüssigen Komponente, verwendet.

  Beispiele dafür sind:

  • Sedimentieren
  • Dekantieren
  • Zentrifugieren
  • Filtrieren
  • Sieben

  Bei den thermischen Trennverfahren geht es um ein „thermodynamisches Gleichgewicht“, das sich neu einstellt. Dies bedeutet, dass innerhalb eines Systems keine Veränderungen von Material oder Temperatur stattfinden. Es gibt bei den thermischen Trennverfahren also eine Übergangsphase und am Ende entsteht eine neuer stabiler Zustand.

  Beispiele dafür sind:

  • Eindampfen
  • Destillieren
  • Extrahieren
  • Chromatografieren

• Charakterisiere die Trennverfahren.

  Tipps

  Ein Sieb trennt zwei feste Stoffe mit unterschiedlicher Partikelgröße voneinander, zum Beispiel Kies und Sand.

  Beim Eindampfen bleibt meist ein Feststoff zurück.

  Lösung

  Sedimentieren beschreibt das Absetzen eines Feststoffs oder einer Flüssigkeit mit höherer Dichte. Das kann mitunter etwas länger dauern.
  Die Zentrifugation ist ein Trennverfahren, um genau dies zu beschleunigen. Dabei werden die aufzutrennenden Gemische in gut verschlossenen Gefäßen in eine Zentrifuge gesetzt. Startet die Zentrifuge, dreht sich die Trommel innerhalb des Geräts so schnell, dass Feststoffe oder Flüssigkeiten mit der höheren Dichte an den Boden des Gefäßes gedrückt werden. Ein Beispiel dafür ist der Schleudergang in der Waschmaschine. Das Dekantieren folgt meist auf das Sedimentieren. Dabei wird die Flüssigkeit über dem abgesetzten Feststoff oder der Flüssigkeit abgegossen.

  Beim Filtrieren wird mithilfe eines Filters ein Gemisch anhand der Partikelgröße aufgetrennt. Dabei bleiben die größeren Teilchen im Filter, die kleineren landen als Filtrat im darunter stehenden Gefäß.
  Sieben ist dem Filtrieren ganz ähnlich, allerdings werden hier Feststoffe voneinander getrennt. Streng genommen müsste daher das Nudelsieb Nudelfilter genannt werden.

  Die Destillation ist die Trennung eines Stoffgemischs aufgrund unterschiedlicher Siedetemperaturen. Das wird beispielsweise beim Herstellen von hochprozentigem Alkohol genutzt.
  Ganz ähnlich läuft das Eindampfen ab, jedoch bleibt der weniger flüchtige, meist feste Stoff im Reaktionsgefäß zurück oder auf dem Boden, wie bei der Meersalzgewinnung.

  Beim Extrahieren wird ein Stoff mithilfe eines Extraktionsmittels aus dem Stoffgemisch herausgelöst, zum Beispiel beim Kaffeekochen. Durch das Zugeben von heißem Wasser in den Kaffeefilter lösen sich die Geschmacksstoffe des Kaffees im Wasser und können unterhalb des Filters aufgefangen werden. Der Rest wird im Filter zurückgehalten.

  Ein weiteres thermisches Trennverfahren ist das Chromatografieren. Das Auftrennen beruht hierbei auf unterschiedlichen Wechselwirkungen der Komponenten eines Stoffgemischs mit den zwei Phasen der Chromatografie: der mobilen und stationären Phase. Bei der Dünnschichtchromatografie ist das aufzutrennende Gemisch in der mobilen Phase, zum Beispiel Wasser, gelöst und wird über die stationäre Phase – das ist die Trennschicht – transportiert. Geht ein Stoff starke Wechselwirkungen mit der stationären Phase ein, bleibt dieser dort frühzeitig haften.

• Entscheide, welche Trennverfahren beim Kaffeekochen angewendet werden.

  Tipps

  Es gibt nur eine richtige Antwort.

  Lösung

  Kaffee kann auf unterschiedlichste Art und Weise gekocht werden. Wenn wir keine Kaffeemaschine zur Hand haben, dann können wir den Kaffee filtrieren. Das bedeutet, dass wir heißes Wasser auf das Kaffeepulver, das sich in einem Filterpapier befindet, gießen. Dadurch, dass die Poren des Filterpapiers so klein sind, können die ungelösten Kaffeepulverteilchen nicht durch den Filter gelangen. Das Filtrat, also das Wasser mit den gelösten Aromastoffen, hingegen schon.

• Ermittle, ob und wie das Stoffgemisch getrennt werden kann.

  Tipps

  Salz und Wasser haben unterschiedliche Siedetemperaturen.

  Es gibt zwei richtige Antworten.

  Lösung

  Das Salzwasser ist ein Gemisch aus Salz und Wasser. Dabei ist das Salz in dem Wasser gelöst. Damit Juan das gelöste Kochsalz von dem Wasser trennen kann, muss er sich die Siedetemperaturen der beiden Stoffe genauer anschauen: Wasser siedet bei $\boldsymbol{100}$ Grad Celsius, Kochsalz bei circa $\boldsymbol{1\,400}$ Grad Celsius. Das kann er sich nun zunutze machen, um das Stoffgemisch zu trennen.

  Juan könnte eine Destillation durchführen: Dabei wird das Stoffgemisch erhitzt, woraufhin die Komponenten unterschiedlich schnell verdampfen. Das Wasser verdampft bei $100$ Grad Celsius, das Kochsalz bleibt zurück.
  Wenn er sich nicht die Mühe machen möchte, dann könnte er das Glas mit dem Salzwasser auch einfach in die Sonne stellen und warten, bis das Wasser verdunstet ist: Sonneneinstrahlung oder Wind beschleunigen den Prozess des Verdunstens.