Das Trennen verschiedener Stoffe aus einem Stoffgemisch ist eines der wichtigsten Verfahren in der Prozessindustrie, denn die meisten Rohstoffe und auch Produkte aus chemischen Reaktionen sind Gemische unterschiedlicher Substanzen, die vor der Weiterverarbeitung erst voneinander getrennt werden müssen.

Dabei macht man sich die verschiedenen Merkmale der zu trennenden Stoffe zunutze. Je nach Eigenschaft der Substanzen, die man trennen möchte, kommen andere Trennverfahren zum Einsatz. So kann man beispielsweise nach Größe der einzelnen Partikel, nach Löslichkeit der Substanzen in verschiedenen Lösungsmitteln, nach Siedepunkt, aber auch nach Magnetisierbarkeit oder Farbe (wie z. B. bei der Trennung von Altglas) trennen. Ein paar der dafür häufig verwendeten Trennverfahren wollen wir euch heute etwas näher vorstellen.

Die "Klassiker" - Trennen nach Partikelgröße

Eine der wohl ältesten Trennmethoden ist das Sieben . Das kennt ihr sicherlich alle vom Kuchenbacken oder auch noch aus dem Sandkasten. Hierdurch kann man zwei feste Stoffe voneinander trennen, deren Partikel verschieden groß sind (z. B. Sand und Kies).

Möchte man einen Feststoff von einer Flüssigkeit trennen, kann man ganz ähnlich vorgehen. Dabei wird dann allerdings kein Sieb verwendet, sondern ein geeigneter Filter (wie ein Tuch oder auch ein Papierfilter). Die Poren des Filters wirken wie ein Sieb und halten die großen Feststoffteilchen zurück, während die Flüssigkeit durch sie hindurch treten kann. Das ist das Prinzip, das man sich u. a. beim Kaffeekochen zunutze macht. Das Kaffeepulver kommt in den Papierfilter und wird von diesem zurückgehalten. Währenddessen fließt das heiße Wasser durch den Filter hindurch und nimmt nur den Geschmack und die Farbe aus dem Kaffeepulver mit. Auch Trinkwasser wird bei der Reinigung filtriert, um Sand und Kies zu entfernen.

Wie bekommt man das Salz aus dem Meerwasser?

Salz ist zwar eigentlich auch ein Feststoff, doch es löst sich so gut in Wasser, dass man es mit einem Filter nicht von diesem trennen kann. Deshalb muss man zur Salzgewinnung aus Meerwasser ein anderes Verfahren anwenden.

Hierbei erhitzt man das Salzwasser einfach so lange, bis das komplette Wasser verdampft ist und nur die Salzkristalle noch übrig sind. Das funktioniert, weil das Wasser viel früher seinen Siedepunkt erreicht und somit gasförmig wird als das Salz. Dieses Verfahren wird z. B. in den großen Salinen am Mittelmeer angewandt. Hier wird das Salzwasser allerdings nicht erhitzt sondern einfach so lange der Sonne ausgesetzt, bis das Wasser "von alleine" verdampft ist und das Salz zurück lässt.

Schon etwas schwieriger: Trennen von zwei Flüssigkeiten

Wie ihr euch sicher vorstellen könnt, ist es schon ziemlich schwierig, zwei vermischte Flüssigkeiten wieder voneinander zu trennen. Aber auch das ist natürlich möglich. Dafür nutzt man die Destillation .

Dazu braucht man eine ganz bestimmte Apparatur (siehe nummerierte Abbildung an der Seite). Diese besteht aus einem Kolben (2) , in den man das Flüssigkeitsgemisch (3) einfüllt. Er wird von einem Heizkörper (1) erhitzt. Dabei erwärmt sich natürlich auch das Flüssigkeitsgemisch langsam und die Flüssigkeit, die den geringeren Siedepunkt hat (die also schneller gasförmig wird), steigt als erste als Dampf nach oben. Am Kolben ist oben ein Kühler (4) angeschlossen, der im Prinzip aus zwei ineinander geschobenen Rohren besteht. Durch das äußere Rohr fließt ständig kaltes Wasser (6) , das dafür sorgt, dass der aus dem Kolben aufsteigende Dampf im inneren Rohr wieder abkühlt und kondensiert. Die dabei entstehende Flüssigkeit wird in einem zweiten Kolben (5) aufgefangen. Sie sollte nun optimalerweise ausschließlich aus dem Stoff bestehen, der im ersten Kolben zuerst verdampft ist. Damit hat man also das Flüssigkeitsgemisch wieder voneinander getrennt, da die zweite Flüssigkeit sich immer noch im ersten Kolben befindet.

Die Trennung klappt meistens jedoch nicht direkt beim ersten Versuch perfekt, weil immer auch gleich etwas von der Flüssigkeit mit dem höheren Siedepunkt mit verdampft. Deshalb muss man häufig mehrere Destillationen hintereinander durchführen.

Anwendungen der Destillation sind z. B. die Reinigung von Erdöl in einer Raffinerie oder auch die Herstellung von Schnaps.

Sehr vielseitig: Die Chromatographie
Eins der wohl am weitesten verbreiteten Trennverfahren ist die Chromatographie, die es in vielen unterschiedlichen Varianten gibt. Sie wird u. a. in der Chemie, Biotechnologie oder Lebensmittelchemie gerne zur Analyse von Stoffgemischen eingesetzt, um zu sehen, welche einzelnen Substanzen darin enthalten sind.

Das Prinzip der Chromatographie kann man gut mit einer Bootsfahrt mit mehreren Booten auf einem Fluss vergleichen. Alle Boote starten gleichzeitig an der selben Stelle. Im Laufe der Zeit legen sie immer mal wieder am Ufer an, die einen häufiger, die anderen seltener. Nach einer gewissen Zeit sind die Boote auf dem Fluss weit auseinander gezogen.

Genauso funktioniert auch die Chromatographie. Hierbei werden Substanzgemische (also die verschiedenen Boote) in einer mobilen Phase (also dem Wasser) auf einer stationären Phase (dem Flussbett) weiter befördert. Da die Teilchen der verschiedenen Substanzen in dem Gemisch unterschiedlich stark mit der mobilen und stationären Phase wechselwirken (d. h. sie legen häufiger oder seltener an), kommen sie verschieden schnell voran und trennen sich so nach und nach immer besser auf.

Je nachdem, welche Gemische man trennen will, verwendet man andere mobile und stationäre Phasen. So gibt es als stationäre Phasen u. a. Papier, Silikat, Cellulose, Kieselgel, Membranen oder auch verschiedene Flüssigkeiten. Als mobile Phasen kommen z. B. Hexan, Benzol, Chloroform, Aceton, Stickstoff, Helium oder auch Wasser zum Einsatz. Mit geeigneten Mitteln können sogar Gase voneinander getrennt und anschließend analysiert werden.

Ihr wollt sehen, aus welchen Bestandteilen sich die Farbe eines Stiftes wirklich zusammensetzt? Die Anleitung dazu findet ihr in der Aufgabenstellung zur zweiten Runde des DECHEMAX-Wettbewerbs des Jahres 2008/2009.