Tabelle Stoffmischungen verschiedener Aggregatzustände

Transkript

1 13 Stoffe trennen In der Natur kommen die Stoffe selten als Reinsubstanzen vor. Vielmehr bilden sie durch Vermischung homogene oder heterogene Systeme. Substanzen, die man mit physikalischen Trennmethoden wieder in ihre Ausgangsstoffe (Komponenten) trennen kann, nennt man Gemische (Tabelle 13-1). Sie können homogen (einphasig) oder heterogen (mehrphasig) sein: Tabelle Stoffmischungen verschiedener Aggregatzustände System Komponenten Zustand Typ Beispiel fest fest/fest homogen Legierung Glas heterogen Gemenge Gartenerde flüssig/fest homogen Gel Trenngel heterogen Teig Paste flüssig gasförmig gasförmig/fest heterogen Hartschaum Siedestein flüssig/fest homogen Lösung Honig heterogen Suspension Schlamm flüssig/flüssig homogen Lösung Ethanol in Wasser heterogen Emulsion Milch gasförmig/flüssig homogen Lösung Salzsäure heterogen Schaum Sahne fest/gasförmig heterogen Aerosol Rauch flüssig/gasförmig heterogen Aerosol Nebel gasförmig/gasförmig homogen Gasgemisch Luft Bei homogenen Gemischen lassen sich die Bestandteile auch bei mikroskopischer Analyse nicht erkennen. Heterogene Gemische sind dagegen fallweise schon mit dem bloßen Auge als solche erkennbar. Sofern eine Stofftrennung mit physikalischen Methoden nicht möglich ist, spricht man von reinen Stoffen, die grundsätzlich einphasig sind.

2 Stoffe trennen Die schon lange tradierte lateinische Sentenz Corpora non agunt nisi soluta (die Stoffe reagieren nur, wenn sie gelöst sind) gilt streng genommen nur im physiologisch-biochemischen Kontext. Im Labor und in der Natur sind chemische Reaktionen beispielsweise auch zwischen Feststoffen, zwischen Feststoffen und zwischen Gasen untereinander möglich. Zu den Routineaufgaben im Labor gehört es, Stoffe aus Gemengen und/oder Gemischen für analytische oder präparative Zwecke zu entfernen oder in hochreiner Form zu isolieren. Für solche Stofftrennungen sind zahlreiche Verfahren entwickelt worden, von denen dieses Kapitel nur einige Basistechniken auswahlweise vorstellen kann. Einen orientierenden Überblick über die verschiedenen Verfahren bietet die nachfolgende Tabelle 13-2: Tabelle Trennverfahren in Chemie und Biochemie (Auswahl) Ausgangsgemisch optionales Trennverfahren behandelt in gelöste Feststoffe (fraktionierte) Fällung Abschnitt 13.1 Abdampfen / Einengen Abschnitt 13.1 Gel-Filtration Chromatographie Kapitel 15 Elektrophorese Kapitel 15 suspendierte Feststoffe Lösemittelgemische Vakuumdestillation Abschnitt 13.3 Gefriertrocknung Abschnitt 13.1 Kristallisieren Filtration Abschnitt 13.2 Zentrifugation Kapitel 14 (fraktionierte) Destillation Abschnitt 13.3 Ausschütteln Abschnitt 13.4 Ausfrieren

3 13.1 Fällung Fällung Die Fällung, fallweise auch Ausfällung, Ausflockung, Koagulation oder Präzipitation genannt, hat die Überführung eines gelösten Stoffes in eine möglichst schwerlösliche Verbindung zum Ziel: Die Lösung wird dabei mit einer geeigneten Reagenzlösung (Fällungsreagenz) im leichten Überschuss so versetzt, dass eine quantitative Entfernung der zu gewinnenden Substanz aus der Lösung erfolgt. Die ausgefällte Substanz nennt man Niederschlag oder Präzipitat. Fällungsreaktionen gelingen nicht mit allen Stoffen. Sie sind im Allgemeinen möglich mit Ionen, die neben leicht- auch schwerlösliche Verbindungen eingehen. Ein Beispiel ist die Fällung von Sulfat-Ionen SO 2 4 aus einer Lösung von Natriumsulfat Na 2 SO 4 mithilfe von Bariumchlorid BaCl 2 : 2 Na SO 4 + Ba Cl BaSO 4 + [2 NaCl] [Gl. 13-1] Mit dem senkrecht nach unten weisenden Pfeil in Gleichung 13-1 deutet man in Reaktionsgleichungen an, dass die so markierte Verbindung den Niederschlag bzw. das Präzipitat liefert, während die übrigen aufgeführten Komponenten in Lösung bleiben. Für anschließende quantitative Bestimmungen wird der Niederschlag durch Filtration (Abschnitt 13.2) oder Zentrifugation (vgl. Kapitel 14) von der Lösung abgetrennt. Soll aus dieser Lösung das Natriumchlorid NaCl zurückgewonnen werden, führt der Weg nicht über eine erneute Fällung, da im vorliegenden Beispiel schwerlösliche Na-Salze fehlen, sondern wie in allen ähnlichen Fällen über das Abdampfen des Lösemittels Wasser. Auch gelöste Makromoleküle lassen sich durch Fällung anreichern. Proteine bleiben so lange in Lösung, wie ihre geladenen Oberflächen mit den Molekülen des Lösemittels in Wechselwirkung stehen und beispielsweise Hydrathüllen ausbilden können. Unterbindet man diese Wechselwirkung, reagieren die Proteinmoleküle untereinander oder zumindest intramolekular und bilden große, unlösliche Aggregate mit stark veränderter Raumstruktur (Konformation). Zur Proteinfällung kann man daher alle Verfahren einsetzen, welche die Hydrathülle angreifen, beispielsweise anorganische Salze oder bestimmte organische Lösemittel wie Ethanol. In biochemischen Anwendungen werden Enzymproteine aus Rohextrakten meist durch Zugabe von Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4 ausgefällt bzw. ausgesalzen, wobei Menge und Geschwindigkeit der Salzzugabe vom jeweiligen Protein abhängt und eigens ausgetestet werden muss. Nur bei schonender, schrittweise erfolgender (fraktionierter) (NH 4 ) 2 SO 4 -Zugabe wird eine irreversible Denaturierung mit komplettem Funktionsverlust verhindert.

4 Stoffe trennen Eine in der Biochemie häufig eingesetzte Methode zur Entfernung von Salzen oder anderer Komponenten relativ niederer Molekularmassen aus einer Protein-Lösung ist die Dialyse. Dazu wird die Protein-Lösung in einen Dialysierschlauch gefüllt, der in ein großes Volumen einer kalten Puffer-Lösung mit geringer Ionenstärke eintaucht. Das Schlauchmaterial ist semipermeabel (semiselektiv) und lässt nur Moleküle oder Ionen niedriger Molekularmasse, nicht jedoch die Proteinmoleküle passieren. Bei der bereits oben erwähnten Methode des Abdampfens wird das Lösemittel aus einer Lösung entfernt, wobei der gelöste Stoff eventuell in kristalliner (kristallisierter) Form anfällt. Mehrfaches Auflösen und erneutes Rekristallisieren lässt sich auch dann einsetzen, wenn ein bestimmter Stoff in besonders reiner Form gewonnen werden soll. Da die Verdampfung eines Lösemittels zwar durch Temperatur beschleunigt werden kann, aber eine stärkere Erwärmung bei thermolabilen Biomolekülen eventuell schädigend wirkt, bietet sich als Alternative die weitaus schonendere Gefriertrocknung oder Lyophilisation an: Die eingefrorene Lösung wird in kleinen Rundkolben oder anderen geeigneten Glasgefäßen an eine Vakuumpumpe angeschlossen. Unter Vakuumbedingungen geht das gefrorene Wasser aus der Probe durch Sublimation direkt in den gasförmigen Zustand über und wird aus dem Probenraum durch die Pumpe abgeführt. Die Gefriertrocknung biologischer Materialien setzt man auch bei der Probenaufbereitung für die Elektronenmikroskopie ein. Das Gegenteil einer Osmose ist die Umkehrosmose. Hierbei wird das Lösemittel (Solvens, vgl. Kapitel 12.2) durch eine semipermeable (semiselektive) Membran unter stark erhöhtem Druck von seinem gelösten Stoff (Solut) getrennt: Die Lösemittelmoleküle passieren druckabhängig die Membranzwischenräume, während das Solut gleichzeitig aufkonzentriert wird. Die aufzuwendenden Drucke betragen meist das Doppelte des osmotischen Druckes in der Ausgangslösung. Bei der Meerwasserentsalzung arbeitet man gewöhnlich bei bar. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Gewinnung von Reinstwasser für medizinische Zwecke oder die Aufkonzentrierung von Traubenmost bei der Weinbereitung Filtration Bei der Filtration durchläuft ein Stoffgemisch einen Filter, dessen Porengröße im Allgemeinen kleiner ist als die Partikeln, die er zurückhalten soll. Ein häufig verwendetes Filtermaterial beim Filtrieren unter Normaldruck sind Papierfilter. Schwarzbandfilter zeichnen sich durch eine relativ große

5