3. Stoffgemische und Ihre Zerlegung

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1 3. Stoffgemische und Ihre Zerlegung Aus Stoffgemischen lassen sich die einzelnen Bestandteile durch physikalische Trennverfahren isolieren. Wenn ein Stoff mittels physikalischen Methoden nicht weiter zerlegen lässt, spricht man von einem Reinstoff. Reinstoffe sind z.b. Gold, Sauerstoff, destilliertes Wasser, Glas, Zucker. In der Praxis werden Stoffe aus Kostengründen meistens nicht gänzlich von ihren "Verunreinigungen" getrennt. Reinstoffe können aus einem oder mehreren Grundstoffen, den sogenannten Elementen aufgebaut sein. Physikalische Trennverfahren Sieben Durch Sieben lassen sich feste Stoffe unterschiedlicher Korngröße trennen. Man bedient sich hierzu Korb oder Trommelsiebe. Sedimentieren/Dekantieren Schwere Feststoffteilchen in einer Lösung lagern sich am Boden ab. Durch vorsichtiges Abgiessen der Flüssigkeit lässt sich dieser Feststoffanteil aus dem Gemisch entfernen (z.b. Dekantieren von Wein) Dichtesortieren Jeder Stoff hat eine ganz bestimmte Dichte. Wenn ein Gemisch aus Holzspänen und Sand mit Wasser vermischt wird, schwimmen die Holzspäne aufgrund ihrer niedrigeren Dichte (Gesetz von Archimedes) auf der Oberfläche, während der Sand nach unten absinkt. Magnetsortieren Aus einem Gemisch, welches magnetisierbare Teilchen (Eisen) enthält, lässt sich dieser Anteil mit einem Magnet entfernen. Filtrieren Durch Filtration trennt man eine Flüssigkeit von einem unlöslichen Feststoff. Das Gemisch wird in einen Trichter gegossen, der mit Filterpapier oder Glaswolle ausgelegt ist. Die festen Teilchen bleiben auf dem Filter, die klare Flüssigkeit, das Filtrat, fließt aus dem Trichter ab. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.1

2 Abdampfen Durch Abdampfen lassen sich Feststoffe, die sich homogen in einer Flüssigkeit aufgelöst haben (z.b. Salz/Wasser) trennen. Das Abdampfen kann mit oder ohne Wärmezufuhr erfolgen (Kalkrückstände im Kochtopf, Salinen) Extraktion Durch Extraktion kann man mit Hilfe eines geeigneten Lösungsmittels aus einem pulverisierten Feststoffgemisch (oder auch aus einem Flüssigkeitsgemisch) einen Stoff herauslösen. Das Extraktionsmittel darf nur den gewünschten Stoff lösen. Während der Extraktion reichert sich der gesuchte Stoff im Lösungsmittel an. Durch anschließende Destillation kann das Lösungsmittel entfernt werden. Destillation: Durch Destillation können Gemische aus festen und flüssigen Stoffen oder aus mehreren Flüssigkeiten zerlegt werden. Auch die Trennung von Gasgemischen ist auf diese Weise möglich. Sie müssen vorher unter Anwendung von tiefen Temperaturen und hohem Druck verflüssigt werden. In der einfachsten Ausführung sieht eine Destillationsanlage wie folgt aus: Das Stoffgemisch wird mittels eines Bunsenbrenners erhitzt. Der entweichende Dampf wird durch eine Wasserkühlung geführt und kondensiert. Die Flüssigkeit, das Destillat wird in einem zweiten Kolben aufgefangen. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.2

3 Vertiefung: Mit der auf der vorherigen Seite beschriebenen Anlage lassen sich Stoffe nur dann gänzlich trennen, wenn deren Siedepunkte sehr weit auseinander liegen. Dies ist in der Praxis nur selten der Fall. Wenn zwei Flüssigkeiten gemischt werden, beeinflussen diese Flüssigkeiten ihre gegenseitige Siedetemperaturen. Wird zum Beispiel ein Gemisch aus 50 Gew.% Wasser (Siedetemperatur 100 C) und 50 Gew.% Ethylalkohol (Siedetemperatur 78 C) angefertigt, dann wird sich im Gemisch ein Siedepunkt von ca. 90 C einstellen. Bei dieser Temperatur verdampft die Flüssigkeit mit dem tieferen Siedepunkt, also der Alkohol, schneller als die höher siedende Komponente, also das Wasser. Der Dampf enthält also mehr Alkohol als Wasser. In der Grafik sieht dies etwa folgendermassen aus: Wenn der Dampf durch Abkühlen kondensiert und anschliessend aufgefangen wird, enthält die Flüssigkeit (das Destillat) einen höheren Anteil an tiefersiedenden Substanzen, in unserem Beispiel ca. 75 Gew.% Alkohol. Wenn man dieses Gemisch noch weiter trennen möchte, sollte man es ein 2. Mal destillieren. Auch wenn man das 2. Destillat nochmals destilliert, erhält man keine vollständig getrennte Flüssigkeit. Die Konzentration des tiefersiedenden Stoffes wird jedoch ständig grösser. Hieraus wird ersichtlich, dass eine Trennung bis zu einem Reingehalt von 100% praktisch nicht möglich ist. Beispiel: In der Industrie wird häufig Ethylalkohol verwendet. Für industrielle Zwecke ist dieser Alkohol steuerbefreit. Um zu vermeiden, dass industrieller Ethylalkohol für Konsumzwecken gebraucht wird, wurde dieser während langer Zeit mit Methylalkohol (GIFTIG) verunreinigt. Diese zwei Stoffe lassen sich mit vernünftigem Aufwand nicht trennen. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.3

4 In der Praxis wird die Destillation meistens in Destillationstürmen ausgeführt. Statt das Destillat aufzufangen und in einem weiteren Behälter erneut zu destillieren, werden die verschiedenen Destillationsstufen über einander zu einer Säule vereinigt. Ein typisches Beispiel ist die Anlage zur fraktionierten Destillation von Erdöl, welche wir später noch näher kennen lernen werden. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.4

5 Uebungsaufgaben: 1. Was ist ein Reinstoff? 2. Was ist der Unterschied zwischen einer heterogenen und einer homogenen Mischung? 3. Worin unterscheiden sich eine Emulsion und eine Suspension? 4. Was ist ein Aerosol? 5. Nennen Sie 8 Erkennungsmerkmale (wie z.b. Geruch) nach welchen sich verschiedene Stoffe unterscheiden lassen. 6. Geben Sie die Zusammensetzung der Luft. 7. Nennen Sie 6 Verfahren zur physikalischen Trennung von Stoffgemischen und geben sie an, welche Stoffeigenschaft die Trennung ermöglicht. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.5

6 Uebungsaufgaben: Stoffe, Stoffgemische und ihre Trennung 1. Was ist der Unterschied zwischen einem homogenen und einen heterogenen Gemisch? 2. Geben Sie die Zusammensetzung der Luft mit Prozentangaben. 3. Was ist eine Suspension 4. Nennen Sie 5 Methoden zur physikalischen Trennung von Gemischen und sowie die Stoffeigenschaft(en) welche die Trennung ermöglichen. 5. Beschreiben Sie den Unterschied zwischen chemischen und physikalischen Vorgängen. 6. Nimmt die Löslichkeit eines Feststoffes bei steigender Temperatur der Flüssigkeit zu oder ab? 7. Nimmt die Löslichkeit eines Gases bei steigender Temperatur der Flüssigkeit zu oder ab? 8. Welche Siedetemperatur stellt sich ein, wenn Alkohol und Wasser gemischt werden? a. die des Wassers b. die des Alkohols c. eine Mischtemperatur 9. Beschreiben Sie die fraktionierte Destillation von Erdöl. 10. Ergänzen Sie den nachfolgenden Text: Wenn ein Stoffgemisch mit physikalischen Mitteln nicht weiter getrennt werden kann, spricht man von einem (a). Wenn ein Stoff mit chemischen Mitteln nicht weiter getrennt werden kann sprich man von einem (b). Ein (c) Wasser ist aufgebaut aus 2 (d) Wasserstoff und einem (d) Sauerstoff. Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.6

7 Hausaufgaben zum Thema: Stoffe, Gemische und ihre Trennung 1. Erklären Sie den Unterschied zwischen chemischen und physikalischen Vorgängen. 2. Erklären Sie den Unterschied zwischen homogenen und heterogenen Stoffgemischen. 3. Was ist eine Suspension? Geben Sie ein Beispiel. 4. Was ist eine Emulsion? Geben Sie ein Beispiel. 5. Welche zwei Trennverfahren werden bei der Herstellung von Filterkaffee angewandt? 6. Was sind Reinstoffe? Chemie 3: Stoffgemische und ihre Zerlegung Seite 3.7