3. Trennen und Reinigen Trennen und Reinigen gehören mit zu den wichtigen und häufig durchzuführenden Arbeitsoperationen in den verschiedenen Bereichen der Chemie. - In der präparativen Chemie z. B. müssen die hergestellten Verbindungen von den Ausgangs- und Nebenprodukten abgetrennt werden. - In der analytischen Chemie werden Trennungs- und Reinigungsverfahren sowohl für qualitative als auch für quantitative Analysen 29) eingesetzt: -- Bei der qualitativen Analyse benötigt man sie, um die unterschiedlichen analytischen Gruppen (z. B. H 2S-Gruppe) voneinander zu trennen (Trennungsgang) und die Elemente zu isolieren, um diese dann getrennt nachzuweisen. -- In der quantitativen Analyse dienen die Trennverfahren zur Isolation von Verbindungen und Elementen aus einer Substanz, um anschließend die Gehaltszusammensetzung zu bestimmen. Dieses letzt genannte Anwendungsgebiet erfordert sehr saubere Trennmethoden, da die Stoffe quantitativ, d. h. ohne Verlust getrennt werden müssen. Die verschiedenen Trennverfahren beruhen darauf, dass man entweder verschiedene physikalische Eigenschaften (z. B. Differenz der Siedepunkte, Dichten, unterschiedliche Löslichkeiten und Kristallisation) oder das unterschiedliche chemische Reaktionsverhalten der zu trennenden Stoffe ausnützt. Da die Wahl des geeigneten Trennverfahrens sich auch nach der Zustandsform des Gemisches richtet, ist die nachfolgende Darstellung der einzelnen Operationen zum Trennen nach dem Aggregatzustand der zu trennenden Stoffe gegliedert. Um bei den einzelnen Systemen die verschiedenen Möglichkeiten aufzuzeigen, sind hierbei auch einige Verfahren erwähnt, die im Praktikum nicht benutzt werden. 3.1 Das System fest fest Die wichtigsten Methoden zur Trennung eines Gemisches mit diesen Aggregatzuständen sind: 3.1.1. Auflösen Das Auflösen beruht darauf, dass zwei Stoffe eines Feststoffgemisches unterschiedliche Löslichkeit in einem Lösungsmittel aufweisen. So löst sich z. B. Natriumsulfat in Wasser, während Bariumsulfat darin schwerlöslich ist. Ein Bleichlorid-Silberchlorid-Gemisch lässt sich trennen, indem man es mit heißem Wasser übergießt, Bleichlorid geht in Lösung. Das Ungelöste kann dann vom Gelösten abfiltriert werden. 3.1.2. Sublimieren Das Sublimieren ist anwendbar bei Feststoffgemischen, von denen ein Stoff schon weit unterhalb seines Siedepunktes in den Dampfzustand übergeht und sich beim Abkühlen sofort unter Umgehung der flüssigen Phase wieder in fester Form niederschlägt, während der andere Stoff fest bleibt. Mit dieser Methode lässt sich z. B. Iod reinigen. Abb. 3.1. zeigt eine mögliche Anordnung für die Sublimation. Weitergehende Informationen finden Sie in Brauer, a.a.o. Abb. 3.1. 3.1.3. (Um)kristallisieren Falls die zu reinigende Substanz und die Verunreinigung(en) unter verschiedenen Bedingungen kristallisieren, kann die Trennung auch durch Auskristallisieren erfolgen. Dazu stellt man zunächst eine gesättigte Lösung der zu trennenden Stoffe (meistens in der Hitze) her und lässt dann durch Temperaturerniedrigung (bei Salzen, deren Löslichkeit mit steigender Temperatur zunimmt) oder durch Eindampfen (bei Salzen, deren Löslichkeit temperaturunabhängig ist) den Reinstoff auskristallisieren. Häufig ist die Trennung der Substanzen bzw. Reinigung beim ersten Mal nicht vollständig, da die Kristalle Fremdionen einschließen. Man wiederholt den Vorgang dann einige Male. Nähere Angaben zur Durchführung (Kühlen, Eindampfen usw.) finden Sie in Jander-Blasius, a.a.o., Anorganikum, a.a.o oder Organikum, a.a.o. 29) Daher finden Sie die Trenn- und Reinigungsmethoden in der Literatur meist in Lehrbüchern der quantitativen und qualitativen Analyse.
3.1.4. Sieben Das Sieben wird zur Trennung von Feststoffgemischen mit unterschiedlicher Teilchengröße eingesetzt. 3.1.5. Windsichten Spezifisch leichtere Stoffe werden mit Hilfe eins Luftstroms aus einem Gemisch abgetrennt. 3.1.6. Flotation Dieses Schwämmverfahren beruht auf der unterschiedlichen Benetzbarkeit von Substanzen. Es wird z. B. zur Anreicherung von Erzen oder Mineralien benutzt. 3.1.7. Schlämmen Dieses Verfahren nutzt die unterschiedliche Absetzgeschwindigkeit von Substanzen aus, die auf verschiedene Dichten bzw. Teilchengrößen beruht (z. B. Goldwaschen). 3.1.8. Magnetscheiden Das Magnetscheiden wird zur Trennung zweier oder mehrerer Feststoffe mit unterschiedlichem magnetischen Verhalten verwendet (z. B. Trennung von Eisen und Gangart). Die unter 3.1.4. bis 3.1.8. aufgeführten Verfahren werden sehr häufig in der Industrie und Technik benutzt. Nähere Ausführungen dazu finden Sie unter den entsprechenden Stichworten in Ullmann, a.a.o. 3.2 Das System fest flüssig 3.2.1. Filtrieren Beim Filtrieren wird der Feststoff aufgrund seiner Teilchengröße durch ein Filter zurückgehalten (Rückstand), während die klare Lösung (Filtrat) durchläuft. Das Filtrieren ist daher nur möglich, wenn der Niederschlag nicht kolloiddispers ist. Für die unterschiedlichen Teilchengrößen wurde spezielles Filtrierpapier entwickelt, auch bei den Filtriergeräten gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Wahl der geeigneten Filtrieranordnung sowie die des Filtrierpapiers ist abhängig von - dem Zustand des Niederschlages (z. B. Teilchengröße des Niederschlages) - der Art des Filtrates (z. B. aggressive Lösungen) - der Frage, welches von beiden weiterverarbeitet werden soll - dem Zweck der Weiterverarbeitung (quantitative oder qualitative Analyse). 3.2.1.1. Filtration mit Glastrichter und Filtrierpapier Die Glastrichter Der einfache Glastrichter mit glatter Wandung und kurzem Stiel filtriert bei Verwendung von normalem Filtrierpapier nur äußerst langsam (zur schnelleren Filtration wird er sehr häufig im Zusammenhang mit Faltenfiltrierpapier verwandt). Wesentlich schneller filtrieren die so genannten Schnelllauftrichter. Die größere Durchlaufgeschwindigkeit beruht darauf, dass diese Trichter rillenförmige Aussparungen an der Trichterwand aufweisen, in denen der hydrostatische Unterdruck der ausströmenden Flüssigkeit, bedingt durch das lange Trichterrohe, sich fortsetzen und wirksam werden kann. Die verschiedenen Filtrierpapierarten Je nach dem Verwendungszweck gibt es verschiedene Filtrierpapierarten, die sich durch Form, Porenweite und Material unterscheiden 30). Für die meisten Filtrationen verwendet man in Verbindung mit dem Schnelllauftrichter das glatte Rundfiltrierpapier. Für große Flüssigkeitsvolumina (z. B. zur Entfernung von Trübungen) wird Faltenfiltrierpapier, das aufgrund seiner größeren Oberfläche einen schnellen Durchfluss ermöglicht, zusammen mit dem einfachen, größeren Glastrichter eingesetzt. Entsprechend der Filtrationszeit sind folgende Typenbezeichnungen gebräuchlich: Typen (nach Fa. Schleicher und Schüll) Filtrationszeit (s) 31) - Schwarzband - Weißband - Blauband 50 140 1500 Schwarzbandfiltrierpapier fühlt sich weich und rau an, und ist nur für grobe Niederschläge zu verwenden. Mit abnehmender Porenweite wird das Papier härter, filtriert langsamer und ist für feinkörnigere Niederschläge einzusetzen. Eine besondere Bedeutung hat das Material des in der gravimetrischen Analyse benutzten Filtrierpapiers. Dieses hat gegenüber den einfachen Papierarten den Vorteil, dass es beim Glühen von Substanzen rückstandslos verascht werden 30) siehe z. B. Labor-Verbrauchsmaterialkatalog, a.a.o. unter Filtrierpapiere 31) Diese Filtrationszeiten entsprechen einer Porenweite von ca. 4 mm (Schwarzband) bis 0,5 mm (Blauband).
kann. Die Durchführung des Veraschens ist z. B. beschrieben in Lux, a.a.o. oder Anorganikum, a.a.o., Kap. 40.3.1. Die Wahl des geeigneten Filtrierpapiers Bei der Wahl des Filtrierpapiers ist folgendes zu berücksichtigen: - Die Korngröße des Niederschlages Je nach der Korngröße des Niederschlages verwendet man Filtrierpapier unterschiedlicher Porenweite. Für grobe Niederschläge, z. B. Metallhydroxide und -sulfide, genügt Schwarzbandpapier. Blaubandpapier dient z. B. zum Filtrieren von Bleisulfat oder Bariumsulfat. - Die Art des Filtrates Stark saure oder alkalische Lösungen greifen normales Filtrierpapier an. Falls dieses sich für die Reaktion störend auswirkt, benutzt man gehärtetes Filtrierpapier. Bei stark sauren Lösungen können aber auch Glas- und Porzellanfritten eingesetzt werden. ( siehe hierzu Kap. 3.2.1.2.) - Der Zweck der Filtration Soll der Rückstand weiter verarbeitet werden, so scheiden Faltenfiltrierpapiere aus, da dieser nur schwer aus den Falten zu entfernen ist. Da ein vollständiges Trennen von Niederschlag und Filtrierpapier, wie es in der quantitativen Analyse notwendig ist, nicht möglich ist, wird das Filtrierpapier vor dem Wägen verascht. Zum Zweck der Veraschung ist nur solches Filtrierpapier zu verwenden, das ohne Rückstände verbrennt. Da hierbei Kohlenstoff gebildet wird, muss man bei reduktionsempfindlichen Substanzen auf Filtertiegel zurückgreifen ( siehe hierzu Kap. 3.2.1.2.). Einlegen des Filtrierpapiers Das Einlegen des Filtrierpapiers (Abb. 3.2. a d) sollte äußerst sorgfältig erfolgen, da man dadurch die Filtration beschleunigen kann. Genaue Angaben dazu finden Sie im Jander-Blasius, Anorganikum oder Lux (a u. b.), a.a.o. Abb. 3.2. Durchführung der Filtration Die Angaben zur Durchführung sollen sich hier lediglich auf Abb. 3.3. beschränken. Details zur Durchführung sind in Jander-Blasius, Anorganikum,Lux (a u. b) oder Organikum, a.a.o. aufgeführt. Die Filtration feindisperser Teilchen und die Beseitigung der dabei auftretenden Schwierigkeiten sind im Organikum, a.a.o. oder Jander- Blasius, a.a.o. beschrieben. Abb. 3.3. Soll der Rückstand weiterverarbeitet werden, so entfernt man ihn am Besten durch Abklatschen aus dem Filter 32). Hierzu faltet man das Filtrierpapier auseinander und legt es mit dem Niederschlag nach unten in einen Porzellanschale. Nachdem man durch Betupfen die überschüssige Feuchtigkeit abgenommen hat, rollt man das Papier vom Niederschlag ab. Muss der Niederschlag wieder aufgelöst werden, so durchstößt man das Filtrierpapier mit einem Glasstab (während es noch im Trichter ist) und spült den Niederschlag in das untergestellte Gefäß. 3.2.1.2. Das Filtrieren mit Unterdruck Das Filtrieren kann durch Anlegen eines Unterdruckes wesentlich beschleunigt werden. Anstelle des Glastrichters verwendet man hierzu sog. Büchner-Trichter (auch Nutschen genannt) aus Porzellan oder Glas mit einer Siebplatte, die mit einem gleichgroßen Filtrierpapier bedeckt wird. Diese Nutsche wird mittels einer dicht schließenden Gummimanschette auf eine Saugflasche gesetzt, die mit einer Wasserstrahlpumpe evakuiert wird. (Zwischen Saugflasche und Wasserstrahlpumpe ist eine leere Sicherheitswaschflasche zu schalten.) Angaben zur Durchführung der Filtration mit Unterdruck siehe Lux (a), a.a.o. oder Anorganikum, a.a.o., Kap. 48.3.4. Abb. 3.4. Verwendung von Filtertiegeln 32) Dies gilt nur für qualitative Experimente, bei quantitativen muss der Filter verascht werden.
Anstelle einer Nutsche können bei Vakuumfiltrationen Filtertiegel, auch Fritten genannt, verwendet werden. Sie haben, da im Boden flüssigkeitsdurchlässige Fritten (Sintermasse) eingeschmolzen sind, den Vorteil, dass auf Filtrierpapier verzichtet werden kann. Fritten werden überall dort eingesetzt, wo Filtrierpapier nicht geeignet ist, wie z. B. bei stark sauren oder alkalischen Lösungen. Häufig werden Filtertiegel auch für die gravimetrische Analyse benutzt, wenn ein Veraschen des Filtrierpapiers unmöglich ist (z. B., wenn sich die zu bestimmende Substanz bei der Veraschungstemperatur zersetzt oder wenn sie durch den sich bildenden Kohlenstoff reduziert wird).die Filtertiegel bestehen aus Glas oder Porzellan. Glasfiltertiegel sind bis maximal 250 C einsetzbar, Porzellanfiltertiegel bis über 1000 C. Letztere dürfen allerdings nicht bei starken Basen verwendet werden. Auch bei Filtertiegeln unterscheidet man Fritten mit unterschiedlicher Porenweite: Glasfiltertiegel Porzellanfiltertiegel Typ Porenweite (µm) Typ Porenweite (µm) OG 0 200 150 1G 1 150 90 2G 2 90 40 3G 3 40 15 4G 4 15 13 5G 5 3 1 3.2.2. Dekantieren Voraussetzung für das Dekantieren ist, dass sich ein besonders schwerlöslicher Niederschlag bildet, der sich gut und schnell absetzt. Es wird vor allem als Vorstufe zur Filtration eingesetzt, um diese zu beschleunigen. Dabei gießt man zunächst die klare Flüssigkeit durch das Filtrierpapier. Die genaue Durchführung ist im Jander-Blasius oder Anorganikum, a.a.o., beschrieben. 3.2.3. Zentrifugieren Ebenso wie das Dekantieren kann auch das Zentrifugieren als Vorstufe zur Filtration benutzt werden. Es eignet sich allerdings nur für geringe Niederschlagsmengen. Angewandt wird dieses Verfahren besonders bei sehr feinen Niederschlägen, die sich nur sehr schwer absetzen. Zur Durchführung finden Sie Angaben im Jander-Blasius oder Anorganikum, a.a.o. A 3 A 2 A 1 8 7 6 3.2.4. Trocknen Besteht das fest-flüssige Gemisch nur aus einem sehr geringen Anteil an Wasser, so kann die Trennung durch Trocknen erfolgen. Dieses geschieht entweder im Trockenschrank, im Exsikkator oder durch offenes Stehen lassen. Der Trockenvorgang erfolgt dabei umso schneller, je höher der Dampfdruck der Flüssigkeit ist. Handelt es sich bei der abzutrennenden Substanz um Wasser, so kann man z. B. durch Übergießen mit Aceton den Trockenvorgang beschleunigen. Trocknen im Exsikkator Zum Trocknen bei Raumtemperatur benutzt man einen Exsikkator (Abb. 3.5.). Er besteht aus einem Unterteil und einem Deckel, deren Planschiffe mit wenig Fett eingerieben sein müssen. Das Unterteil wird durch die Exsikkatorplatte in zwei Räume getrennt. In den unteren Teil stellt man das Trockenmittel. (Eine Tabelle bzw. Auflistung der gebräuchlichsten Trockenmittel finden Sie im Anorganikum und Jander-Blasius, a.a.o.). Zur Beschleunigung des Trockenvorganges kann der Exsikkator evakuiert werden. Dies erfolgt je nach Bauart entweder über einen seitlichen Ansatz mit Hahn oder über einen Absaugstopfen im Deckel. Vor dem Öffnen muss man den evakuierten Exsikkator zunächst durch vorsichtiges Öffnen des Hahnes belüften (bei zu schnellem Öffnen des Hahnes wird u. U. der Exsikkatorinhalt aufgewirbelt). Abb. 3.5. Trocknen im Trockenschrank Durch die erhöhte Temperatur gegenüber dem Exsikkator wird der Trockenvorgang im Trockenschrank wesentlich verkürzt. Die Verwendung des Trockenschrankes ist durch bestimmte Eigenschaften der zu trocknenden Substanz eingeschränkt (Zersetzung der Substanz bei entsprechender Temperatur; Entzündung leicht brennbarer Substanzen an den heißen Innenwänden; Stoffe, die ätzende Gase oder Dämpfe abgeben, zerstören die Innenauskleidung). 3.2.5. Abdampfen Zur Trennung von fest-flüssigen Gemischen mit etwas größerem Flüssigkeitsanteil kann an auch die Methode des Ab- bzw. Eindampfens wählen. Hierzu wird das Gemisch in eine flache Porzellanschale gegeben, die man auf einen Dreifuß
mit Asbestdrahtnetz stellt und mit dem Brenner vorsichtig erhitzt (sonst starkes Verspritzen). Weitere Angaben dazu sind im Jander-Blasius, a.a.o. gemacht. 3.3 Das System flüssig flüssig Zur Trennung dieses Systems bedient man sich hauptsächlich der Destillation und des Ausschüttelns. Beide Arbeitsoperationen werden fast ausschließlich in der Organischen Chemie benutzt und von daher hier nur kurz erwähnt. Nähere Informationen finden Sie im Organikum, Anorganikum oder Jander-Blasius, a.a.o. 3.3.1. Destillieren Die Destillation ist nur anwendbar, wenn die beiden Flüssigkeiten unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Ist dieses der Fall, so wird die flüchtigere Komponente durch Übergang in die Gasphase beim Erhitzen des Gemisches zunächst ausgetrieben und dann mit Hilfe eines Kühlers wieder zur Kondensation gebracht und in einer Vorlage aufgefangen. 3.3.2. Ausschütteln Bei der Extraktion wird die unterschiedliche Löslichkeit der beiden Flüssigkeiten in einem weiteren Lösungsmittel ausgenutzt. Nach dem Durchmischen lässt man die spezifisch schwerere Phase in einem Scheidetrichter absitzen und lässt anschließend durch den unteren Hahn des Scheidetrichters ab. 3.4 Die Systeme fest gasförmig und flüssig gasförmig Da in dem Kapitel 4. Gase ausführlich über das Trennen und Reinigen von Gasen berichtet wird, bleiben hier nur die Fälle zu besprechen, in denen die Feststoffe bzw. Flüssigkeiten zur Weiterverarbeitung zu gewinnen sind. Dieses wird meist dadurch erreicht, dass das fest - gasförmige bzw. flüssig gasförmige Gemisch erwärmt wird und das Gas sich dadurch verflüchtigt.