Chromatographie Versuche

Chromatographie

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Einfache Chromatographie – Versuche

Versuch 1: Tafelkreide

Materialien:

Kleine Petrischalen oder Marmeladengläser, Tropfpipette, Tafelkreide (möglichst getrocknet), Petersilie oder andere frische grüne Blätter, Faserstifte (nicht permanent, braun und schwarz), Brennspiritus oder Ethanol, Reinigungsbenzin oder Petrolether, Reibschale mit Pistill, Quarzsand

Blattfarbstoffe:

Aus den Blättern wird durch Verreiben mit Sand und wenigen Millilitern Ethanol (Brennspiritus) ein intensiv dunkelgrün gefärbter Extrakt der Blattfarbstoffe hergestellt. Nach Absetzen des Sandes dekantiert oder pipettiert man die überstehende Lösung in eine Petrischale. Die Kreide wird senkrecht in den Extrakt gestellt und man lässt die Lösung etwa 1 cm hoch steigen. Dann wird das Kreidestück in eine Petrischale (Marmeladenglas) gestellt, die etwa 5 mm hoch mit Petrolether (Reinigunsbenzin) gefüllt ist. Wenn das Fliessmittel etwa 5 cm hoch gestiegen ist, wird die Kreide dem Gefäss entnommen. Man kann deutlich eine gelbe (Carotine) und eine grüne (Chlorophyll) Farbzone unterscheiden.

Filzschreiberfarben:

Das Kreidestück wird in etwa 1 cm Höhe ringsherum mit einem deutlich sichtbaren Strich markiert und anschliessend in ein Gefäss mit reinem Ethanol (Brennspiritus), reinem Wasser oder einem Gemisch von beiden gestellt. Unterschiedliche Mischungsverhältnisse sollten ausprobiert und deren Auswirkung auf die Farbauftrennung beobachtet werden. Alternativ kann man auch eine schwarze Tinte wie im Teil a) beschrieben etwa 1 cm in die Kreide aufsteigen lassen und die entsprechenden Versuche durchführen.

Versuch 2.: Das Spiel mit Farben - „Runge“-Bilder

Materialien:

Rundfilter (9cm Durchmesser) oder Chromatographiepapier (10 x 10 cm), Marmeladengläser oder Petrischalen, Tropffläschchen (z.B. leere Augentropfenflaschen) oder Tropfpipetten, Wasser, Brennspiritus oder Ethanol, Kochsalzlösung (durch Auflösen einer Spatelspitze Kochsalz in ca. 10 ml Wasser herstellen), Fön, farbige Tinten, Lebensmittelfarben (z.B. von den Firmen McCormick oder Brauns Heitmann, in Drogerien erhältlich)

Durchführung:

Das Papier wird auf ein offenes Marmeladenglas oder eine Petrischale gelegt. Damit das Papier etwas hohl liegt wird es in der Mitte leicht eingedrückt. Man gibt einen Tropfen Lebensmittelfarbe (z.B. Grün) auf die Mitte des Papiers und wartet, bis sich die Farbe ausgebreitet hat. Es bildet sich ein etwa 2cm großer Farbklecks. Mit einer Tropfpipette gibt man anschließend einzeln nacheinander fünf Tropfen Wasser auf diesen Klecks. Nach jeder Zugabe muß gewartet werden, bis alles Wasser vom Papier aufgesogen ist. Der Farbstoff breitet sich auf Grund der Kapillarkraft weiter aus, wobei sich Farbabstufungen von der Mitte zum Rand hin ergeben.

In einem weiteren Versuch verwendet man statt des Wassers eine Kochsalzlösung. Der Unterschied in den Bildern zeigt sich in den Farbverästelungen und vor allem in der äußersten Randzone, die nicht mehr glatt sondern stark zerklüftet erscheint. Außerdem ist bei der „Entwicklung“ des Bildes mit der Kochsalzlösung zu erkennen, daß eine farblose wäßrige Front dem Farbstoff vorauswandert. Im Fall der Verwendung von Wasser wandert der Farbstoff dagegen mit der Front.
Weitere Spielmöglichkeiten ergeben sich zwanglos durch den Einsatz der unterschiedlichen Lebensmittel– und Tintenfarben. Dabei kann eine gewisse Systematik schon vom Spiel zu einem gezielten (wissenschaftlichen) Experiment hinführen, z.B.:

1. Bild: mit 6 Tropfen Kochsalzlösung
2. Bild: erst 5 Tropfen Salzlösung, dann 1 Tropfen Wasser
3. Bild: 4 Tropfen Kochsalzlösung, 2 Tropfen Wasser u.s.w. ......bis

7. Bild: 6 Tropfen Wasser

Weitere Variationsmöglichkeiten bestehen durch:
· Verringerung der Tropfengröße des Farbstoffes
· Auftropfen von anderen Farben als der Ausgangsfarbe während der Entwicklung
· Ausprobieren anderer wäßriger Lösungen (Zucker, Natron, Essig....)
· die Verwendung von Filterpapieren, die durch Eintauchen in 3%ige Metallsalzlösungen (z.B. Kupfer(II)-sulfat, Eisen(III)-nitrat) und anschließendem Trocknen imprägniert wurden
· Behinderung des Stofftransportes durch gezielte Einschnitte im Papier
· Versuche mit Faserstiften (nicht permanent). Hierbei sollten unterschiedliche Mischungen wäßriger Alkohollösungen zur Entwicklung benutzt werden.

Beispiele für verschiedene Runge-Bilder:

Die zuletzt angeführte Variationsmöglichkeit läßt sich ohne weiteres zu einem echten chromatographischen Experiment erweitern (Papierchromatographie nach der „Rundfiltermethode“). Dazu wird das Filterpapier mit einem spitzen Gegenstand in der Mitte durchbohrt, so daß ein etwa 2 –3-mm großes Loch entsteht. Um dieses Loch herum wird das Papier mit einem schwarzen oder andersfarbigen Filzstift kreisförmig eingefärbt. Ein ca. 2x10 cm großer Filterpapierstreifen wird zu einem Docht gerollt und in das Loch des Rundfilters geschoben. Der Filter mit dem Docht wird so auf den umgedrehten Deckel eines Einmachglases (Petrischale) gelegt, daß der Docht deutlich in das vorher eingefüllte „Laufmittel“ ragt. Als solches dienen wieder unterschiedliche Mischungen von Wasser und Brennspiritus (Ethanol).

Beispiele für die Rundfiltermethode:

Versuch 3: Dünnschichtchromatographische Auftrennung von synthetischen Farbstoffen

Materialien:

DC – Fertigplatten Kieselgel 60, Trennkammer (Einmachglas mit Deckel), Mikrokapillaren, Tinten, Kugelschreiber – Minen, Becherglas (klein), stabile Schere

Laufmittel: gut geeignet sind wassergesättigtes Butanol oder Butanol/Eisessig/Wasser (8:1:1)

Durchführung:

Kugelschreiber – Minen müssen mit geeignetem Werkzeug (z.B. Schere) zerkleinert werden. Die Stücke werden in ein kleines Becherglas gegeben und die Farbstoffe mit wenig Ethanol herausgelöst. Auch die Tinten werden im Verhältnis 1:1 mit Ethanol verdünnt. Mittels Kapillaren werden die Farbstoff – Lösungen im Abstand von ca. 1 cm vom unteren Rand einer DC-Platte (Startlinie vorher mit dünnem Bleistiftstrich markieren) punkt- oder strichförmig aufgetragen. Der Auftrag von Filzschreiberfarben kann direkt mit dem Stift erfolgen. Die Auftragepunkte (-striche) sollen möglichst klein (schmal) sein. Die Laufstrecke sollte mindestens etwa 5-6 cm betragen. Das Ergebnis der Auftrennung könnte dann so aussehen:

verschiedene Kugelschreibermienen

verschiedene Filzschreiber Bildquelle: Schwedt, Georg; Farbstoffen auf der Spur, kosmos Experimentierbuch

Versuch 4: Isolierung und dünnschichtchromatographische Trennung von Lebensmittelfarben in Zuckerwaren (Smarties, Gummibärchen)

Vorbemerkung: Dieser Versuch erfordert einigen Aufwand und setzt etwas experimentelle Erfahrung mit DC voraus. Der höhere Aufwand erklärt sich daraus, daß die interessierenden Farbstoffe erst von der Probenmatrix isoliert, gereinigt und in eine chromatographiefähige Phase gebracht werden müssen.

a) Isolierung und Reinigung der Farbstoffe

Materialien:

Smarties oder Gummibärchen, Bechergläser (100 ml), dest. Wasser, Pinzette, Essigsäure (c = 2 mol/l), mit Petrolether entfettete farblose Schafwolle, Ammoniaklösung (5%ig), Heizplatte

Durchführung:

6 – 10 gleichgefärbte Dragees bzw. Gummibärchen werden mit wenig heißem dest. Wasser in einem Becherglas überschichtet, die Farbstoffe unter Schwenken gelöst und die entfärbten Reste sofort entfernt. In die Lösung werden 2 ml Essigsäure und ein entfetteter Wollfaden gegeben, anschließend wird auf einer Heizplatte kurz zum Sieden erhitzt, bis der Wollfaden kräftig gefärbt ist. Der Wollfaden wird unter fließendem Wasser gründlich gewaschen und in einem Becherglas mit etwa 5 ml Ammoniaklösung erneut zum Sieden gebracht, bis sich dder größte Teil des Farbstoffes vom Faden gelöst hat. Die Fäden werden entfernt und die farbigen Lösungen auf jeweils etwa 0,5 ml eingeengt.

b) Dünnschichtchromatographische Trennung

Geräte und Chemikalien:

Farbstofflösungen aus Versuchsteil a), Lebensmittelfarben (Drogerie) zum Vergleich, Kapillaren zum Auftragen, DC – Trennkammer (oder Einmachglas mit Deckel), DC – Cellulose - Folien, Fließmittelgemisch: n – Propanol/Essigsäureethylester/Wasser (6 : 3 : 1)

Durchführung:

Je nach verwendetem Chromatographiegefäß wird die DC – Folie passend zurecht geschnitten und in der üblichen Weise vorsichtig und ohne die Schicht zu verletzen mit Bleistift die Startlinie in etwa 1,5 cm Abstand vom unteren Rand gezogen. Im Abstand von 1cm werden dann die Startpunkte entsprechend der Zahl der vorhandenen Farbstofflösungen markiert. Die Untersuchungs- und Vergleichslösungen werden mit Kapillaren punktförmig aufgetragen. Die Substanzflecken sollen möglichst klein und deutlich sichtbar gefärbt sein. Nach dem Trocknen der Startflecken wird die Folie in das Trenngefäß mit dem angegebenen Laufmittel gestellt, und dieses wieder verschlossen. Nach einer Laufstrecke von etwa 8 – 10 cm kann die DC – Folie entnommen und getrocknet werden. Das Ergebnis könnte so aussehen:

Die Trennung kann auch papierchromatographisch erfolgen. Als Laufmittel ist eine Lösung von 1 g Tri – Natriumcitrat x 2 H2O in 50 ml Ammoniaklösung (5%ig) geeignet. Die Farbstoffflecken auf dem entwickelten Chromatogramm sind allerdings nicht so scharf abgegrenzt wie bei der Verwendung von Cellulose – Schichten.

Versuch 5: Säulenchromatographie

Materialien:

Chromatographiesäule, Glaswolle, Aluminiumoxid (bei 110° C getrocknet), Ethanol (96%ig), Essigsäure, Farbmischung aus gleichen Anteilen ethanolischer Lösungen (1%ig) von Methylrot und Methylenblau, Bechergläser, Tropfpipette, Glastrichter, Laufmittelgemisch (196 ml Ethanol + 4 ml Essigsäure)

Durchführung:

Das Chromatographierohr wird am unteren Ende mit etwas Glaswolle verstopft und etwa zur Hälfte mit dem angegebenen Laufmittelgemisch gefüllt. In einem Becherglas wird getrocknetes Aluminiumoxid mit dem gleichen Lösungsmittelgemisch aufgeschlämmt und durch einen kleinen Glastrichter vorsichtig in die Säule gefüllt. Die Füllung sollte möglichst blasenfrei erfolgen, leichtes Klopfen an die Säule während des Füllvorgangs erweist sich oft als hilfreich. Überschüssiges Lösungsmittelgemisch läßt man durch Öffnen des Hahnes ablaufen, bis der Meniskus kurz oberhalb des Aluminiumoxids steht. Man gibt nun etwa 2 ml des Farbstoffgemisches mit einer Trofpipette vorsichtig auf den Säulenkopf und öffnet den Absperrhahn ganz leicht. Wenn die Farbstofflösung gerade im Aluminiumoxid verschwunden ist, wird vorsichtig aus einem über dem Rohr angebrachten Trotrichter oder mit Hilfe einer Tropfpipette weiteres Laufmittel zugegeben. Es ist darauf zu achten,daß während der gesamten Versuchszeit die Säulenfüllung mit dem Laufmittel bedeckt ist! Bereits nach kurzer Zeit sind die beiden Farbstoffe voneinander getrennt und können beim Verlassen der Säule aufgefangen werden.

Versuch 6: Demonstration des Prinzips der Gaschromatographie (GC)

Materialien:

Glasrohr (d = 8 – 10 mm), Gasflasche mit Wasserstoff, Glaswolle, 2 Waschflaschen, Schwefelsäure, Aluminiumoxid, Kupferdraht, Spritze mit Metallnadel (1 ml, in Apotheken erhältlich), Gummischlauch, Testgemisch aus gleichen Teilen Pentan, Dichlorethan und Toluol

Durchführung:

Ein ca. 1 m langes Stück Glasrohr wird mit getrocknetem Aluminiumoxid gefüllt, die Füllung zwischen zwei Glaswollestopfen fixiert (Trennsäule mit stationärer Phase). Die das Trägergas Wasserstoff enthaltende Gasflasche wird mit Schlauchstücken über zwei Waschflaschen mit der Säule verbunden. Die Waschflasche hinter der Gasflasche wird als Sicherheitsflasche geschaltet, die zweite vor der Säule dient als Blasenzähler und wird mit angefärbter Schwefelsäure versehen. Am Säulenende wird ein rechtwinklig gebogenes und zu einer Spitze ausgezogenes Glasrohr mittels Schlauch angebracht. Über der Spitze wird ein spiralförmig gebogenes Stück Kupferdraht befestigt. Durch vorsichtiges Öffnen des Ventils an der Gasflasche wird ein mäßiger Gasstrom einreguliert. Wenn alle Luft aus dem System durch den Wasserstoff verdrängt ist (Knallgasprobe!), wird dieser an der Glasspitze entzündet. Die Wasserstoffflamme soll deutlich sichtbar sein (ca. 5 – 8 mm hoch) und dient mit dem in sie hineinragenden Kupferdraht als Detektor. Nun wird mit einer kleinen Spritze eine geringe Menge (0,1 –0,2 ml) des angegebenen Testgemisches durch den vor der Säule angebrachten Schlauch eingespritzt (Dosiersystem). Das getrennte Austreten der einzelnen Komponenten des Gemisches am Ende der Trennsäule wird durch die Veränderungen der Wasserstoffflamme deutlich angezeigt.

Anmerkung: Außer Aluminiumoxid sind auch andere Feststoffe als stationäre Phase geeignet. So läßt sich z.B. auch pulverförmiges Waschpulver mit Erfolg als Sorptionsmittel einsetzen.