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Chromatografie: Gemische trennen und auswerten
Bei der Chromatografie werden die Bestandteile eines Gemisches getrennt, weil sie sich unterschiedlich zwischen einer bewegten und einer unbewegten Phase verteilen. Wer stärker an der unbewegten Phase festgehalten wird, wandert langsamer.
Auf dieser Seite lernst du das Trennprinzip kennen, wertest Chromatogramme aus und vergleichst wichtige Verfahren.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Warum trennt sich ein Gemisch?
Stell dir vor, die Teilchen eines Stoffgemisches könnten abwechselnd mitfahren und anhalten. Genau dieses wiederholte Wechseln ist die Grundlage der Chromatografie.
Mobile Phase
Die mobile Phase bewegt sich durch das System und transportiert die Bestandteile der Probe. Sie kann eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein überkritisches Fluid sein.
Stationäre Phase
Die stationäre Phase bewegt sich nicht. Die Bestandteile der Probe wechselwirken unterschiedlich stark mit ihr.
Ein Teilchen bewegt sich, solange es sich in der mobilen Phase befindet. Wechselt es zur stationären Phase, wird es vorübergehend zurückgehalten. Durch Wärmebewegung und Diffusion findet dieser Wechsel fortlaufend statt.
Starke Wechselwirkung mit der stationären Phase bedeutet langsame Wanderung. Hohe Affinität zur mobilen Phase bedeutet schnelle Wanderung.
Die oft verwendete Flussanalogie zeigt zwar unterschiedliche Transportgeschwindigkeiten. Sie hat aber eine Grenze: Die Stoffe werden nicht durch mechanische Reibung am „Flussbett“ getrennt. Entscheidend sind ihre unterschiedlichen Verteilungen und Wechselwirkungen.
Von einer Molekülart A befinden sich im Mittel 45 % der Teilchen in der mobilen Phase. Ein einzelnes A-Teilchen verbringt deshalb im Mittel ebenfalls 45 % seiner Zeit dort. Seine mittlere Geschwindigkeit beträgt ungefähr 45 % der Geschwindigkeit der mobilen Phase.
Eine Molekülart B, die einen größeren Zeitanteil in der mobilen Phase verbringt, wandert schneller als A.
Wie entsteht ein Chromatogramm?
Eine chromatografische Trennung folgt meist diesem Ablauf:
- Die mobile Phase wird in Bewegung gesetzt, etwa durch Kapillarwirkung, Druck oder elektrische Spannung.
- Das Stoffgemisch wird als Probe aufgetragen oder injiziert.
- Auf der Trennstrecke verteilen sich die Bestandteile wiederholt zwischen mobiler und stationärer Phase.
- Die getrennten Stoffe werden sichtbar gemacht oder mit einem Detektor erfasst.
- Bei einer präparativen Trennung können die austretenden Stoffe getrennt gesammelt werden.
Das Ergebnis heißt Chromatogramm. Bei Papier- oder Dünnschichtchromatografie siehst du getrennte Flecken. Bei Säulenverfahren erscheinen häufig Signale beziehungsweise Peaks in einem Zeit-Signal-Diagramm.
Beispiel: Filzstiftfarbe auf Papier trennen
Du benötigst Filterpapier, einen wasservermalbaren Filzstift, Wasser und ein geeignetes Gefäß.
- Setze nahe dem unteren Papierrand einen kleinen Farbfleck als Startpunkt.
- Stelle das Papier so in wenig Wasser, dass der Farbfleck oberhalb des Wassers bleibt.
- Das Wasser steigt durch Kapillarwirkung im Papier auf.
- Es löst die wasserlöslichen Farbstoffe und transportiert sie nach oben.
- Gut im Wasser lösliche oder schwächer am Papier haftende Bestandteile wandern weiter. Stärker am Papier haftende Bestandteile bleiben näher am Start.
Hier ist das Wasser die mobile Phase und das Papier die stationäre Phase. Mehrere Flecken zeigen, dass die scheinbar einheitliche Stiftfarbe ein Gemisch enthält.
Eine farblose Substanz wäre auf dem Papier nicht unmittelbar zu erkennen. Solche Stoffe müssen beispielsweise durch eine Farbreaktion oder mit einem geeigneten physikalischen Detektor sichtbar gemacht werden.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Bei der Papierchromatografie ist das Papier die Phase. Das aufsteigende Wasser ist die Phase. Stark am Papier haftende Stoffe wandern . Die Bewegung des Wassers im Papier entsteht durch .
Wie wertest du das Ergebnis aus?
Retention
Retention ist die Verzögerung eines Stoffes durch seine Wechselwirkung mit der stationären Phase.
Bei einem Säulenchromatogramm ist die Retentionszeit $t_R$ die Zeit von der Injektion bis zur Detektion oder bis zum Maximum des zugehörigen Peaks. Die Durchflusszeit $t_0$ gibt an, wie lange die mobile Phase oder ein nicht zurückgehaltener Stoff durch die Säule benötigt.
Elution bedeutet, dass Stoffe durch die fortlaufende mobile Phase aus der stationären Phase herausgelöst oder verdrängt werden. Die mobile Phase heißt auch Eluent; die aus einer Säule austretende Lösung heißt Eluat.
Trennung, Nachweis und Bestimmung auseinanderhalten
- Eine Trennung erzeugt verschiedene Flecken, Zonen oder Peaks.
- Ein Nachweis zeigt ein bestimmtes Merkmal oder einen bestimmten Stoff an.
- Eine Identifikation erfordert einen begründeten Vergleich, zum Beispiel mit einer Referenz unter denselben Bedingungen.
- Eine quantitative Bestimmung ermittelt eine Stoffmenge oder Konzentration. Bei instrumentellen Verfahren kann dafür unter geeigneten Bedingungen die Peakfläche genutzt werden.
Gleiche Fleckenlagen oder ähnliche Retentionszeiten sind nur dann sinnvoll vergleichbar, wenn stationäre Phase, mobile Phase und weitere Bedingungen übereinstimmen. Ein einzelner Fleck beweist daher nicht voraussetzungslos die Identität eines Stoffes.
Welche Chromatografieverfahren gibt es?
Die Verfahren lassen sich unter anderem nach der mobilen Phase unterscheiden.
| Verfahren | Mobile Phase | Typische Bauform oder Anwendung |
|---|---|---|
| Flüssigchromatografie (LC) | Flüssigkeit | Papier, Dünnschicht, Säule oder Membran |
| Gaschromatografie (GC) | Gas | Gepackte Säule oder innen beschichtete Kapillarsäule |
| Überkritische Fluidchromatografie (SFC) | Überkritisches Fluid, meist Kohlenstoffdioxid | Säule |
Die Gaschromatografie eignet sich für Gasgemische und verdampfbare Stoffe. Bei der Flüssigchromatografie transportiert ein Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch die Probe.
Auch der Trennmechanismus kann verschieden sein:
- Adsorption: Stoffe haften unterschiedlich stark an einer Oberfläche.
- Verteilung: Stoffe lösen sich unterschiedlich gut in den beiden Phasen.
- Ionenaustausch: Geladene Teilchen werden unterschiedlich stark an einem Ionenaustauscher gebunden.
- Größenausschluss: Kleine Moleküle gelangen in Poren und werden dadurch verzögert; große Moleküle wandern schneller vorbei.
- Affinität: Eine stationäre Phase bindet einen Zielstoff besonders selektiv.
Beim Größenausschluss ist die Reihenfolge gegenüber einem gewöhnlichen Sieb ungewohnt: Große Moleküle erreichen den Ausgang früher, weil sie nicht in die Poren eindringen.
Vertiefung: HPLC und Trennleistung
Die HPLC ist eine leistungsfähige Flüssigchromatografie für komplexe, nichtflüchtige Stoffgemische. Eine Pumpe bewegt die mobile Phase unter hohem Druck durch eine dicht gepackte Säule mit sehr kleinen Partikeln. Der Druck ermöglicht den Fluss durch die enge Packung; er ist nicht allein die Ursache der Trennung.
Bei der Normalphase ist die stationäre Phase polar und die mobile Phase unpolar bis mittelpolar. Bei der Umkehrphase, auch RP genannt, ist die stationäre Phase unpolar und die mobile Phase polar.
Bleibt die Zusammensetzung der mobilen Phase konstant, heißt das isokratische Elution. Wird sie während des Laufs verändert, spricht man von Gradientenelution. Ein Gradient kann dabei helfen, unterschiedlich stark zurückgehaltene Stoffe innerhalb eines Laufs zu eluieren.
Die Trennstufenhöhe $H$ ist ein Maß für die Säulenleistung:
$$H=L/N$$
Dabei ist $L$ die Säulenlänge und $N$ die Zahl der gedachten Trennstufen. Je kleiner $H$ bei gegebener Säulenlänge ist, desto höher ist die Trennleistung.
Eine Säule ist $L=300\,\mathrm{mm}$ lang und besitzt $N=3000$ gedachte Trennstufen.
$$H=300\,\mathrm{mm}/3000=0{,}1\,\mathrm{mm}$$
Die Einheitenprüfung passt: Eine reine Anzahl teilt eine Länge, deshalb bleibt als Einheit Millimeter.
Die Van-Deemter-Gleichung beschreibt, wie die Trennstufenhöhe von der linearen Fließgeschwindigkeit $u_x$ abhängt:
$$H=A+B/u_x+C u_x$$
Der A-Term berücksichtigt unterschiedlich lange Fließwege, der B-Term die Diffusion entlang der Trennstrecke und der C-Term einen verzögerten Stoffaustausch zwischen den Phasen. Deshalb ist weder eine beliebig langsame noch eine beliebig schnelle Strömung optimal.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Chromatografie
- Grundprinzip
- mobile Phase transportiert
- stationäre Phase hält zurück
- Ergebnis
- räumliche Trennung als Flecken
- zeitliche Trennung als Peaks
- Auswertung
- Retention vergleichen
- Referenz und Bedingungen beachten
- Verfahren
- Flüssigchromatografie
- Gaschromatografie
- überkritische Fluidchromatografie
- Grundprinzip
Abschluss-Check
Du kannst Chromatografie nun als Wechselspiel zweier Phasen erklären: Die mobile Phase transportiert, die stationäre Phase hält unterschiedlich stark zurück. Ein Chromatogramm liefert dadurch wertvolle Hinweise – seine Aussage hängt aber immer vom Verfahren, den Bedingungen und einem passenden Vergleich ab.