Stoffe trennen - Buchhandel.de

13Stoffe trennenIn der Natur kommen die Stoffe selten als Reinsubstanzen vor. Vielmehr bildensie 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 13-1. Stoffmischungen verschiedener AggregatzuständeSystem Komponenten Zustand Typ Beispielfest fest/festhomogen Legierung Glasheterogen Gemenge Gartenerdeflüssig/fest homogen Gel Trenngelheterogen Teig Pasteflüssiggasförmiggasförmig/fest heterogen Hartschaum Siedesteinflüssig/fest homogen Lösung Honigheterogen Suspension Schlammflüssig/flüssig homogen Lösung Ethanol in Wasserheterogen Emulsion Milchgasförmig/flüssig homogen Lösung Salzsäureheterogen Schaum Sahnefest/gasförmig heterogen Aerosol Rauchflüssig/gasförmig heterogen Aerosol Nebelgasförmig/gasförmig homogen Gasgemisch LuftBei homogenen Gemischen lassen sich die Bestandteile auch bei mikroskopischerAnalyse nicht erkennen. Heterogene Gemische sind dagegenfallweise schon mit dem bloßen Auge als solche erkennbar. Sofern eineStofftrennung mit physikalischen Methoden nicht möglich ist, spricht manvon reinen Stoffen, die grundsätzlich einphasig sind.

148 13 Stoffe trennenDie schon lange tradierte lateinische Sentenz „Corpora non agunt nisisoluta“ (die Stoffe reagieren nur, wenn sie gelöst sind) gilt streng genommennur im physiologisch-biochemischen Kontext. Im Labor und in derNatur sind chemische Reaktionen beispielsweise auch zwischen Feststoffen,zwischen Feststoffen und zwischen Gasen untereinander möglich. Zuden Routineaufgaben im Labor gehört es, Stoffe aus Gemengen und/oderGemischen für analytische oder präparative Zwecke zu entfernen oder inhochreiner Form zu isolieren. Für solche Stofftrennungen sind zahlreicheVerfahren entwickelt worden, von denen dieses Kapitel nur einige Basistechnikenauswahlweise vorstellen kann. Einen orientierenden Überblicküber die verschiedenen Verfahren bietet die nachfolgende Tabelle 13-2:Tabelle 13-2. Trennverfahren in Chemie und Biochemie (Auswahl)Ausgangsgemisch optionales Trennverfahren behandelt ingelöste Feststoffe (fraktionierte) Fällung Abschnitt 13.1Abdampfen / Einengen Abschnitt 13.1Gel-FiltrationChromatographie → Kapitel 15Elektrophorese → Kapitel 15suspendierte FeststoffeLösemittelgemischeVakuumdestillation Abschnitt 13.3Gefriertrocknung Abschnitt 13.1KristallisierenFiltration Abschnitt 13.2Zentrifugation → Kapitel 14(fraktionierte) Destillation Abschnitt 13.3Ausschütteln Abschnitt 13.4Ausfrieren

13.1 Fällung 14913.1 FällungDie Fällung, fallweise auch Ausfällung, Ausflockung, Koagulation oderPräzipitation genannt, hat die Überführung eines gelösten Stoffes in einemöglichst schwerlösliche Verbindung zum Ziel: Die Lösung wird dabeimit einer geeigneten Reagenzlösung (Fällungsreagenz) im leichten Überschussso versetzt, dass eine quantitative Entfernung der zu gewinnendenSubstanz aus der Lösung erfolgt. Die ausgefällte Substanz nennt man Niederschlagoder Präzipitat. Fällungsreaktionen gelingen nicht mit allen Stoffen.Sie sind im Allgemeinen möglich mit Ionen, die neben leicht- auchschwerlösliche Verbindungen eingehen. Ein Beispiel ist die Fällung vonSulfat-Ionen SO 2– 4 aus einer Lösung von Natriumsulfat Na 2 SO 4 mithilfevon Bariumchlorid BaCl 2 :2 Na + 2–+ SO 4 + Ba 2+ + 2 Cl – → BaSO 4 ↓ + [2 NaCl] [Gl. 13-1]Mit dem senkrecht nach unten weisenden Pfeil ↓ in Gleichung 13-1 deutetman in Reaktionsgleichungen an, dass die so markierte Verbindung denNiederschlag bzw. das Präzipitat liefert, während die übrigen aufgeführtenKomponenten in Lösung bleiben.Für anschließende quantitative Bestimmungen wird der Niederschlagdurch Filtration (Abschnitt 13.2) oder Zentrifugation (vgl. Kapitel 14) vonder Lösung abgetrennt. Soll aus dieser Lösung das Natriumchlorid NaClzurückgewonnen werden, führt der Weg nicht über eine erneute Fällung,da im vorliegenden Beispiel schwerlösliche Na-Salze fehlen, sondern wiein 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 mitden Molekülen des Lösemittels in Wechselwirkung stehen und beispielsweiseHydrathüllen ausbilden können. Unterbindet man diese Wechselwirkung,reagieren die Proteinmoleküle untereinander oder zumindest intramolekularund bilden große, unlösliche Aggregate mit stark veränderterRaumstruktur (Konformation). Zur Proteinfällung kann man daher alleVerfahren einsetzen, welche die Hydrathülle angreifen, beispielsweise anorganischeSalze oder bestimmte organische Lösemittel wie Ethanol. Inbiochemischen Anwendungen werden Enzymproteine aus Rohextraktenmeist durch Zugabe von Ammoniumsulfat (NH 4 ) 2 SO 4 ausgefällt bzw. ausgesalzen,wobei Menge und Geschwindigkeit der Salzzugabe vom jeweiligenProtein abhängt und eigens ausgetestet werden muss. Nur beischonender, schrittweise erfolgender (fraktionierter) (NH 4 ) 2 SO 4 -Zugabewird eine irreversible Denaturierung mit komplettem Funktionsverlustverhindert.

150 13 Stoffe trennenEine in der Biochemie häufig eingesetzte Methode zur Entfernung vonSalzen oder anderer Komponenten relativ niederer Molekularmassen auseiner Protein-Lösung ist die Dialyse. Dazu wird die Protein-Lösung in einenDialysierschlauch gefüllt, der in ein großes Volumen einer kalten Puffer-Lösungmit geringer Ionenstärke eintaucht. Das Schlauchmaterial istsemipermeabel (semiselektiv) und lässt nur Moleküle oder Ionen niedrigerMolekularmasse, nicht jedoch die Proteinmoleküle passieren.Bei der bereits oben erwähnten Methode des Abdampfens wird das Lösemittelaus einer Lösung entfernt, wobei der gelöste Stoff eventuell in kristalliner(kristallisierter) Form anfällt. Mehrfaches Auflösen und erneutesRekristallisieren lässt sich auch dann einsetzen, wenn ein bestimmterStoff in besonders reiner Form gewonnen werden soll. Da die Verdampfungeines Lösemittels zwar durch Temperatur beschleunigt werden kann,aber eine stärkere Erwärmung bei thermolabilen Biomolekülen eventuellschädigend wirkt, bietet sich als Alternative die weitaus schonendere Gefriertrocknungoder Lyophilisation an: Die eingefrorene Lösung wird inkleinen Rundkolben oder anderen geeigneten Glasgefäßen an eine Vakuumpumpeangeschlossen. Unter Vakuumbedingungen geht das gefroreneWasser aus der Probe durch Sublimation direkt in den gasförmigen Zustandüber und wird aus dem Probenraum durch die Pumpe abgeführt. DieGefriertrocknung biologischer Materialien setzt man auch bei der Probenaufbereitungfür die Elektronenmikroskopie ein.Das Gegenteil einer Osmose ist die Umkehrosmose. Hierbei wird dasLösemittel (Solvens, vgl. Kapitel 12.2) durch eine semipermeable (semiselektive)Membran unter stark erhöhtem Druck von seinem gelöstenStoff (Solut) getrennt: Die Lösemittelmoleküle passieren druckabhängigdie Membranzwischenräume, während das Solut gleichzeitig aufkonzentriertwird. Die aufzuwendenden Drucke betragen meist das Doppelte desosmotischen Druckes in der Ausgangslösung. Bei der Meerwasserentsalzungarbeitet man gewöhnlich bei 60–80 bar. Ein weiteres wichtigesAnwendungsgebiet ist die Gewinnung von Reinstwasser für medizinischeZwecke oder die Aufkonzentrierung von Traubenmost bei der Weinbereitung.13.2 FiltrationBei der Filtration durchläuft ein Stoffgemisch einen Filter, dessen Porengrößeim Allgemeinen kleiner ist als die Partikeln, die er zurückhalten soll.Ein häufig verwendetes Filtermaterial beim Filtrieren unter Normaldrucksind Papierfilter. Schwarzbandfilter zeichnen sich durch eine relativ große