Arbeitsblatt: Experimente zum Stoffe trennen

1 Trennmethoden Sortieren Auslesen Sicherheitshinweise: Sauber und ohne dreckige Gefässe aus den Schränken arbeiten, da am Ende die Reinstoffe probiert werden sollen! Materialien: • Brausepulver (Ahoj Brause) • Zahnstocher • Schwarzer Karton • Lupe Durchführung: 1. Schüttle das Brausepulver, damit es sich in der Tüte gleichmässig verteilt. 2. Gib dann etwas des Pulvers auf den schwarzen Karton und verteile es hier. 3. Betrachte mit der Lupe die einzelnen Bestandteile und schiebe die gleichen Bestandteile mit dem Zahnstocher auf jeweils einem Haufen zusammen. 4. Lies die Beobachtungen und die Erklärungen durch. Probiere dann die sortierten KristallSorten. Abbildung 1: Auslesen/Sortieren (Klett Verlag) Abbildung 2: Ahoj Brause-Pulver Tütchen L1 Die einzelnen Bestandteile des Gemisches werden aufgrund ihres unterschiedlichen Aussehens von Hand sortiert. Beobachtungen: • Es gibt grosse, farblose Kristalle • Es gibt kleine, bunte Kristalle • Es gibt kleine, weisse Kristalle Erklärungen: Das Brausepulver enthält folgende Bestandteile (laut Zutatenliste auf der Verpackung): • • • • • • Zucker Säurungsmittel: Weinsäure (L) Säureregulator: Natriumhydrogencarbonat Süssungsmittel: Natriumcyclamat, Acesulfam-K und Saccharin-Natrium, Aromen, Farbstoffe: Carotine, Beta-apo-8-Carotinal, Anthocyane kupferhaltige Komplexe der Chlorophylline Der Farbstoff färbt die kleinen Kristalle bunt, das Aroma ist nicht einzeln sichtbar. Die Süssstoffe können nur als ein wenig ganz feines Pulver zu sehen sein. Daher kommen für die 3 sortierten Kristall-Sorten nur folgende Stoffe in Frage: 1. Zucker schmeckt süss 2. Weinsäure schmeckt sauer 3. Natriumhydrogencarbonat schmeckt seifig 2 2 Trennmethoden Sieben Materialien: • Sand • Sieb • Becherglas • Hirse • Glasschale Durchführung: 1. Mische in einem Becherglas Sand und Hirse miteinander. 2. Trenne sie dann wieder sorgfältig voneinander, indem du sie siebst. Skizze: Abbildung 3: Experimente mit Trennverfahren (Klett Verlag) 3 L2 Grobes Trennverfahren, bei dem lockere Feststoffgemische aufgrund der unterschiedlichen Grösse ihrer Bestandteile mit einem Sieb voneinander getrennt werden. Ergebnis: Aufgrund der unterschiedlichen Korngrösse lassen sich Sand- und Hirsekörner mit dem Sieb wieder voneinander trennen. Diese Trennmethode nutzt man zum Beispiel bei der Gewinnung von verschiedenen Kiessorten (Grob- und Feinkies) im Kieswerk. Abbildung 4: Einfache Siebanlage zur Trennung von Kies und Sand (Gasterntal, Berner Oberland) 4 3 Trennmethoden Zentrifugieren Sicherheitshinweise: Die Zentrifuge muss immer gleichmässig beladen werden, damit sie bei einer Unwucht nicht kaputt geht! Vorsichtig drehen und Abstand zur sich drehenden Zentrifuge halten! Materialien: • Zentrifuge mit Zubehör • Erde-Wasser-Gemisch • Becherglas Durchführung: 1. Befestige die Zentrifuge fest am Tisch! 2. Befülle die zwei Reagenzgläser, die zur Zentrifuge gehören, mit etwa der gleichen Menge des Erde-Wasser-Gemischs. 3. Stelle die Reagenzgläser in die Zentrifuge und drehe am Rad. Skizze: Abbildung 5: Handzentrifuge 5 L3 Hierbei wird eine Emulsion/Suspension in eine schnelle Drehung versetzt. Der Bestandteil mit der grösseren Dichte wird durch die Fliehkraft nach aussen geschleudert. Beobachtungen: Nach dem Zentrifugieren des Gemisches hat sich die Erde unten im Reagenzglas abgesetzt, das darüberstehende Wasser kann abgegossen (dekantiert) werden. Erklärungen: Das Zentrifugieren beschleunigt das «sich absetzen» (sedimentieren siehe Station 5) durch die Fliehkraft, die man auf das Gemisch ausübt. Diese Trennmethode kennt ihr auch von der Waschmaschine. Wenn sie schleudert, fliegt das Wasser aufgrund der Zentrifugalkraft aus der nassen Wäsche nach aussen. Die Wäschetrommel hat Löcher, damit das Wasser entfernt werden kann, oder auch das Kettenkarussell bei dem man nach aussen geschleudert wird. Abbildung 6: Kettenkarussell 6 4 Trennmethoden Filtrieren Sicherheitshinweise: Der filtrierte Orangensaft darf NICHT getrunken werden, da die verwendeten Geräte verschmutzt sein können! Materialien: • Orangensaft mit Fruchtfleisch • Trichter • Becherglas • Filterpapier Durchführung: 1. Befolgt folgende Anleitung um das Filterpapier richtig zu falten. Abbildung 8: Faltanleitung Filterpapier rund 2. Filtriert nun ein wenig Orangensaft. 3. Zeichnet den Versuchsaufbau ab! Versuchsaufbau: Abbildung 9: Versuchsaufbau Filtrieren 7 L4 Verfahren zum Trennen von festen Stoffen und Flüssigkeiten (Suspensionen). Aufgrund der unterschiedlichen Teilchengrösse lassen sich die Bestandteile durch einen Filter trennen. Im Filter bleibt der sogenannte Rückstand zurück, die durchgelaufene Flüssigkeit nennt man Filtrat. Erklärungen: Beim Filtrieren wirkt der Filter wie ein Sieb mit sehr feinen Poren. Je nach Teilchengrösse der Bestandteile können unterschiedliche Filter verwendet werden. 8 5 Trennmethoden Sedimentieren und Dekantieren Materialien: • Wasser • Glasstab • Sand • Becherglas Durchführung: 1. Verrühre in einem Becherglas Wasser und Sand miteinander. 2. Warte nun eine Weile, bis sich der Sand aufgrund seiner grösseren Dichte abgesetzt hat. Der Stoff, der sich abgesetzt hat, heisst Sediment. Zeichne in dieser Zeit den Versuchsaufbau ab! 3. Giesse nun vorsichtig den Überstand (das Wasser) in ein neues Becherglas ab. Versuchsaufbau: Überstand Sediment Abbildung 10: Sedimentieren und Dekantieren (Klett Verlag) 9 L5 Sedimentieren bedeutet sich absetzen lassen. Bei dieser Methode bildet sich ein Bodensatz, da die Feststoffteilchen in der Lösung durch die Schwerkraft langsam zu Boden sinken. Dekantieren heisst: eine Flüssigkeit von einem Bodensatz abgiessen. Erklärungen: Der Grund für das Absetzen des Sandes ist die grössere Dichte. Die Erdanziehungskraft sorgt dafür, dass der Sand langsam zu Boden sinkt. Durch vorsichtiges und langsames Abgiessen lässt sich die Flüssigkeit vom Bodensatz trennen. Anwendung findet dieses grobe Trennverfahren in Kläranlagen: Hier befinden sich Absetzbecken, in denen Feststoffe absinken und dann entfernt werden. Dekantieren macht man übrigens auch Zuhause: wenn man Wasser von den Kartoffeln oder Nudeln abgiesst Gut zu wissen: Das Gegenteil von Sedimentieren ist Aufschwemmen. Dabei schwimmt der Feststoff dann auf der Flüssigkeit (z. Bsp. Schwefel in Wasser). 10 6 Trennmethoden Eindampfen Sicherheitshinweise: Vorsicht beim Umgang mit dem Brenner, Schutzbrille tragen! Beim Erhitzen kann die Lösung spritzen. Materialien: • Schutzbrille • Messzylinder • Dreifuss • Brenner • Cola • Abdampfschale • Mineralfasernetz Durchführung: 1. Baue den Versuch so auf, wie er in der Skizze zu sehen ist. 2. Miss in dem Messzylinder genau 4 mL Cola ab und fülle sie in die Abdampfschale. 3. Erhitze die Cola und dampfe die Lösung vorsichtig ein. Am Ende musst du langsam weiter erhitzen, damit die Lösung nicht verbrennt. 4. Schreib in der Zwischenzeit den Unterschied zwischen Eindampfen und Kristallisieren auf! Versuchsaufbau: Abbildung 11: Eindampfen (Klett Verlag) 11 L6 Eine Lösung, die einen Feststoff enthält, kann eingedampft werden. Dabei dampft das Lösungsmittel ab, weil es einen geringeren Siedepunkt hat als der gelöste Feststoff. Der gelöste Feststoff kristallisiert aus und bleibt am Ende zurück. Beobachtung: Das Wasser der Cola verdampft, es bleiben alle festen Bestandteile der Cola (vor allem Zucker!) zurück. Erklärung: Für das Eindampfen erhitzt man die Lösung immer. Beim Kristallisieren verzichtet man aufs Erhitzen, man lässt die Lösung einfach offen stehen. Dann verdunstet die Flüssigkeit langsam bei Raumtemperatur und der gelöste Stoff kristallisiert aus. Das Lösungsmittel geht sowohl beim Eindampfen als auch beim Kristallisieren immer verloren. Ein Beispiel: Durch Eindampfen können aufgrund unterschiedlicher Siedetemperaturen feste Stoffe aus ihren Lösungen zurückgewonnen werden. Wenn man eine Salzlösung bis zum Sieden erhitzt, dann bleibt das Kochsalz in der Schale zurück, da die Siedetemperatur von Wasser bei 100 C und die von Kochsalz bei 1465 C liegt. 12 7 Trennmethoden Magnetscheiden Materialien: • Magnet • Eisenpulver • Glasschale • Papiertuch • Sand Durchführung: 1. Mische in der Glasschale wenig Eisenpulver mit etwas Sand. 2. Wickle ein Papiertuch um den Magneten! 3. Trenne das Eisen wieder vom Sand. Versuchsaufbau: In Papier gewickelter Magnet Eisen Eisen-SandGemisch Abbildung 12: Versuchsaufbau Magnetscheiden 13 L7 Mit einem Magneten werden magnetische und nicht magnetische Stoffe voneinander getrennt. Erklärung: Diese Trennmethode wird vor allem in Müllsortierungsanlagen angewendet. Eisenschrott lässt sich so leicht von Müll trennen. Gut zu Wissen: Es gibt übrigens nur drei magnetische Stoffe (Metalle): Eisen (Stahl), Kobalt und Nickel. 14 8 Trennmethoden Chromatografie Materialien: • Petrischale • Rundes Filterpapier • Wasser • Filzstifte in verschiedenen Farben (am besten schwarz) Durchführung: 1. Nimm ein rundes Filterpapier und bohre ein kleines Loch in die Mitte. 2. Male mit Filzstiften um das Loch herum einen dicken farbigen Ring. 3. Bastle aus einem weiteren (kleinen Stück) Filterpapier einen Docht. Stecke diesen Docht in das Loch. 4. Fülle die Petrischale zur Hälfte mit Wasser und lege den runden Filter so auf die Schale, dass nur der Docht in das Wasser ragt. 5. Beobachte den Verlauf der Chromatografie. Lass am Ende den Rundfilter trocknen und klebe ihn als Ergebnis ins Heft oder Lapbook. Versuchsaufbau: Abbildung 13: Chromatografie Skizze 15 L8 Bei dieser Trennmethode durchwandert das Stoffgemisch ein Trägermaterial (z. Bsp. Papier) und die einzelnen Bestandteile des Gemisches bleiben an verschiedenen Stellen haften. Erklärung: Bei diesem Trennverfahren dient spezielles Chromatografiepapier (in unserem Fall: Filterpapier) als stationäre Phase und Wasser als Fliessmittel. Die angewandte Arbeitstechnik, z. Bsp. Entwicklung von Chromatogrammen ähneln sehr der Dünnschichtchromatografie. Diese hat die Papierchromatografie in chemischen Laboratorien fast vollständig verdrängt. Bei der Chromatografie handelt es sich um ein physikalisches Trennverfahren für Stoffe, bei dem die Trennung auf der unterschiedlichen Verteilung zwischen einer stationären (ruhenden) Phase und einer mobilen (beweglichen) Phase, die nicht miteinander mischbar sind, beruht. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Wechselwirkungen mit der mobilen und der stationären Phase gehen die Komponenten entweder in die stationäre Phase über oder verbleiben in der mobilen Phase. Die Trennwirkung beruht auf Adsorptions-, Austausch- und Verteilungsvorgängen, die sich gegenseitig beeinflussen und den verschiedenen Stoffeigenschaften des Analyten (in unserem Fall die Farbe). Gut zu Wissen: Die wichtigsten chromatografischen Analysemethoden sind: • Papierchromatografie • Dünnschichtchromatografie • klassische Säulenchromatografie • HPLC (Hochleistungsflüssigkeitschromatografie bzw. High Performance Liquid Chromatografie) • Gaschromatografie 16 L8.1 Vereinfachte Erklärung der Chromatographie (von Dr. Hans-Winfried Wolter): Wer ist der Stärkste im ganzen Land? oder: Das Märchen von König Chromos und seinem Berater Graphos Es war einmal ein sagenhaft reicher König mit Namen Chromos, der für seine wunderschöne Tochter den geeigneten Ehemann suchte. Es meldeten sich vier geeignete Bewerber – Prinzen aus benachbarten Königreichen –, von denen der König den stärksten aussuchen wollte. Doch wie sollte er dies feststellen? Der König befragte seinen wissenschaftlichen Berater, einen Alchimisten namens Graphos, und dieser kam auf die Idee, die vier Bewerber gleichzeitig in den reissenden Fluss springen zu lassen, der durch die Hauptstadt des Reiches floss, und genau 1km flussabwärts zu sehen, wer als letzter ankommt. Als Letzter?? Wieso sollte der zuletzt Ankommende der Stärkste sein???? Nun, in regelmässigen Abständen wären quer über den Fluss Seile zu spannen, an denen sich die Männer solange wie möglich festhalten sollten, ehe sie von der reissenden Strömung wieder bis zum nächsten Seil mitgenommen würden. Auf diese Weise kämen wohl alle unterschiedlich spät am Ziel an: Der Erste müsste derjenige sein, der sich am wenigsten lange an den Seilen festhalten könnte, er wäre somit der Schwächste. Danach kämen die Stärkeren ins Ziel. Zuletzt dann auch der Stärkste, nämlich der, der sich am längsten an den Seilen festhalten könnte, bevor ihn das Wasser weiter mitreissen würde. Gesagt, getan. Und wirklich kam nur einer der Prinzen als Letzter an und der König beschloss, ihn mit seiner Tochter zu vermählen. Auch die Königstochter war mit dieser Auswahl einverstanden, zumal der Stärkste auch der Schönste der vier Bewerber war. Und wenn sie nicht gestorben sind, sind sie immer noch ein Paar!!!! [Oder????] Und der Zusammenhang Auf der Stoff-Ebene: der reissende Fluss: die gespannten Seile: der Erste im Ziel: der Letzte im Ziel: mit der Chromatographie?? das Laufmittel (die mobile Phase) das Trägermaterial (die stationäre Phase) der Stoff, der sich am wenigsten gut am Trägermaterial (bzw. der am weitesten vom Startpunkt Entfernte) anlagern kann bzw. sich am besten im Laufmittel lösen kann der Stoff, der sich am besten am Trägermaterial anlagern (bzw. der am wenigsten vom Startpunkt Entfernte) bzw. sich am wenigsten gut im Laufmittel lösen kann Auf der Teilchen-Ebene: der reissende Fluss: die riesigen Verbände der kleinen, frei beweglichen Teilchen des Laufmittels (der mobilen Phase) die gespannten Seile: die riesigen Verbände der regelmässig angeordneten, stark zusammenhaltenden und nicht frei beweglichen kleinen Teilchen des Trägermaterials (der stationären Phase) der Erste im Ziel: die kleinen Teilchen, die am wenigsten gut mit den Teilchen (bzw. der am weitesten vom Startpunkt Entfernte)des Trägermaterials bzw. am besten mit den Teilchen des Laufmittels zusammenhalten können der Letzte im Ziel: die kleinen Teilchen, die am besten mit den Teilchen (bzw. der am wenigsten vom Startpunkt Entfernte) des Trägermaterials bzw. am wenigsten gut mit den Teilchen des Laufmittels zusammenhalten können. 17 9 Trennmethoden Extrahieren Sicherheitshinweis: Kaffee darf nicht probiert werden, da die Gefässe verschmutzt sein könnten. Materialien: • Kaffeepulver • Becherglas • Warmes Wasser • Glasstab Durchführung: 1. Fülle das Becherglas mit warmem Wasser 2. Gib etwas Kaffeepulver hinein (ca. 1 Kaffeelöffel) 3. Rühre mit dem Glasstab um. Skizze: Abbildung 14: Extraktion 18 L9 Hierbei wird ein einzelner Stoff mit Hilfe eines Lösungsmittels (in unserem Fall: Wasser) aus dem Stoffgemisch herausgelöst ( extrahiert). Erklärung: Die Farb- und Geschmacksstoffe des Kaffees sind in dem warmen Wasser ( Lösungsmittel) gut löslich und gehen daher in das Wasser über. Das Kaffeepulver selbst löst sich nicht. Um den Kaffee ohne unlösliche Feststoffe trinken zu können, wird er normalerweise zusätzlich filtriert (siehe Station 4). Gut zu Wissen: Auch Tee wird extrahiert. Auch dort werden die unlöslichen Feststoffe im Teebeutel gehalten, damit wir den Tee ohne diese trinken können. 19 10 Trennmethoden Adsorption Wichtiger Hinweis: Aktivkohle ist ein feines Pulver. Es lädt sich sehr leicht elektrostatisch auf und färbt dann alles schwarz, also VORSICHT!!! Materialien: • Becherglas • Trichter • Aktivkohle • Tinte in wässriger Lösung • Filterpapier • Löffel Durchführung: 1. Öffne eine Tintenpatrone und stelle im Becherglas eine Tinten-Wasser-Lösung her. 2. Baue eine Apparatur zum Filtrieren (siehe Station 4) dieser Lösung auf. 3. Filtriere die Tinten-Wasser-Lösung. 4. Wiederhole die Filtration, nachdem du einen neuen Filter zusätzlich mit wenig Aktivkohle befüllt hast Skizze: Abbildung 15: Adsorption 20 L10 Trennverfahren, bei dem ein Stoff an der Oberfläche eines Feststoffes (z. Bsp. Aktivkohle) gebunden beziehungsweise angelagert wird. Beobachtung: Nach dem ersten Filtrieren stellt man fest, dass die Tinten-Teilchen so klein sind, dass sie durch die Poren des Filterpapiers hindurch passen. Durch Filtrieren lässt sich das Gemisch also nicht trennen. Ist der Filter mit Aktivkohle gefüllt, so adsorbiert die Aktivkohle die Tinten-Teilchen, das heisst, die Tinten-Teilchen werden an der Aktivkohle angelagert. Das Gemisch wird getrennt. Gut zu Wissen: Aktivkohle besitzt winzige Poren mit einem Durchmesser von 0.5 bis 1 Nanometer (1 Nanometer 1 Millionstel Millimeter). Die Adsorption ist druck- und temperaturabhängig. Eine Erwärmung setzt die Adsorptionswirkung herab, eine Abkühlung verbessert sie. Aktivkohle besitzt winzige Poren, die Gase und Flüssigkeiten festhalten Abbildung 16: Aktivkohle-Stückchen Beispiele: Die Adsorption ist in der Technik und im alltäglichen Leben weit verbreitet. Zigarettenfilter adsorbieren krebserzeugende Stoffe im Zigarettenrauch. Adsorptionsmittel werden auch bei der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. In der Gasmaske werden lungenschädigende Kampfstoffe durch Aktivkohlefilter adsorbiert. 21 Quellenverzeichnis Sunniva Blatter (Autorin); Darstellung und Gestaltung sowie Proof-reading und graphische Aufbereitung: Madeleine Ullinger Lehrplan21 Fachbereich NMG – Zyklus 2 Seitenrahmen: Frau Crusoes Rahmen (Gratis-Download) à Schriften: DK Rat Infected Mailbox (Gratis-Download) von DaFonts.com DCH Basisschrift (Gratis-Download) von Luzerner Basisschrift Site Vereinfachte Erklärung der Chromatographie (von Dr. Hans-Winfried Wolter) (Heruntergeladen am 7.6.2021) 22 Abbildungsverzeichnis Abbildung Abbildung 1: Abbildung 7: Abbildung 8: Abbildung 9: Bildtitel -Beschreibung Seite Trennverfahren Überblick (Heruntergeladen am 7.6.2021) 1 Ahoj Brause-Pulver Tütchen https%3A%2F%2Fwww.schulstart.de%2Fmedia%2Fimage%2Fd1%2F36%2F34%2Fahoj-brause-pulver-5-8g-478 -2017101255-0.jpg (Heruntergeladen am 7.6.2021) 7 Auslesen/Sortieren (Klett Verlag) (Heruntergeladen am 7.6.2021) 7 Experimente mit Trennverfahren (Klett Verlag) https%3A%2F%2Fstatic.klett.de%2Fsoftware%2Fhtml5%2Felemente%2Fec01ov309%2FMain%2Fimg%2F2.jpg (Heruntergeladen am 7.6.2021) 9 Einfache Siebanlage zur Trennung von Kies und Sand (Gasterntal, Berner Oberland) (Heruntergeladen am 09.06.2021) 10 Abbildung 11: Handzentrifuge – www.Laboreinkauf.de (Heruntergeladen am 7.6.2021) 11 Abbildung 12: Kettenkarussell https%3A%2F%2Fwww.oktoberfest.net%2Fwp-content%2Fuploads%2F2013%2F06%2FKETTENKARUSSELL1.jpg (Heruntergeladen am 7.6.2021) 12 Faltanleitung Filterpapier rund 3A%2F%2Fwww.bennett-shop.de%2Fwpcontent%2Fuploads%2F2018%2F03%2FFaltanleitung-Chemex-Filter.-1024x787.jpg (Heruntergeladen am 7.6.2021) 13 Versuchsaufbau Filtrieren http%3A%2F%2Fwww.seilnacht.com%2Fversuche%2Ffiltern.gif (Heruntergeladen am 7.6.2021) 13 Sedimentieren und Dekantieren (Klett Verlag) (Heruntergeladen am 7.6.2021) 15 Eindampfen (Klett Verlag) (Heruntergeladen am 7.6.2021) 17 Versuchsaufbau Magnetscheiden (Heruntergeladen am 7.6.2021) 19 Chromatografie Skizze (Heruntergeladen am 7.6.2021) 21 Extraktion 1AW2C-9MZYSny-GMvkaGhoTiwg5oxZ5fIyNyEDtGWIXygwAlHBFsYhHzyAFMAQMCxCOrv4IGgoKCAgBEgSxDps2Das Qne3BCRqKAQobCghsYW5ndWFnZdqliPYDCwoJL2ovMnNoX3k0ChsKCHZlcnRpY2Fs2qWI9gMLCgkvYS80aGgzcDAKFgo DZG902qWI9gMLCgkvbS8wMjdjdGcKGQoFZmxhc2vapYj2AwwKCi9tLzBoOGpfMjEKGwoIY3lsaW5kZXLapYj2AwsKCS9 tLzAzaF80bQw&qextrahierenteilchenmodell&tbmisch&saX&ved2ahUKEwjp382NtdbxAhWIg_0HHedfDGEQ2A4 oAXoECAEQMg&biw1440&bih815#imgrck0Pmsi4CeqggWM (Heruntergeladen am 7.6.2021) 24 Adsorption (Heruntergeladen am 7.6.2021) 26 Aktivkohle-Stückchen (Heruntergeladen am 7.6.2021) 27 Abbildung 10: Abbildung 8: Abbildung 9: Abbildung 10: Abbildung 11: Abbildung 12: Abbildung 13: Abbildung 14: Abbildung 15: Abbildung 16: 23