Chromatographie: Trennverfahren

Aktives Experimentieren macht Chromatographie greifbar, weil Schülerinnen und Schüler das Prinzip der Verteilung zwischen stationärer und mobiler Phase durch eigene Beobachtungen verstehen. Die sichtbaren Trennergebnisse in Echtzeit fördern das Vertrauen in abstrakte Konzepte wie Affinität und Polarität.

• Klasse 10
• Materie, Energie und Reaktion: Chemie der zehnten Klasse
• 4 Aktivitäten
• 40 Min.–60 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie das Verteilungsprinzip der Chromatographie basierend auf der unterschiedlichen Wechselwirkung von Substanzen mit stationärer und mobiler Phase.
2. Analysieren Sie, wie die Polarität von Analyten und Eluenten die Trennung in der Dünnschichtchromatographie beeinflusst.
3. Berechnen Sie den Rf-Wert für verschiedene Farbstoffe auf einem Chromatogramm und interpretieren Sie dessen Bedeutung.
4. Entwerfen Sie ein einfaches Experiment zur Trennung von Lebensmittelfarbstoffen mittels Papierchromatographie unter Berücksichtigung geeigneter Materialien.
5. Vergleichen Sie die Ergebnisse der Trennung von Farbstoffgemischen unter Verwendung unterschiedlicher Lösungsmittel als mobile Phase.

Erfahrungsorientiertes Lernen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Papierchromatographie: Filzstiftfarben

Schüler trennen Farbstoffe aus wasserlöslichen Filzstiften. Tragen Sie Tintenpunkt auf Filterpapier auf, tauchen Sie das untere Ende in Wasser oder Alkohol und beobachten Sie die Wanderung. Messen Sie Rf-Werte und identifizieren Sie Komponenten.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie das Prinzip der Chromatographie zur Trennung von Stoffgemischen.

Moderationstipp: Für die Rf-Wert-Berechnung an Stationen geben Sie den Schülern konkrete Aufgabenstellungen vor, wie etwa die Berechnung von Rf-Werten für drei Farbstoffe mit unterschiedlichen Polaritäten.

Setup: Variabel; z. B. Außenbereich, Labor oder außerschulische Lernorte

Materials: Materialien für den Versuchsaufbau/die Erfahrung, Reflexionsjournal mit Impulsfragen, Beobachtungsbogen, Leitfaden zur Verknüpfung mit den Lerninhalten

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung
• Sozialbewusstsein

Erfahrungsorientiertes Lernen

⏱ 50 Min.·Partnerarbeit

Pflanzenpigmente: Blatt-Extrakt

Extrahieren Sie Pigmente aus Spinatblättern mit Aceton. Führen Sie die Lösung auf Papierchromatographiepapier auf und eluieren mit Petroleumether. Diskutieren Sie die Reihenfolge: Chlorophyll, Carotinoide.

Vorbereitung & Details

Analysieren Sie die Faktoren, die die Trennleistung bei der Chromatographie beeinflussen.

Setup: Variabel; z. B. Außenbereich, Labor oder außerschulische Lernorte

Materials: Materialien für den Versuchsaufbau/die Erfahrung, Reflexionsjournal mit Impulsfragen, Beobachtungsbogen, Leitfaden zur Verknüpfung mit den Lerninhalten

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung
• Sozialbewusstsein

Erfahrungsorientiertes Lernen

⏱ 60 Min.·Kleingruppen

Experiment-Design: Eigene Mischung

Schüler mischen bekannte Farbstoffe und entwickeln ein Chromatographie-Setup. Testen Sie Variationen von Eluens und dokumentieren Sie Trennleistung. Präsentieren Sie optimale Bedingungen der Klasse.

Vorbereitung & Details

Designen Sie ein einfaches Chromatographie-Experiment zur Trennung von Farbstoffen.

Setup: Variabel; z. B. Außenbereich, Labor oder außerschulische Lernorte

Materials: Materialien für den Versuchsaufbau/die Erfahrung, Reflexionsjournal mit Impulsfragen, Beobachtungsbogen, Leitfaden zur Verknüpfung mit den Lerninhalten

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung
• Sozialbewusstsein

Erfahrungsorientiertes Lernen

⏱ 40 Min.·Kleingruppen

Rf-Wert-Berechnung: Stationen

Richten Sie Stationen mit verschiedenen Tinten ein. Gruppen rotieren, führen Chromatographie durch, berechnen Rf-Werte und vergleichen. Erstellen Sie eine Tabelle mit Ergebnissen.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie das Prinzip der Chromatographie zur Trennung von Stoffgemischen.

Setup: Variabel; z. B. Außenbereich, Labor oder außerschulische Lernorte

Materials: Materialien für den Versuchsaufbau/die Erfahrung, Reflexionsjournal mit Impulsfragen, Beobachtungsbogen, Leitfaden zur Verknüpfung mit den Lerninhalten

• Anwenden
• Analysieren
• Bewerten
• Selbstwahrnehmung
• Selbststeuerung
• Sozialbewusstsein

Dieses Thema unterrichten

Chromatographie lebt von der Kombination aus Beobachtung und Theorie. Erfahrene Lehrkräfte vermeiden zu frühe Erklärungen und lassen die Schüler stattdessen selbst Muster in den Trennergebnissen entdecken. Ein häufiger Fehler ist die zu frühe Fokussierung auf Rf-Werte, bevor die Grundlagen der Verteilung verstanden sind. Forschungsbasiert wirkt die Verknüpfung mit Alltagsbeispielen – etwa der Trennung von Lebensmittelfarben – motivierend und erleichtert den Transfer.

Was Sie erwartet

Erfolgreiches Lernen zeigt sich, wenn Schülerinnen und Schüler erklären können, warum verschiedene Stoffe unterschiedlich weit wandern und wie sie das Prinzip auf neue Gemische übertragen. Sie wenden Fachbegriffe korrekt an und begründen ihre Beobachtungen mit physikalisch-chemischen Eigenschaften.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Papierchromatographie mit Filzstiftfarben beobachten viele Schüler, dass nur Farbstoffe getrennt werden können.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Zeigen Sie den Schülern am selben Tag ein Chromatogramm mit farblosen Aminosäuren, das unter UV-Licht sichtbar gemacht wird. Lassen Sie sie die Flecken markieren und erklären, warum auch unsichtbare Stoffe getrennt werden können.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Trennung von Pflanzenpigmenten aus Blatt-Extrakten entsteht oft die Annahme, dass der Rf-Wert nur von der Molekülgröße abhängt.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Fordern Sie die Schüler auf, in Partnerarbeit verschiedene Lösungsmittel (z.B. Wasser, Ethanol, Propanol) zu testen und die Wanderungsgeschwindigkeiten zu vergleichen. Lassen Sie sie ihre Beobachtungen mit Polaritätswerten aus Tabellen abgleichen und so das Konzept der Affinität entwickeln.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Rf-Wert-Berechnung an Stationen glauben viele, dass längeres Eluieren immer zu besseren Trennergebnissen führt.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler in Gruppen drei Chromatogramme mit unterschiedlichen Laufzeiten (5, 10, 15 Minuten) erstellen und vergleichen. Fordern Sie sie auf, die beste Laufzeit zu begründen und die Grenzen des Verfahrens zu diskutieren.

Ideen zur Lernstandserhebung

Lernstandskontrolle

Nach der Papierchromatographie mit Filzstiftfarben lassen Sie die Schüler den Rf-Wert eines grünen Farbstoffs berechnen, der aus Blau und Gelb besteht. Fragen Sie zusätzlich: 'Welcher Farbstoffkomponente ist schneller gewandert und warum?'

Diskussionsfrage

Nach dem Experiment-Design der eigenen Mischung fragen Sie: 'Stellen Sie sich vor, Sie trennen zwei unbekannte Substanzen und erhalten nur eine einzige Spur. Welche chromatographischen Parameter würden Sie ändern, um die Trennung zu verbessern? Begründen Sie Ihre Wahl mit Bezug auf Affinität und Polarität.'

Kurze Überprüfung

Während der Rf-Wert-Berechnung an Stationen zeigen Sie ein Chromatogramm mit drei getrennten Farbstoffen. Bitten Sie die Schüler, die stationäre und mobile Phase zu identifizieren und zu erklären, warum die Farbstoffe unterschiedlich weit gewandert sind, basierend auf ihrer Polarität und Löslichkeit.

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Schüler auf, eine Mischung aus drei Farbstoffen mit ähnlicher Polarität zu trennen und die optimale Laufzeit experimentell zu bestimmen.
• Unterstützen Sie Schüler mit Schwierigkeiten, indem Sie ihnen eine vorstrukturierte Tabelle mit Polaritätswerten und erwarteten Wanderungsgeschwindigkeiten zur Verfügung stellen.
• Vertiefen Sie für alle die Bedeutung von Chromatographie in der Umweltanalytik, z.B. durch die Analyse von Wasserproben auf Nitrat oder Schwermetalle mit einfachen Methoden wie der Dünnschichtchromatographie.

Schlüsselvokabular

Stationäre Phase	Die feste oder flüssige Phase, die auf einem Trägermaterial fixiert ist und auf der die Trennung stattfindet. Beispiel: Kieselgel auf einer DC-Platte oder Papier.
Mobile Phase	Die flüssige oder gasförmige Phase, die sich über die stationäre Phase bewegt und die zu trennenden Substanzen mit sich führt. Beispiel: Ein Lösungsmittelgemisch.
Elution	Der Prozess, bei dem die mobile Phase die Analyten von der stationären Phase mitnimmt und sie so aus dem System herausführt.
Retardationsfaktor (Rf-Wert)	Das Verhältnis der zurückgelegten Strecke eines Analyten zur zurückgelegten Strecke der mobilen Phase. Er ist ein charakteristischer Wert für eine Substanz unter definierten chromatographischen Bedingungen.
Adsorption	Die Anlagerung von Molekülen einer Substanz an die Oberfläche der stationären Phase, die zur Trennung beiträgt.