Chromatographische Trennverfahren

Aktives Experimentieren macht die unsichtbaren Kräfte hinter chromatographischen Trennverfahren greifbar. Durch eigenes Beobachten und Messen verstehen Schülerinnen und Schüler, wie scheinbar ähnliche Stoffe durch unterschiedliche Wechselwirkungen getrennt werden.

• Klasse 12
• Chemie der Oberstufe: Von der Thermodynamik zur modernen Synthese
• 4 Aktivitäten
• 30 Min.–60 Min.

Lernziele

1. Erklären Sie das Prinzip der unterschiedlichen Affinität von Substanzen zur stationären und mobilen Phase in chromatographischen Trennverfahren.
2. Analysieren Sie ein Chromatogramm, um Retentionszeiten und Peakflächen zu identifizieren und deren Bedeutung für die quantitative Analyse zu interpretieren.
3. Vergleichen Sie die Anwendungsbereiche von Dünnschichtchromatographie (DC), Gaschromatographie (GC) und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) für spezifische Trennprobleme.
4. Bewerten Sie die Eignung verschiedener chromatographischer Methoden für die Analytik von Farbstoffen und für die Dopinganalytik.

Fertige Unterrichtsaktivitäten

Fallstudienanalyse

⏱ 50 Min.·Kleingruppen

Praktikum: DC mit Tintenfarbstoffen

Schüler bereiten DC-Platten vor, applizieren Tintenproben mit Kapillare, entwickeln in einer Kammer mit Eluent und berechnen Rf-Werte. Nach Trocknen vergleichen Gruppen die Ergebnisse mit bekannten Stoffen. Dokumentation per Foto und Skizze.

Vorbereitung & Details

Worauf beruht die unterschiedliche Affinität von Stoffen zur stationären Phase?

Moderationstipp: Lassen Sie die Schülerinnen und Schüler beim Praktikum DC die Kapillarwirkung selbst einstellen und dokumentieren, wie sich die Tintenfarbstoffe unterschiedlich schnell ausbreiten.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Lernen an Stationen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Lernen an Stationen: GC-Simulation mit Modell

Vier Stationen: Vorbereitung (Injektion simulieren), Trennung (Luftströmung mit Markern), Detektion (Peak-Zeichnen), Auswertung (Retentionszeit messen). Gruppen rotieren, notieren Daten und diskutieren Unterschiede zu DC.

Vorbereitung & Details

Wie liest man ein Chromatogramm (Retentionszeit, Peakfläche)?

Moderationstipp: Verwenden Sie bei der GC-Simulation ein einfaches Modell mit Luftballons als Gasbehälter, um die Bedeutung der mobilen Phase für die Trennung sichtbar zu machen.

Setup: Im Raum verteilte Tische/Stationen

Materials: Stationskarten mit Arbeitsanweisungen, Unterschiedliche Materialien je Station, Timer für die Rotation

• Erinnern
• Verstehen
• Anwenden
• Analysieren
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Fallstudienanalyse

⏱ 30 Min.·Partnerarbeit

HPLC-Analyse: Virtuelles Chromatogramm

Mit Software laden Schüler reale HPLC-Daten, identifizieren Peaks nach Retentionszeit, integrieren Flächen für Quantifizierung. Paare vergleichen mit Dopingbeispielen und berichten.

Vorbereitung & Details

Welche Methode eignet sich für die Dopinganalytik?

Moderationstipp: Fordern Sie die Lernenden bei der HPLC-Analyse auf, virtuelle Chromatogramme mit unterschiedlichen Druckeinstellungen zu vergleichen, um den Einfluss der stationären Phase zu erkennen.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Fallstudienanalyse

⏱ 60 Min.·Kleingruppen

Detektivarbeit: Gemischtrennung

Schüler erhalten unbekannte Farbstoffmischungen, wählen geeignete Chromatographie, trennen und identifizieren Komponenten. Präsentation der Ergebnisse im Plenum.

Vorbereitung & Details

Worauf beruht die unterschiedliche Affinität von Stoffen zur stationären Phase?

Moderationstipp: Geben Sie den Schülern beim Detektivarbeit-Experiment ein unbekanntes Gemisch und lassen Sie sie durch systematisches Testen die richtige Trennmethode finden.

Setup: Gruppentische mit Platz für die Fallunterlagen

Materials: Fallstudien-Paket (3-5 Seiten), Arbeitsblatt mit Analyseraster, Präsentationsvorlage

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung

Dieses Thema unterrichten

Fokussieren Sie sich auf die Konzepte hinter den Methoden, nicht auf die Geräte selbst. Vermeiden Sie reine Bedienungsanleitungen – stattdessen sollten die Schüler verstehen, warum eine Methode für eine bestimmte Trennung geeignet ist. Nutzen Sie Alltagsbeispiele wie die Trennung von Lebensmittelfarben oder die Analyse von Umweltproben, um die Relevanz zu verdeutlichen.

Was Sie erwartet

Am Ende der Einheit können die Lernenden die Prinzipien der stationären und mobilen Phase erklären, Retentionsfaktoren berechnen und Methoden wie DC, GC und HPLC für konkrete Trennprobleme auswählen. Ihre Erklärungen stützen sich auf gemessene Daten und beobachtete Muster.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während des Praktikums DC mit Tintenfarbstoffen beobachten einige Schüler, dass alle Farben gleich schnell wandern.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Nutzen Sie die gemessenen Rf-Werte der verschiedenen Tintenfarbstoffe, um gemeinsam zu analysieren, wie die Polarität der Farbstoffe und des Lösungsmittels die Wanderungsgeschwindigkeit beeinflussen.

Häufige Fehlvorstellung

Während der Stationen GC-Simulation mit Modell wird oft angenommen, dass die Trennung nur vom Gasdruck abhängt.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler die Gasflaschen und Detektoren variieren und beobachten, wie sich die Retentionszeiten ändern – dabei wird deutlich, dass die Affinität zur stationären Phase entscheidend ist.

Häufige Fehlvorstellung

Bei der HPLC-Analyse: Virtuelles Chromatogramm wird die Peakfläche oft als rein zufällig betrachtet.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Lassen Sie die Schüler die virtuellen Chromatogramme mit unterschiedlichen Konzentrationen desselben Stoffes erstellen und die Flächen auswerten, um den direkten Zusammenhang mit der Konzentration zu erkennen.

Ideen zur Lernstandserhebung

Kurze Überprüfung

Nach dem Praktikum DC mit Tintenfarbstoffen geben Sie den Schülern ein vereinfachtes Chromatogramm einer Farbstoffmischung. Sie sollen die Retentionszeiten identifizieren und begründen, welche Peaks zu Substanzen mit ähnlicher Polarität gehören.

Lernstandskontrolle

Nach der GC-Simulation mit Modell erhalten die Schüler eine Karte mit einer chromatographischen Methode (DC, GC, HPLC). Sie sollen auf der Karte notieren, für welche Probenart (fest, flüssig, gasförmig; polar, unpolar) die Methode geeignet ist und warum.

Diskussionsfrage

Während der Detektivarbeit: Gemischtrennung leiten Sie eine Diskussion ein. Fragen Sie: Warum ist die genaue Bestimmung von Retentionszeiten und Peakflächen bei der Dopinganalytik entscheidend? Welche chromatographische Methode würden Sie für die Analyse von Steroiden im Urin vorschlagen und warum?

Erweiterungen & Unterstützung

• Fordern Sie schnelle Gruppen auf, ein Gemisch aus drei Tintenfarbstoffen zu trennen und die Rf-Werte zu vergleichen, wenn das Lösungsmittel oder die stationäre Phase geändert wird.
• Für unsichere Lernende: Bereiten Sie eine Tabelle mit vorgegebenen Rf-Werten und Polaritäten vor, die sie beim DC-Praktikum zur Interpretation nutzen können.
• Vertiefen Sie mit einer Rechercheaufgabe: Wie werden chromatographische Methoden in der Kriminalistik oder Lebensmittelkontrolle eingesetzt? Präsentieren Sie die Ergebnisse der Klasse.

Schlüsselvokabular

Stationäre Phase	Die Phase in der Chromatographie, die fest ist oder in der mobilen Phase immobilisiert ist und an der die Trennung stattfindet.
Mobile Phase	Die Phase (flüssig oder gasförmig), die sich über die stationäre Phase bewegt und die zu trennenden Substanzen mitführt.
Retentionszeit	Die Zeit, die eine Substanz benötigt, um die stationäre Phase in einem chromatographischen System zu durchlaufen und den Detektor zu erreichen.
Peakfläche	Die Fläche unter dem Signalpeak im Chromatogramm, die proportional zur Konzentration der getrennten Substanz ist.
Retentionsfaktor (Rf-Wert)	Ein dimensionsloser Wert in der Dünnschichtchromatographie, der das Verhältnis der zurückgelegten Strecke der Substanz zur Strecke des Lösungsmittels angibt.