Aus welchen Farbpigmenten besteht die Farbe eines schwarzen Permanentmarkers?
Um die Farbe des Permanentmarkers in die einzelnen Farb-Bestandteile zu trennen, kannst du die Chromatographie anwenden. Für die Chromatographie brauchst du immer ein Lösungsmittel und etwas, wodurch sich das Lösungsmittel bewegen kann. Permanentmarker haben gezielt die Eigenschaft, dass sie nicht verlaufen, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen. Die Farbe des Permanentmarkers löst sich nicht in Wasser. Du benötigst also ein Lösungsmittel, das nicht nur aus Wasser besteht. Als Verfahren eignet sich besonders gut die Dünnschicht-Chromatographie, wie du in Abbildung 1 erkennen kannst. Mithilfe dieses Verfahrens kannst du sehen, dass das Farb-Gemisch eines schwarzen Permanentmarkers aus unterschiedlichen Farb-Bestandteilen besteht.
Wir erklären dir in diesem Artikel, was Dünnschicht-Chromatographie ist und wie die Trennung von Farb-Gemischen damit funktioniert.
Stationäre Phase fest und Mobile Phase flüssig
Wenn du die Farbe eines Permanentmarkers mithilfe der Dünnschicht-Chromatographie trennen möchtest, brauchst du wie bei jedem Verfahren der Chromatographie eine stationäre und eine mobile Phase. Die stationäre Phase ist fest. Sie besteht aus einer Platte (meist aus Kunststoff, Aluminium oder Glas) und einer Schicht auf der Platte, die meist aus Kieselgel (oder auch Kieselgur, Aluminiumoxid oder Cellulose) besteht. Genauer gesagt, ist diese dünne Schicht auf der Platte die stationäre Phase. Das ist später wichtig für die Erklärung der Wechselwirkungen zwischen den Farb-Bestandteilen und der stationären Phase. Die mobile Phase besteht aus einem flüssigen Laufmittel und den darin gelösten Bestandteilen des Stoffgemischs. Das Lösungsmittel (Laufmittel) setzt sich meist aus unterschiedlichen Stoffen zusammen. Insgesamt wählst du die Stoffe der stationären und mobilen Phasen immer gezielt danach aus, was für Stoffgemische du analysieren möchtest. Erfahre hierzu genaueres weiter unten im Artikel.
Durchführung der Dünnschicht-Chromatographie
Zum Trennen des Farb-Gemisches des Permanentmarkers kannst du die Dünnschicht-Chromatographie mit einer Trägerplatte, auf der Kieselgel ist, durchführen. Als Laufmittel kannst du ein Ethanol-Wasser-Gemisch mit dem Verhältnis \(\rm {8:2}\) verwenden. Zusätzlich brauchst du noch einen Bleistift, ein Lineal und ein luftabgeschlossenes Gefäß. Die umliegende Luft soll das Trennverfahren nämlich nicht beeinflussen.
- Zeichne an der kurzen Seite mit dem Bleistift und dem Lineal einen Strich (Abb. 2.1).
- Zeichne auf die Linie einen Punkt mit dem Permanentmarker (Abb. 2.2).
- Mische Ethanol und Wasser in dem Verhältnis \(\rm{8:2}\) und gib so viel Lösung in das Gefäß, sodass der Boden bedeckt ist. Der Füllstand soll später unterhalb des Bleistift-Strichs liegen.
- Stelle die Chromatographie-Platte in das Ethanol-Wasser-Gemisch. Achte darauf, dass das Kieselgel nicht die Seiten des Gefäßes berührt (Abb. 2.3).
- Warte, bis sich die Farb-Bestandteile deutlich getrennt haben (Abb. 2.4).
Wechselwirkungen auf Teilchenebene
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;
Das Laufmittel steigt durch Kapillarwirkungen in der stationären Phase aus Kieselgel auf. Wenn das Laufmittel das zu analysierende Stoffgemisch trifft, lösen sich die einzelnen Bestandteile des Stoffgemischs entweder als Moleküle oder Ionen in dem Laufmittel. Das Laufmittel mischst du gezielt mit Stoffen, die aus polaren oder unpolaren Molekülen bestehen. Gleiches löst sich in gleichem. Ethanol-Moleküle sind beispielsweise polar, haben allerdings auch eine unpolare Kohlenstoffkette (Abb. 3). Diese Eigenschaften dienen dazu, dass die Farbe des Permanentmarkers sich in Ethanol lösen kann. Bei dem Lösevorgang gehen die Moleküle des Lösungsmittels mit den Molekülen bzw. Ionen des Stoffgemischs in Wechselwirkung.
Durch unterschiedliche Diffusionseigenschaften bewegen sich die Moleküle und Ionen des Stoffgemischs mehr oder weniger schnell durch die Poren der Stationären Phase. Eine hohe Diffusion führt dazu, dass die Moleküle oder Ionen des Stoffgemischs schneller in die Stationäre Phase dringen. Die Moleküle bzw. Ionen werden von der Stationären Phase absorbiert. Wenn das Laufmittel und die gelösten Moleküle bzw. Ionen (Mobile Phase) sich durch die Stationäre Phase bewegen, wechseln die Moleküle oder Ionen immer zwischen den Wechselwirkungen mit dem Laufmittel und der Stationären Phase. Kieselgel besteht aus langkettigen Molekülen mit Hydroxy-Gruppen (OH-Gruppen) (Abb. 4). Diese Gruppen führen dazu, dass die Wechselwirkung größer ist, je polarer die Moleküle bzw. Ionen des Stoffgemischs sind. Starke Wechselwirkungen mit der Stationären Phase führen zu einer starken Adsorption. Das bedeutet, dass sich die Moleküle oder Ionen stärker an die Stationäre Phase anlagern. Je stärker die Adsorption ist, desto langsamer bewegen sich die Moleküle bzw. Ionen durch die stationäre Phase. Polare Moleküle bzw. Ionen bewegen sich dann langsamer als unpolare Moleküle bzw. Ionen.
Wenn die Bestandteile farblos sind, wird weiter experimentiert
Nach einer bestimmten Zeit beendest du den Vorgang der Chromatographie. Die Chromatographie-Platte mit dem getrennten Stoffgemisch ist das Chromatogramm, welches du nun auswerten kannst. Bei der Trennung des Permanentmarkers kannst du direkt erkennen, aus welchen Farb-Bestandteilen der Permanentmarker besteht. Es gibt allerdings auch Stoffe, die farblos sind, sodass du sie nicht sofort mit dem bloßen Auge erkennen kannst. In diesen Fällen musst du manchmal noch Reagenzien auf die Dünnschichtplatte aufsprühen oder die Platte unter UV-Licht legen, bevor bzw. während du sie auswertest (Abb. 5).
Auswertung des Chromatogramms
CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung;
Manchmal kommt es vor, dass du auf deiner Platte alle Punkte der einzelnen Bestandteile erkennen kannst, aber sie sich wirklich sehr ähnlich sehen. So wie es bei dem Chromatogramm unter UV-Licht in Abbildung 5 zu sehen ist. Um herauszufinden, um welche Stoffe es sich handelt kannst du den sogenannten Retentionsfaktor (\(\pu{ {\it R}_f-Wert}\)) berechnen. Dazu ist es wichtig, dass du mit dem Bleistift eine Linie dort zeichnest, bis wohin das Laufmittel gelaufen ist (Abb. 6). Jetzt misst du mit einem Lineal aus, wie weit das Laufmittel von der Startlinie gekommen ist \(\pu{ {\it S}-Wert}\). Dann misst du die Distanz von der Startlinie bis zur Mitte eines Punktes \(\pu{ {\it W}-Wert}\). Jetzt teilst du die Laufstrecke der Substanz durch die Laufstrecke des Laufmittels, um deine Konstante der Retention zu bekommen.
\({R_{\rm f} = \dfrac{W}{S}}\)
Die Konstante der Retention eines Stoffes ist immer gleich. Du kannst den Wert in einem Tabellenwerk nachschlagen, um herauszufinden, um welchen Stoff es sich handelt.
Zusammenfassung
Bei der Dünnschicht-Chromatographie besteht die stationäre Phase meist aus Kieselgel, Aluminiumoxid oder Cellulose. Die stationäre Phase befindet sich als dünne Schicht auf einer Platte aus Kunststoff, Aluminium oder Glas. Als Laufmittel verwendest du meist Mischungen aus polaren und unpolaren Lösungsmitteln (z.B. Ethanol-Wasser-Gemisch). Je stärker die Wechselwirkungen zwischen den in dem Laufmittel gelösten Molekülen oder Ionen und der stationären Phase sind, desto langsamer bewegen sich die Moleküle bzw. Ionen. Bei Kieselgel bewegen sich polare Moleküle bzw. Ionen langsamer als unpolare, weil die Adsorption stärker ist. Sind die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen bzw. Ionen und den Molekülen des Laufmittels stärker, bewegen sich die Moleküle bzw. Ionen der Bestandteile langsamer durch die stationäre Phase.