Schaue dir die Pflanzen in Abb. 1.1 an. Die Pflanzenwelt strahlt in vielen unterschiedlichen Grüntönen, aber wie kann das sein? Woraus besteht die grün Farbe der Pflanzenblätter?
Anfang des 20. Jahrhunderts hat sich ein Wissenschaftler ebenso die Frage gestellt, woraus die grüne Farbse der Pflanzen besteht. Mithilfe der Chromatographie hat er die Farbstoffgemische verschiedener Pflanzen trennen können. In Abbildung 1.2 kannst du sehen, wie sich die Farbe zusammensetzen kann. Diese Pflanzenfarbe besteht aus Gelb, Grün und Blau. Es gibt auch orangefarbene Pflanzenfarbstoffe wie das Carotin. In Abbildung 1.2 ist das Carotin nicht abgebildet, da es sich oberhalb des Phaeophytins absondern würde, aber das Chromatographie-Papier hier endet. Möglicherweise hast du schon einmal den Begriff Chlorophyll gehört, das ist der grüne Farbstoff.
Wie das Prinzip der Chromatographie, mit der du z.B. Pflanzenfarbstoffgemsiche trennen kannst, funktioniert, erklären wir dir in diesem Artikel.
Chromatographie ist eine Trennmethode
Die Chromatographie wird nicht nur zur Analyse von Pflanzenfarbstoffen angewendet, sondern auch im weiteren Feld der Umweltanalytik, in der Kriminalistik, Pharmazie, Lebensmittelchemie, Biotechnologie, Medizin usw. Bei der Chromatographie trennst du die Bestandteile von Stoffgemischen voneinander. Beispielsweise können Proteine zersetzt werden, wodurch du ein Gemisch aus Aminosäuren erhältst. Diese kannst du dann mithilfe der Chromatographie voneinander trennen. Die Analyse kann qualitativ und quantitativ sein. Bei der Chromatographie machst du dir die Eigenschaften der Stoffe bzw. Ionen und Moleküle des Gemisches sowie deren Wechselwirkungen mit der mobilen und stationären Phase zu Nutze.
Die Funktionsweise ist wie ein Fluss mit Treibgut
Stelle dir einen Fluss vor und wie das Wasser darin fließt (Abb. 2). In diesem Fluss gibt es Sand, Steine und Treibholz. Die Strömung, die durch das fließende Wasser entsteht, trägt den Sand, die Steine und das Treibholz flussabwärts. Das Treibholz schwimmt an der Wasseroberfläche und wird von dem Wasser leicht fortbewegt. Es wird von dem Wasser schnell, weit durch den Fluss getragen. Der Sand auf dem Boden des Flusses wird von dem Wasser schlechter fortbewegt. Deswegen wird der Sand von dem Wasser weniger schnell durch den Fluss transportiert als das Treibholz. Die Steine liegen ebenfalls auf dem Boden und wird am schlechtesten fortbewegt. Dazu kommt, dass die Steine schwerer als der Sand sind. Sie werden von dem Wasser langsam und wenig weit durch den Fluss transportiert.
Es gibt immer eine stationäre und eine mobile Phase
Bei der Chromatographie gibt es immer eine sogenannte mobile Phase, die die einzelnen Bestandteile des Stoffgemischs durch die stationäre Phase transportiert. In der Verbildlichung mit dem Fluss haben wir das Wasser als mobile Phase, die den Sand, die Steine und das Treibholz durch den Fluss bzw. das Flussbett transportiert. Das Flussbett ist die stationäre Phase. Die stationäre Phase bewegt sich nicht. Die mobile Phase besteht aus einem Laufmittel (z.B. Wasser) und bewegt sich gemeinsam mit dem zu trennenden Stoffgemisch durch die stationäre Phase. Die stationäre und die mobile Phase kannst du nicht ineinander lösen.
Bei der Chromatographie der Pflanzenfarbstoffe wurde Chromatographie-Papier als stationäre Phase verwendet (Abb. 3). Dieses Papier nimmt wie Filterpapier und Löschpapier Wasser und andere Flüssigkeiten gut auf. Das Papier bewegt sich nicht. Der Pflanzenfarbstoff ist das Stoffgemisch, welches getrennt wird. Zu Beginn des Versuchs gibst du mehrere Tropfen des Stoffgemischs entlang einer Linie auf das Chromatographie-Papier (Injektion). Dann stellst du das Chromatographie-Papier in ein Becherglas mit einem Laufmittel wie z.B. Ethanol. Ethanol ist in dem Fall die mobile Phase. Als Laufmittel löst es an den Punkten auf der Linie die Pflanzenfarbstoffe und trägt sie weiter durch das Chromatographie-Papier. Wenn du Pflanzenfarbstoffe auch einmal selber testen möchtest, schaue gerne bei unseren Versuchsseiten zur Chromatographie vorbei.
Das Trennverfahren beruht auf Wechselwirkungen
Warum sammeln sich die Moleküle eines bestimmten Farbstoffs an einer bestimmten Stelle im Chromatographie-Papier? Das ist schon erstaunlich. Zunächst einmal bewegt sich die mobile Phase bei der Papier-Chromatographie wegen der Kapillarwirkung durch die stationäre Phase. Bei anderen Arten der Chromatographie kannst du diese Bewegung durch Druck oder Anlegen einer elektrischen Spannung erzeugen.
In welcher Zeit Moleküle oder Ionen eines Stoffgemischs mithilfe der mobilen Phase durch die stationäre Phase getragen werden, hängt von den Wechselwirkungen der Moleküle bzw. Ionen mit der mobilen und stationären Phase ab. Welche Art von Wechselwirkungen auftritt, hängt von der Polarität der Moleküle bzw. Ionen ab. Diese Wechselwirkungen bremsen die Moleküle bzw. Ionen mehr oder weniger stark aus, durch die stationäre Phase zu Wandern. Dieses "Bremsen" nennen wir Retention. Bei den Pflanzenfarbstoffen bewegt sich Neoxanthin (gelb) nur sehr schwer durch das Chromatographie-Papier. Dass bedeutet, dass …
… die Wechselwirkung mit der stationären Phase stark ist. Neoxanthin hat eine große Neigung in dem Chromatographie-Papier zu bleiben.
… die Wechselwirkung mit der mobilen Phase und die Neigung in dem Ethanol zu bleiben gering sind.
… die Diffusionseigenschaften gering sind. Die Neoxanthin-Moleküle sind also nicht so beweglich, wie die Moleküle anderer Farbstoffe.
Was die Retention, also das Bremsen, beeinflusst, kannst du nun auf andere Bestandteile von Stoffgemischen anwenden.
Zusammenfassung
Die Chromatographie ist ein physikalisches Trennverfahren. Die mobile Phase besteht aus einem Laufmittel, das die Bestandteile eines Stoffgemisches durch die stationäre Phase transportiert. Je nachdem, wie stark die Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen des Stoffgemischs und der mobilen bzw. stationären Phase sind, werden die Bestandteile mehr oder weniger gebremst. Da die Wechselwirkungen und Eigenschaften der Bestandteile unterschiedlich sind, kann auf diese Weise das Stoffgemisch getrennt werden.
Aufgabe
In diesem Artikel haben wir dir das Beispiel mit dem Fluss und dem Treibgut gezeigt, damit du dir die Funktionsweise der Chromatographie vorstellen kannst. Beschreibe noch weitere Geschichten, wie du deinen Mitschülerinnen und Mitschülern die Funktionsweise der Chromatographie erklären kannst.
Aufgabe
Beschreibe die Retention von Carotin (Orange).