Aus welchen Farb-Bestandteilen besteht die Farbe von Spinat-Blättern (Abb. 1.1)? Wenn du den Einführungsartikel zur Chromatographie schon gelesen hast, dann hast du bestimmt schon eine Idee zur Beantwortung der Frage. Du kannst mithilfe unterschiedlicher Techniken der Chromatographie herausfinden, aus welchen Farb-Bestandteilen Pflanzenfarbe besteht. In diesem Artikel erfährst du mehr über die Säulen-Chromatographie. In Abbildung 1.2 kannst du mithilfe der Säulen-Chromatographie sehen, aus welchen Farb-Bestandteilen das Farb-Gemisch in den Blättern des Spinats besteht.
Stationäre Phase fest und mobile Phase flüssig
Die stationäre und mobile Phase der Säulen-Chromatographie ähneln der Dünnschicht-Chromatographie. Die stationäre Phase ist fest und besteht meist aus Kieselgel oder Aluminiumoxid. Allerdings ist die stationäre Phase anders angeordnet als bei der Dünnschicht-Chromatographie. Bei der Säulen-Chromatographie befindet sich die stationäre Phase in einem Rohr (Abb. 2). Dieses Rohr nennen wir Trennsäule. Die stationäre Phase in der Säule nennen wir Packungsmaterial, weil sie den Hohlraum der Säule ausfüllt.
Die mobile Phase ist meist flüssig. Du kannst auch ein Gas durch die Säule leiten. Das wird aber seltener gemacht. Die flüssige mobile Phase besteht aus einem Laufmittel und einem darin gelösten Stoffgemisch. Das Laufmittel ist ein Lösungsmittel, welches bestimmte Eigenschaften hat, je nachdem, welche Stoffe du lösen möchtest. Als unpolares Lösungsmittel kannst du beispielsweise Hexan verwenden. Als polares Lösungsmittel verwendest du Methanol oder Wasser.
Ablauf der Säulen-Chromatographie
Die Apparatur für die Säulen-Chromatographie kannst du in verschiedenen Varianten aufbauen. Auf jeden Fall befestigst Du die Säule an einem Stativ (Abb. 3.1). Am unteren Teil hat die Säule einen schmaleren Auslauf. Du kannst auch einen Hahn einbauen, um den Auslauf der mobilen Phase zeitweise zu stoppen. Am oberen Teil lässt du die Säule offen. Du kannst auch einen Trichter verwenden, um die mobile Phase leichter einfüllen zu können.
Die Säule befüllst du zuerst mit einer kleinen Schicht Glaswolle, damit die stationäre Phase nicht aus der Säule austreten kann. Du kannst auch etwas anderes, wie einen Glasfilter (Fritte), verwenden. Dann gibst du die stationäre Phase (z.B. Kieselgel) in die Säule. Oberhalb der stationären Phase befindet sich eine dünne Schicht Sand, damit nur das Laufmittel mit den gelösten Bestandteilen und keine anderen Partikel in die stationäre Phase gelangen.
- Zur Durchführung der Säulen-Chromatographie löst du das Stoffgemisch, welches du trennen möchtest, in dem Laufmittel. Das Laufmittel und die gelösten Bestandteile sind die mobile Phase.
- Dann gibst du das Stoffgemisch der mobilen Phase langsam in die obere Öffnung der Säule (Abb. 3.2), bis sie sich vollständig oben in der Säule befindet (Abb. 3.3). Später wirst du immer wieder etwas Laufmittel in die Säule geben, damit die stationäre Phase nicht wieder trocken wird und sich die Bestandteile weiterhin durch die stationäre Phase bewegen können.
- Die mobile Phase bewegt sich nun durch die stationäre Phase. Dabei fängt das Stoffgemisch an, sich zu trennen (Abb. 3.4). Der Bestandteil 1 hat sich in der Säule schon ein Stück fortbewegt.
- Der Bestandteil 1 bewegt sich in der gleichen Zeit schneller durch die Säule als der Bestandteil 2 (Abb. 3.5, Abb. 3.6).
- Der Bestandteil 1 verlässt deshalb schon die Säule und du kannst ihn in einem Becherglas oder anderem Gefäß auffangen (Abb. 3.7, Abb. 3.8).
- Danach folgt der Bestandteil 2 (Abb. 3.9, Abb. 3.10).
- Am Ende liegt dein Stoffgemisch getrennt vor (Abb. 3.11). Die Bestandteile deines Stoffgemischs sind weiterhin in dem Laufmittel gelöst. Diese Lösungen nennst du Eluat.
Wechselwirkungen auf der Teilchenebene
Das Trennprinzip der Säulen-Chromatographie beruht wieder auf der unterschiedlichen Adsorption der gelösten Bestandteile in Form von Molekülen oder Ionen an der stationären Phase. Die Adsorption beschreibt, wie sehr die Teilchen sich an der stationären Phase anlagern. Das Anlagern und Ablösen findet hier als Wechselwirkung zwischen den Farbstoff-Teilchen in der mobilen Phase und den Teilchen der stationären Phase statt. Zwischen den Farbstoff-Teilchen und den Teilchen des Laufmittels herrschen ebenso Wechselwirkungen. Diese Wechselwirkungen sind je nach der Polarität der Teilchen des Laufmittels und der Farbstoff-Teilchen mehr oder weniger stark. Wie schnell sich die Farbstoff-Teilchen durch die Poren der stationären Phase bewegen, hängt zusätzlich mit deren Diffusionseigenschaften zusammen.
Zusammenfassung
Bei der Säulen-Chromatographie befindet sich die stationäre Phase in einer Säule aus Glas. Sie enthält meist Kieselgel oder Aluminiumoxid. Die mobile Phase ist eine Flüssigkeit. Sie besteht aus einem Laufmittel und den darin gelösten Bestandteilen eines Stoffgemisches. Du gibst das Stoffgemisch der mobilen Phase oben in die Säule hinein, damit dieses sich durch die stationäre Phase bewegen kann. Du gibst später immer weiter Laufmittel hinzu, damit der Inhalt der Säule nicht trocken fällt. Durch unterschiedliche Wechselwirkungen bewegen sich die Teilchen, die in dem Laufmittel gelöst sind, unterschiedlich schnell durch die Säule. Auf diese Weise trennt sich das Stoffgemisch in die einzelnen Bestandteile und du kannst diese gelöst im Lösungsmittel getrennt voneinander auffangen.