Destillation und fraktionierte Destillation einfach erklärt

In der Chemie ist die Destillation und fraktionierte Destillation ein unverzichtbares Trennverfahren. Stell dir vor, du hast versehentlich zwei Flüssigkeiten zusammengeschüttet. Wenn du Sand und Wasser mischst, kannst du den Sand einfach mit einem Filter herausfiltern. Aber was machst du, wenn sich zwei Flüssigkeiten komplett miteinander vermischt haben und ein Filter völlig nutzlos ist?

Genau hier kommt ein genialer Trick aus der Chemie ins Spiel: Wir nutzen Hitze! In dieser Lektion lernst du, wie man Flüssigkeiten durch Kochen und Abkühlen wieder voneinander trennen kann und was dabei mit den unsichtbaren kleinen Teilchen passiert.

Vorwissen

• Siedetemperatur: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit anfängt zu kochen und zu einem Gas wird.

  Beispiel: Wasser kocht bei $100 \text{ }^\circ\text{C}$.

• Verdampfen und Kondensieren: Verdampfen ist der Wechsel von flüssig zu gasförmig. Kondensieren ist der umgekehrte Weg (gasförmig zu flüssig).

  Beispiel: Wenn heißer Wasserdampf auf einen kalten Spiegel trifft, bilden sich wieder flüssige Wassertropfen (Kondensation).

• Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen.

  Beispiel: In einer Flüssigkeit bewegen sich die Teilchen dicht aneinander vorbei, in einem Gas fliegen sie weit voneinander entfernt frei herum.

Aufgabentyp 1: Vorhersage und Ablauf einer Destillation

Um Destillationsprozesse richtig vorherzusagen, musst du das Prinzip der einfachen und fraktionierten Destillation im Detail verstehen. Die Destillation ist ein Trennverfahren für flüssige Gemische. Sie funktioniert, weil verschiedene Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen kochen (sieden). Ein Stoff, der bei einer niedrigen Temperatur kocht, wird als 'flüchtig' bezeichnet.

Stell dir vor, wir haben ein Gemisch aus Alkohol (Siedetemperatur $78 \text{ }^\circ\text{C}$) und Wasser (Siedetemperatur $100 \text{ }^\circ\text{C}$). Wenn wir dieses Gemisch langsam erhitzen, erreicht es zuerst die $78 \text{ }^\circ\text{C}$. Der Alkohol beginnt zu verdampfen, während das Wasser größtenteils noch flüssig bleibt. Der Alkoholdampf steigt auf, wird in ein kaltes Rohr geleitet, kühlt dort ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit tropft am Ende in ein neues Gefäß.

Merksatz: Durch Destillation können Gemische aus Flüssigkeiten umso besser getrennt werden, je weiter deren Siedetemperaturen auseinander liegen.

Es gibt jedoch eine wichtige Grenze: Selbst wenn du sehr langsam und vorsichtig erhitzt, verdampft immer auch ein kleines bisschen Wasser mit. Daher ist es in einem einzigen Schritt unmöglich, Alkohol und Wasser vollständig zu trennen. Das aufgefangene Destillat ist immer noch ein Gemisch, aber es ist nun stark mit dem flüchtigeren Alkohol angereichert. Dieses Prinzip wird zum Beispiel genutzt, um aus einer vergorenen Weinlösung hochprozentigen Branntwein herzustellen.

Warum verdampft der Alkohol eigentlich früher als das Wasser? Um das zu verstehen, müssen wir uns die Flüssigkeit stark vergrößert im Teilchenmodell ansehen.

Zwischen allen Teilchen in einer Flüssigkeit wirken unsichtbare Anziehungskräfte, die sie wie kleine Magnete zusammenhalten. Der Unterschied ist: Die Anziehungskräfte zwischen den Alkoholteilchen sind viel schwächer als die starken Anziehungskräfte zwischen den Wasserteilchen.

Weil die Alkoholteilchen nicht so stark aneinander festhalten, können sie sich schon bei niedrigeren Temperaturen voneinander losreißen und in die Gasphase entkommen. Die Wasserteilchen halten sich hingegen so stark fest, dass sie erst bei höheren Temperaturen in nennenswertem Umfang in die Gasphase übergehen.

Das bedeutet: Wenn wir das Gemisch erhitzen, gehen viel mehr Alkoholteilchen in den Raum über der Flüssigkeit über als Wasserteilchen. Die Gasphase wird also mit den flüchtigeren Teilchen angereichert. Wenn dieses Gas dann abkühlt und kondensiert, besteht das neue flüssige Gemisch (das Destillat) hauptsächlich aus Alkohol.

Wie wir gelernt haben, trennt eine einfache Destillation nicht perfekt. Wenn wir ein Gemisch fast vollständig trennen wollen, nutzen wir die fraktionierte Destillation.

Merksatz: Mit der fraktionierenden Destillation können Flüssigkeitsgemische getrennt werden. Die Trennung erfolgt durch mehrmaliges Verdampfen und Kondensieren des Gemisches in einer speziellen Destillationskolonne.

Eine Destillationskolonne ist ein langes, senkrechtes Glasrohr, das auf den Erhitzungskolben gesetzt wird. Im Inneren befinden sich kleine Füllkörper oder Glasvorsprünge. Das Besondere an dieser Kolonne ist ihr Temperaturgradient: Unten, nah an der Heizquelle, ist es sehr heiß. Je weiter man nach oben kommt, desto kühler wird es.

Wenn der Dampf aufsteigt, trifft er auf die Glasvorsprünge und kühlt ab. Er kondensiert zu Flüssigkeit und tropft wieder ein Stück nach unten in wärmere Bereiche. Dort verdampft die Flüssigkeit sofort wieder. Dieser Zyklus aus Kondensieren und Verdampfen wiederholt sich in der Kolonne unzählige Male. Bei jedem dieser Schritte wird der Dampf reiner. Am ganz oberen Ende der Kolonne kommt schließlich fast nur noch der am leichtesten flüchtige Stoff an.

Flüssigkeitsfraktionen: Manche Gemische, wie zum Beispiel rohes Erdöl, bestehen aus hunderten verschiedenen Stoffen. Eine absolut reine Trennung jedes einzelnen Stoffes ist hier unmöglich. In riesigen Raffinerien nutzt man riesige Kolonnen, um das Erdöl in Gruppen von Stoffen aufzuteilen, die ähnliche Siedetemperaturen haben. Diese Stoffgruppen nennt man Fraktionen (z. B. Benzin, Diesel oder Schmieröl).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Wenn du in einer Aufgabe vorhersagen sollst, wie sich ein Gemisch bei der Destillation verhält, folge diesen Schritten:

1. Siedetemperaturen vergleichen: Suche die Siedetemperaturen aller Flüssigkeiten im Gemisch heraus.
2. Den flüchtigsten Stoff bestimmen: Der Stoff mit der niedrigsten Siedetemperatur ist am flüchtigsten. Seine Teilchen haben die schwächsten Anziehungskräfte.
3. Den Ablauf beschreiben: Erkläre, dass der flüchtigste Stoff zuerst verdampft, im Kühler kondensiert und sich im Auffanggefäß anreichert.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Die Destillation trennt Flüssigkeiten anhand ihrer unterschiedlichen Siedetemperaturen.
• Je flüchtiger ein Stoff ist (niedrige Siedetemperatur), desto schwächer sind die Anziehungskräfte zwischen seinen Teilchen.
• Eine einfache Destillation liefert keine 100%ige Trennung, sondern reichert den flüchtigeren Stoff nur an.
• Die fraktionierte Destillation nutzt eine Kolonne für ständiges Verdampfen und Kondensieren, was die Trennung stark verbessert.
• Bei sehr komplexen Gemischen wie Erdöl entstehen Fraktionen (Stoffgruppen mit ähnlichen Siedetemperaturen).