Einfache und fraktionierte Destillation einfach erklärt

Hast du dich jemals gefragt, wie man aus stark riechenden Blüten ein intensives Parfüm herstellt oder wie aus einem leichten Wein ein starkes Getränk wird? Die Antwort ist ein faszinierender chemischer Prozess: die Destillation. In dieser Lektion lernst du die Grundlagen der einfachen und fraktionierten Destillation kennen. Wir schauen uns genau an, wie man Flüssigkeiten voneinander trennt, indem man sie kocht und wieder abkühlt, was dabei mit den winzigen Teilchen passiert und wie Profis selbst die kompliziertesten Gemische auftrennen.

Vorwissen

• Siedetemperatur: Die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit zu einem Gas wird. Beispiel: Wasser siedet bei $100 \text{ °C}$ und wird zu Wasserdampf.
• Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen. Beispiel: In einer Flüssigkeit bewegen sich die Teilchen durcheinander, im Gas fliegen sie mit großem Abstand frei umher.

Aufgabentyp 1: Prinzip und Vorhersage der Destillation

Wenn wir zwei gemischte Flüssigkeiten trennen wollen, nutzen wir ihre unterschiedlichen Siedetemperaturen. Dieser Vorgang heißt Destillation. Erhitzen wir zum Beispiel ein Gemisch aus Alkohol (siedet bei $78 \text{ °C}$) und Wasser (siedet bei $100 \text{ °C}$), fängt der Alkohol zuerst an zu sieden und wird zu Gas. Dieses Gas fangen wir auf und kühlen es ab, bis es wieder flüssig wird.

Dabei gilt eine Grundregel: Je weiter die Siedetemperaturen der Flüssigkeiten auseinanderliegen, desto besser funktioniert die Trennung. Allerdings gibt es eine Einschränkung: Selbst wenn wir ganz langsam und behutsam destillieren, können wir Alkohol und Wasser mit einer einfachen Destillation niemals vollständig voneinander trennen. Es verdampft immer auch ein bisschen Wasser mit.

Wenn man alkoholische Lösungen wie Wein destilliert, nennt man das auch Brennen. Das Ergebnis ist sogenannter Branntwein (Spirituosen), der einen viel höheren Alkoholgehalt hat als die ursprüngliche vergorene Flüssigkeit.

Warum verdampft der Alkohol eigentlich zuerst? Das können wir mit dem Teilchenmodell erklären. Zwischen allen Teilchen wirken Anziehungskräfte, die sie zusammenhalten.

Der beobachtete Ablauf beruht auf der Tatsache, dass die Anziehungskräfte zwischen den Alkohol-Teilchen viel geringer sind als die zwischen den Wasser-Teilchen. Die Alkohol-Teilchen können sich beim Erhitzen also leichter voneinander losreißen.

Wenn wir das Gemisch erhitzen, gelangen bei tieferen Temperaturen zunächst mehr Alkohol-Teilchen und nur sehr wenige Wasser-Teilchen aus der Lösung in den Raum über der Flüssigkeit. Im Gegensatz zur Flüssigkeit sind im Gasraum also die Alkohol-Teilchen stark angereichert. Erst wenn wir die Temperatur weiter erhöhen, gelangen auch immer mehr Wasser-Teilchen in diesen Bereich.

Um Flüssigkeitsgemische noch effektiver zu trennen, benutzt man eine sogenannte Fraktionierkolonne. Das ist ein langes Glasrohr, das oft mit kleinen Glaskugeln oder Glasvorsprüngen (Füllkörpern) gefüllt ist und direkt auf den Erhitzer aufgesetzt wird.

In dieser Kolonne nimmt die Temperatur von unten nach oben ab. Wenn das heiße Gas aufsteigt, kühlt es an den Füllkörpern ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit läuft nach unten in wärmere Bereiche und verdampft dort sofort erneut. Entlang der Kolonne kommt es also zu einer Abfolge von unzähligen Kondensations- und Verdampfungsschritten.

Durch dieses ständige Wiederholen reichert sich der leichter flüchtige Bestandteil am oberen Ende der Kolonne immer weiter an. Bei hochkomplexen Gemischen wie Erdöl ist eine vollständige Trennung in einzelne, reine Bestandteile jedoch unmöglich. Stattdessen erhält man sogenannte Flüssigkeitsfraktionen. Das sind Gemische von Stoffen, die alle eine sehr ähnliche Siedetemperatur haben.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde heraus, welcher Stoff die niedrigere Siedetemperatur hat. Dieser Stoff ist leichter flüchtig.
2. Erkläre, dass der leichter flüchtige Stoff schwächere Anziehungskräfte zwischen seinen Teilchen hat und sich diese deshalb beim Erhitzen leichter voneinander losreißen.
3. Entscheide, welcher Stoff sich im Dampf anreichert und ob eine einfache Destillation ausreicht (bei großem Temperaturunterschied) oder ob eine fraktionierte Destillation nötig ist (bei sehr ähnlichen Siedetemperaturen oder komplexen Gemischen).

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Durch Destillation trennt man Flüssigkeiten anhand ihrer unterschiedlichen Siedetemperaturen.
• Stoffe mit schwächeren Anziehungskräften zwischen den Teilchen (wie Alkohol) verdampfen leichter und reichern sich im Gas an.
• Die fraktionierte Destillation nutzt eine Kolonne mit abnehmender Temperatur für unzählige Verdampfungs- und Kondensationsschritte, um Gemische noch besser zu trennen.