Trennung und Analyse von Stoffgemischen einfach erklärt

Wusstest du, dass man eine Tafel Schokolade im Labor in ihre Einzelteile zerlegen kann, um genau herauszufinden, wie viel Fett oder Zucker wirklich darin steckt?

In dieser Lektion zur Trennung und Analyse von Stoffgemischen lernst du, wie Chemiker mit cleveren Tricks wie Extraktion und Filtration alltägliche Lebensmittel in ihre Bestandteile auftrennen. Anschließend wirst du lernen, wie man genau berechnet, wie groß der Anteil jedes einzelnen Stoffes ist.

Vorwissen

• Stoffgemische: Bestehen aus mehreren reinen Stoffen, die nur miteinander vermischt sind. Beispiel: Salzwasser ist ein Gemisch aus den reinen Stoffen Salz und Wasser.
• Löslichkeit: Gibt an, ob sich ein Stoff in einer bestimmten Flüssigkeit auflöst. Beispiel: Zucker löst sich in Wasser auf, aber Sand nicht.

Aufgabentyp 1: Stoffgemische trennen durch Extraktion und Filtration

Schokolade ist ein Stoffgemisch, das hauptsächlich aus Fett, Zucker und Kakaopulver besteht. Um diese Stoffe voneinander zu trennen, nutzen wir aus, dass sie sich in verschiedenen Flüssigkeiten unterschiedlich gut lösen.

Der erste Schritt heißt Extraktion (herausziehen). Wir geben ein Lösungsmittel zu unserem Gemisch, das gezielt nur einen einzigen Stoff auflöst. Wenn wir zum Beispiel warmes Aceton zur Schokolade geben, löst sich nur das Fett darin auf. Der Zucker und der Kakao bleiben fest.

Um nun die Flüssigkeit von den festen Resten zu trennen, nutzen wir die Filtration. Wir gießen alles durch einen Faltenfilter aus Papier. Die Flüssigkeit mit dem gelösten Fett tropft hindurch – das nennen wir Filtrat. Die festen Stücke (Zucker und Kakao) bleiben im Filter hängen – das ist der Filterrückstand.

Wenn wir danach den Zucker vom Kakao trennen wollen, können wir den Filterrückstand einfach mit warmem Wasser waschen. Das Wasser extrahiert nun den Zucker, und der Kakao bleibt als letzter unlöslicher Rest im Filter zurück.

Wie viel Fett steckt in der Schokolade?

Zweck: Wir trennen das Fett aus der Schokolade ab, um es sichtbar zu machen.

Materialien: $10 \text{ g}$ geriebene Schokolade, Aceton, 2 Bechergläser, Trichter, Faltenfilter, warmes Wasserbad.

⚠️ Sicherheitshinweis: Aceton ist leicht entzündlich! Nur im warmen Wasserbad erwärmen, niemals über einer offenen Flamme. Das Verdampfen muss zwingend im Abzug stattfinden.

Durchführung:

1. Gib die geriebene Schokolade in ein Becherglas und füge etwas Aceton hinzu.
2. Stelle das Becherglas in ein warmes Wasserbad und rühre vorsichtig um.
3. Lege den Faltenfilter in den Trichter und stelle ihn auf das zweite Becherglas.

4. Gieße die Mischung durch den Filter.
5. Stelle das Becherglas mit der durchgetropften Flüssigkeit in den Abzug und warte, bis die Flüssigkeit verschwunden ist.

Beobachtung: Die Flüssigkeit, die durch den Filter tropft, ist gelblich. Nach einiger Zeit im Abzug ist die Flüssigkeit komplett verschwunden und am Boden des Becherglases bleibt eine gelbliche, schmierige Masse zurück.

Erklärung: Das Aceton hat das Fett aus der Schokolade extrahiert. Durch die Filtration wurde es vom Kakao getrennt. Durch das anschließende Verdampfen des Acetons bleibt am Ende nur das reine Fett übrig.

Aufgabentyp 2: Gewinnung gelöster Stoffe durch Eindampfen

Nach der Filtration haben wir das Fett zwar vom Kakao getrennt, aber es schwimmt noch unsichtbar im Lösungsmittel (Aceton). Wie bekommen wir das reine Fett zurück?

Hier hilft uns das Eindampfen. Jeder Stoff hat eine bestimmte Temperatur, bei der er kocht und zu Gas wird (Siedepunkt). Lösungsmittel wie Aceton oder Heptan sind „leichtflüchtig“. Das bedeutet, sie verdampfen schon bei sehr niedrigen Temperaturen oder sogar einfach beim Stehenlassen an der Luft.

Das gelöste Fett hingegen verdampft nicht. Wenn wir die Lösung also einfach stehen lassen oder ganz vorsichtig erwärmen, verschwindet das Lösungsmittel als Gas in die Luft. Zurück bleibt der reine, feste oder schmierige Stoff, den wir extrahiert haben. Jetzt können wir ihn problemlos wiegen!

Aufgabentyp 3: Berechnung des Massenanteils

Wenn wir das reine Fett gewogen haben, wollen wir oft wissen, wie viel Prozent der gesamten Schokolade aus Fett bestehen. Das nennt man den Massenanteil.

Der Massenanteil vergleicht die Masse des einzelnen Bestandteils mit der Masse des gesamten Gemisches.

Die Formel dafür lautet:

$w(\text{Bestandteil}) = \frac{\textcolor{#FFCE51}{m_{\text{Bestandteil}}}}{\textcolor{#CE5331}{m_{\text{Gemisch}}}} \cdot 100\ \%$

Das kleine $w$ steht dabei für den Massenanteil (vom englischen Wort „weight fraction“), und das kleine $m$ steht für die Masse (meistens in Gramm).

Schritt-für-Schritt-Anleitung

1. Finde die Masse des gesamten Gemisches und die Masse des extrahierten Stoffes in der gleichen Einheit.
2. Schreibe die Formel auf und ersetze die Variablen durch deine Zahlen.
3. Teile die kleine Masse durch die große Masse und multipliziere das Ergebnis mit 100.

Durchgerechnete Beispiele

Wichtige Erkenntnisse

• Extraktion: Ein Lösungsmittel zieht gezielt einen bestimmten Stoff aus einem Gemisch heraus.
• Filtration: Trennt die Flüssigkeit (Filtrat) von den ungelösten Feststoffen (Filterrückstand).
• Eindampfen: Das flüchtige Lösungsmittel verdampft, und der reine Stoff bleibt zurück.
• Massenanteil: Berechnet sich mit der Formel $w = \frac{m_{\text{Bestandteil}}}{m_{\text{Gemisch}}} \cdot 100\ \%$.