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B978-3-437-29695-6.50011-X

10.1016/B978-3-437-29695-6.50011-X

978-3-437-29695-6

Extraktion des Stoffes A (K = 3) aus der Wasser- in die Etherphase. Die unterschiedlichen Tönungen spiegeln die verschiedenen Konzentrationen des Stoffes A wider.

Darstellung der Osmose. Zustand zu Beginn des Experiments (I) und nach Erreichen des Gleichgewichts (II) (→ Diffusionsrichtung des Lösungsmittels; p = hydrostatischer Überdruck, der posm der Lösung entspricht).

Einstellung eines Donnan-Gleichgewichtes (→ Diffusionsrichtung von Ionen; ⇒ osmotischer Druck, Prot = Protein-Anion); a) Ausgangslage, b) Donnan-Gleichgewicht.

Einfache Destillationsapparatur.

Stofftrennung durch Säulenchromatographie (SC).

  • I:

    Stoffgemisch A/B, im Fließmittel gelöst, wird auf die stationäre Phase (in einer Glassäule) aufgegeben.

  • II:

    Mit dem Fließmittel (= Elutionsmittel) wird nachgewaschen, A und B trennen sich bei der Wanderung durch die Säule.

  • III:

    B ist mit dem Elutionsmittel aus der Säule herausgetropft und befindet sich im Eluat.

  • IV:

    A ist mit dem Elutionsmittel herausgetropft und befindet sich im Eluat.

Schematische Zeichnung eines Dünnschichtchromatogramms (DC). (I) Reine Substanz A und ein Substanzgemisch sind an der Startlinie aufgetragen. (II) Nach der Entwicklung des DC: a = Laufstrecke von Reinsubstanz A, b = Laufstrecke von Reinsubstanz B, c = Laufstrecke des Fließmittels, Rf-Wert für A: a/c; Rf-Wert für B: b/c.

Beispiel für ein Gaschromatogramm. Getrennt wurden die flüchtigen Aromastoffe im Pfefferminztee. Die Trennung erfolgte an einer Kieselgel-Normalphase (CP-Sil 8 CB) mit Helium als Trägergas. Anzeige der Peaks in einem Flammen-Ionisations-Detektor (FID).

Beispiel für eine HPLC-Trennung. Getrennt wurde der Myzelextrakt des Pilzes aus Roquefort-Käse (Penicillium roqueforti). Unter den sechs Hauptkomponenten befindet sich das Mykotoxin Roquefortin C, ferner sind zahlreiche Nebenkomponenten zu sehen. Die Trennung erfolgte an einer RP18-Säule (Nucleodur 100-5 C18 ec, 250 × 3 mm) mit Acetonitril/Wasser (0,1 % Trifluoressigsäure enthaltend) als Fließmittel, Anzeige der Peaks im UV-Detektor bei 254 nm.

Verschiedene Arten der Chromatographie.

Tab. 5/1
stationäre Phase mobile Phase
Flüssigkeitschromatographie (LC)
1) Säulenchromatographie (SC; Abb. 5/5) Adsorbenzien: Kieselgel, Aluminiumoxid, Cellulose, RP-Kieselgel organische Lösungsmittel (auch gemischt mit Wasser)
2) Hochdruck-Flüssigkeits­chromatographie (HPLC) Adsorbenzien wie oben, je­doch in druckfesten Säulen wie oben, jedoch unter hohem Druck (bis 300 bar)
3) Dünnschichtchromatographie (DC; Abb. 5/6) Adsorbenzien wie oben, jedoch in dünner Schicht auf Glas oder Alufolie wie oben
4) Papierchromatographie saugfähiges Papier organische Lösungsmittel gemischt mit Wasser
5) Gelchromatographie (= Gelfiltration) Polysaccharid-Matrix mit Hohlräumen Wasser oder organische Lösungsmittel
6) Ionenaustausch chromatographie poröse Polymer-Matrix mit ionischen Gruppen an der Oberfläche Wasser, wässrige Puffer­lösungen, Salzlösungen
7) Affinitätschromatographie Polymer-Matrix mit Mole­külen an der Oberfläche, die nur mit den gesuchten Molekülen eine Wechsel­wirkung eingehen Wasser
Gaschromatographie (GC; Abb. 5/7) Trägermaterial in einer Säule, beladen mit einer hochsiedenden Flüssigkeit, heizbarer Ofen H2, He, N2 oder Ar als Trägergas
Kapillar-GC hochsiedende Flüssigkeiten als Film in einer Glaskapil­lare, heizbarer Ofen wie oben

Heterogene Gleichgewichte

Orientierung

Ein Sturm wirbelt das Meer auf. An der Grenze zwischen Luft und Wasser findet ein Stoffaustausch statt. Sauerstoff wird vom Wasser aufgenommen und Wasserdampf geht in die Atmosphäre über. An der Phasengrenze heterogener Systeme (unser Beispiel: gasförmig/flüssig) stellt sich hinsichtlich des Stoffaustausches ein Gleichgewicht ein, es gibt ein dynamisches Hin und Her an der Phasengrenze. Die Austauschprozesse folgen physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die Stoffe werden dabei chemisch nicht verändert.

Im menschlichen Körper sind Organe/Gewebe gegeneinander abgegrenzt, für jede einzelne Körperzelle gibt es ein Innen und ein Außen, getrennt durch die Zellmembran. Alle Teile des Körpers sind aber durch den Stoffwechsel miteinander verbunden, d. h., es gibt einen kontinuierlichen Stoffaustausch zwischen den verschiedenen Phasen, z. B. verteilt sich der Sauerstoff der Atemluft zwischen Lunge, Blut und Gewebe. Heterogene Gleichgewichte spielen um uns herum eine wichtige Rolle, u. a. auch in der chemischen und biochemischen Analytik.

Antwort erhalten Sie u. a. auf folgende Fragen:

  • Was sind gesättigte Lösungen?

  • Wie verhalten sich chemische Substanzen in mehrphasigen Systemen?

  • Was ist eine Membran und was gibt es beim Stofftransport zu beachten?

  • Welche analytischen Trennverfahren basieren auf einem Phasenwechsel bzw. darauf, dass Stoffe Wechselwirkungen mit unterschiedlichen Phasen zeigen?

  • Wie funktioniert die Dialyse und was müssen Tieftaucher beim Auftauchen beachten?

Gesättigte Lösungen und Löslichkeit

Lösungen sind Stoffgemische. Sie entstehen, wenn ein fester, flüssiger oder gasförmiger Stoff in einem Lösungsmittel (Solvens) gelöst wird. Die Lösung ist homogen ( Kap. 4.7.2). Man betrachtet solche Systeme in der Regel bei Raumtemperatur.
Feststoff.
Eine gesättigte Lösung entsteht, wenn man so viel von einem Feststoff A (z. B. Kochsalz) zu einer bestimmten Menge des Lösungsmittels (z. B. Wasser) gibt, bis dieses kein A mehr aufnehmen kann und A als Festkörper in der Lösung sichtbar wird. An der Phasengrenze fest/flüssig herrscht ein dynamisches Gleichgewicht in der Form, dass ständig kleine Mengen von A in Lösung gehen, während sich pro Zeiteinheit genauso viel A als Feststoff abscheidet. Die gelöste Menge A ist bei gegebener Temperatur für ein bestimmtes Lösungsmittel charakteristisch und wird in mol/L oder g/L angegeben. Die Sättigungskonzentration entspricht der Löslichkeit des Feststoffes, sie beträgt für Kochsalz in Wasser 358 g/L bei 20 °C.

gesättigte Lösung

Löslichkeit

Flüssigkeiten.
Ist ein in Wasser zu lösender Stoff B ebenfalls eine Flüssigkeit (z. B. Diethylether), so bildet sich nach Erreichen der Sättigung ein zweiphasiges System (Abb. 5/1): Das Lösungsmittel Wasser ist mit Ether (B) gesättigt, aber auch der Ether (B) ist mit dem Lösungsmittel Wasser gesättigt. Die überwiegend aus Wasser bestehende Phase befindet sich unten (Unterphase), während der vom spezifischen Gewicht her leichtere Ether die Oberphase bildet. Bei zwei Flüssigkeiten gibt es auch den Fall, dass sie sich vollständig ineinander lösen und in jedem Konzentrationsverhältnis nur eine Phase bilden. Die Flüssigkeiten sind in diesem Fall vollständig miteinander mischbar (z. B. Ethanol/Wasser).
Gase.
Leitet man ein Gas in Wasser ein, so „verschwindet” es anfangs im Wasser, man sagt, es ist physikalisch gelöst, erst nach einer Weile perlt es durch das Wasser hindurch. Sättigung ist erreicht, wenn das Gas vollständig durch das Lösungsmittel perlt, also nichts mehr in Lösung geht. Es stellt sich an der Phasengrenzfläche Gas/Flüssigkeit ein Gleichgewicht ein. Die Löslichkeit ist hier außer von der Temperatur auch vom Druck des Gases über dem Lösungsmittel abhängig. In 1 L Wasser lösen sich bei 1013 hPa und 20 °C z. B. 27 mL (= 43,4 mg) O2 oder 860 mL (= 1690 mg) CO2.

Die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit nimmt mit steigendem Druck zu, mit steigender Temperatur hingegen ab ( Kap. 5.3).

Alle Gewässer enthalten in den oberen Schichten im Wasser gelösten Sauerstoff. Wird dieser von Tieren und Pflanzen verbraucht, muss er von der Oberfläche her (Phasengrenzfläche zur Luft) nachgeliefert werden. Vereinfacht wird dies, wenn das Wasser z. B. durch den Wind aufgewirbelt und bewegt wird (Vergrößerung der Oberfläche).

Taucher leben gefährlich

Unter höherem Druck lösen sich die Gase der Atemluft im Blut besser als unter Normaldruck. Dies gilt auch für den nicht stoffwechselaktiven Stickstoff (N2), der anteilig auch im Blut gelöst ist. Wird der Außendruck plötzlich erniedrigt, bilden die dann überschüssigen Gasanteile (insbesondere N2) Gasbläschen im Blut, ähnlich wie man es beim Öffnen einer vollen Sprudelflasche für CO2 beobachten kann. Da bereits wenige Gasblasen im Blut zum Tode führen können (Gasembolie), müssen Taucher langsam an die Wasseroberfläche zurückkehren. In der Tiefe ist mehr N2 im Blut gelöst als unter Normaldruck an der Oberfläche. Zur Vermeidung eventueller Zwischenfälle ersetzt man den Stickstoff der Atemluft für Taucher gern durch das Edelgas Helium, von dem sich nur wenig im Blut löst. Die Tendenz zur Bläschenbildung bei der Druckentlastung lässt sich so vermindern. Da das Gasgemisch (21 % O2, 79 % He) weniger viskos ist, wird es auch als „Kunstluft” bei Asthmatikern verwendet.

Gasembolie

Einfluss der Polarität.
Die Löslichkeit eines Stoffes hängt u. a. von seiner Polarität, von der Polarität des Lösungsmittels und von der Temperatur ab. Die Polarität eines Stoffes mit kovalenten Bindungen hängt von dem Anteil polarisierter Atombindungen ab ( Kap. 3.4.8), Salze sind an sich schon polar, weil sie aus Ionen aufgebaut sind ( Kap. 3.3.5). Wasser als polares Lösungsmittel löst Stoffe, die selbst polar sind (z. B. Salze) oder wenigstens polare Gruppen enthalten (z. B. OH-, NH2- oder COOH-Gruppen). Die Löslichkeit von Salzen betrachten wir in Kapitel 7 genauer. Ein flüssiger Kohlenwasserstoff (z. B. Hexan oder Benzol) enthält keine polarisierten Atombindungen, er ist unpolar. Dient Hexan als Lösungsmittel, so löst es nur unpolare Stoffe (z. B. Lipide). Auf der Basis von Polaritätsbeziehungen gilt:

Gleiches löst sich in Gleichem.

Statt der Begriffspaare polar/unpolar im Zusammenhang mit der Löslichkeit verwendet man häufig auch die Begriffe hydrophil/hydrophob (griech. hydor = Wasser, phil = liebend, phob = abstoßend), wobei man sich auf das Wasser bezieht. Nimmt man die unpolaren Lipide (griech. lipos = Fett) als Bezugspunkt, ergeben sich die Begriffe lipophob/lipophil.

hydrophil/hydrophob

lipophob/lipophil

Alle lebenden Organismen bedienen sich des Wassers als Lösungsmittel. Viele für den Menschen wichtige Substanzen sind wasserlöslich (= hydrophil, polar). Dies gilt z. B. für Glucose und Aminosäuren, die im Stoffwechsel weiterverarbeitet werden, und für Stoffwechsel-Endprodukte (z. B. Harnsäure, Harnstoff), die ausgeschieden werden. Auch im Zytoplasma einer Zelle liegen Enzyme oder Stoffwechsel-Zwischenprodukte im wässrigen Milieu gelöst vor. Ausgeprägt hydrophobe Eigenschaften findet man im Bereich der Zellmembran, d. h. immer dort, wo Lipide in Wechselwirkung treten.

Nernst-Verteilungsgesetz

Verteilungsprozesse im Körper

Arzneistoffe, die auf das Nervensystem wirken, müssen ausreichend lipophil sein. Sie müssen aber auch hydrophile Anteile aufweisen, weil sie nur über die Blutbahn an den Wirkort gelangen können. Es muss die sog. Blut-Hirn-Schranke überwunden werden, die in Form eines bestimmten Gewebes (Glia, Kapillarendothel) zwischen Blutgefäßen und Nervenzellen den Austausch von Stoffen einschränkt oder verhindert. Narkosemittel z. B. überwinden diese Schranke, für die Wirkung ist dann der Verteilungskoeffizient zwischen neuronalen Membranen und dem umgebenden Liquorraum bedeutsam.
Verteilungsvorgänge können auch negative Auswirkungen haben. Zahlreiche lipophile Insektizide auf der Basis chlorierter Kohlenwasserstoffe (CKWs), wie DDT und Lindan ( Kap. 13.5), haben sich weltweit in der Biosphäre verteilt. Diese toxischen Stoffe reichern sich über die Nahrungskette Pflanze → Tier → Mensch auch im Fettgewebe des Menschen an und verweilen dort über Jahre, weil ihre biologische Halbwertszeit lang ist. In manchen Gegenden der Erde weist z. B. die Muttermilch CKW-Konzentrationen auf, die für Säuglinge bedenklich sind.
Wir betrachten jetzt zwei Lösungsmittel, die nach dem Umschütteln zwei Phasen bilden, eine Oberphase und eine Unterphase (z. B. Hexan/Wasser, Diethylether/Wasser, Wasser/Chloroform). Gibt man zu einem solchen zweiphasigen System einen Stoff A, der in beiden Lösungsmitteln löslich ist, und schüttelt kräftig um, so wird sich A zwischen den beiden Phasen verteilen. An der Grenzfläche der Phasen wechseln einzelne Moleküle von A aus der Oberphase in die Unterphase und umgekehrt (reversibler Stofftransport). Es stellt sich ein Verteilungsgleichgewicht ein. Bei gegebener Temperatur ist das Verhältnis der Konzentrationen des Stoffes, der sich zwischen zwei Phasen verteilt, konstant.

Verteilungsgleichgewicht

Nernst - Verteilungsgesetz : [ A ] ( Oberphase ) [ A ] ( Unterphase ) = K

K = Verteilungskoeffizient
[A] = Konzentration des Stoffes A (in mol/L oder g/L)
Beispiele:
Hat ein Stoff A bei der Verteilung zwischen Diethylether/Wasser den Wert K = 3, so bedeutet dies bei gleichen Volumina der Phasen, dass sich 3 Teile (= 75 %) von Stoff A in der Oberphase (Ether) und 1 Teil (= 25 %) in der Unterphase (Wasser) befinden. Stoff A ist also eher lipophil, weil Ether ein lipophileres Lösungsmittel als Wasser ist. Hat ein anderer Stoff B einen Verteilungskoeffizienten K = 0,33, so kehrt sich die Verteilung um (25 % Oberphase/75 % Unterphase), der Stoff B ist eher hydrophil.
Liegt der oben betrachtete Stoff A in Wasser gelöst vor, so kann man ihn fast vollständig aus der Wasserphase herausziehen (extrahieren), indem man die Wasserphase mehrfach mit frischem Ether ausschüttelt (Abb. 5/1). Am Schluss befindet sich Stoff A nicht mehr in der Wasserphase.
Liegen die oben genannten Stoffe A (K = 3) und B (K = 0,33) nebeneinander in Wasser vor, so wird beim Ausschütteln mit Ether aufgrund der unterschiedlichen K-Werte der Stoff A bevorzugt extrahiert. Durch mehrfache Wiederholung der Verteilung mit frischem Ether kann man A und B in dafür geeigneten Apparaturen trennen (Gegenstromverteilung).

Henry-Dalton-Gesetz

In Analogie zum Nernst-Verteilungsgesetz können wir nun auch die Verteilung eines Gases zwischen der Gasphase und einer Flüssigkeit quantitativ beschreiben. Nehmen wir die Luft, die wir einatmen, gegenüber Wasser als Beispiel. Luft ist ein Gasgemisch aus etwa 21 % Sauerstoff (O2), 78 % Stickstoff (N2) und 1 % anderen Gasen. Bei Normaldruck (1,013 bar = 1013 hPa) beträgt der Partialdruck pO2 21 % vom Normaldruck, also etwa 0,210 bar (210 hPa). Der Partialdruck des Stickstoffs ist entsprechend höher.

Der Gesamtdruck eines Gasgemisches ist die Summe der Partialdrucke der individuellen Gase in der Mischung.

Die Konzentration des gelösten Anteils von Sauerstoff in Wasser korreliert bei eingestelltem Gleichgewicht mit dem Partialdruck des Sauerstoffs. Allgemein gilt: Das Verhältnis der Konzentration des Gases A in einer Flüssigkeit zum Partialdruck des Gases A (pA) über dieser Flüssigkeit ist konstant. Die Konstante K ist stoffspezifisch und temperaturabhängig.
Formt man das Henry-Dalton-Gesetz um, so lautet es: Die Konzentration des Gases A in einer Flüssigkeit ist proportional dem Partialdruck des Gases (pA) über dieser Flüssigkeit.

Henry - Dalton - Gesetz : [ A ] p A = K oder : [ A ] = K · p A

pA = Partialdruck des Gases (in bar)
[A] = Konzentration des Gases im Lösungsmittel (in mol/L)
K = Konstante

Die Lunge reguliert den Gasaustausch

Der O2-Partialdruck der Atemluft beeinflusst das O2-Angebot im Blut. Allerdings spielt hier nicht nur die physikalische Löslichkeit eine Rolle (24 mL O2 pro Liter Blut bei 37 °C), sondern auch die Tatsache, dass Sauerstoff chemisch an Hämoglobin (Hb) gebunden wird (1 g Hb bindet 1,34 mL O2). Bei etwa 150 g Hb pro Liter Blut wird also etwa 10-fach mehr Sauerstoff gebunden, als sich physikalisch in 1 L Blut löst. Diese reversible Bindung an Hb ist für den Transport von O2 wichtig und es erhöht sich die im Gewebe verfügbare Menge an Sauerstoff. Jedes Molekül O2, das in der Lunge oder im Gewebe ausgetauscht wird, durchläuft jedoch den Zustand der physikalischen Lösung. Auch der CO2-Gehalt in Gewebe und Blut wird über die Atmung reguliert. Gleiches gilt für die Konzentration von Fremdgasen, z. B. Lachgas (N2O) als Narkosemittel. Bei einer Inhalationsnarkose wird das Fremdgas der Atemluft beigemengt, der Partialdruck bestimmt die Tiefe der Narkose. Am Ende wird das im Körper physikalisch gelöste Narkosegas über die Atemluft rasch eliminiert.

Adsorption an Oberflächen

Adsorption

Gase und Flüssigkeiten oder in Flüssigkeiten gelöste Stoffe werden an der Oberfläche von Festkörpern mehr oder weniger stark festgehalten (adsorbiert). Den Festkörper nennt man Adsorbens. Häufige Verwendung finden Aktivkohle oder Kieselgel. Wie viel Fremdstoff ein Adsorbens aufnehmen kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zunächst spielen die Eigenschaften des Adsorbens, der zu adsorbierenden Substanz und ggf. auch des Lösungsmittels eine wichtige Rolle. Liegen diese Eigenschaften fest, ergeben sich folgende Abhängigkeiten für den Adsorptionsvorgang:
  • 1.

    Größe der Oberfläche.Je feiner das Adsorbens zermahlen wird, d. h. je kleiner seine Korngröße ist, desto mehr Substanz kann pro Gramm Adsorbens adsorbiert werden. Zerkleinerte oder poröse Materialien haben im Gegensatz zu glatten eine vergrößerte Oberfläche, an die mehr Substanz binden kann.

  • 2.

    Konzentration der zu adsorbierenden Substanz.Innerhalb gewisser Grenzen wächst die Aufnahmefähigkeit des Adsorbens für eine Substanz mit deren Partialdruck bzw. deren Konzentration in der Umgebung des Adsorbens. Die Beladung erreicht schließlich jedoch einen Grenzwert.

  • 3.

    Temperatur.Da sich an der Grenzfläche zum Adsorbens heterogene Gleichgewichte einstellen, ist der gesamte Vorgang temperaturabhängig. Die Aufnahmefähigkeit für eine Substanz sinkt mit steigender Temperatur.

Beispiele für Adsorptionsvorgänge sind Gasmasken und bestimmte Filter zur Reinigung von Wasser, Abgasen oder als Teil von Zigaretten. Aktivkohle und Heilerde werden bei Magen-Darm-Entzündungen eingesetzt, um belastende Stoffe zu binden. Außerdem spielt die Adsorption bei der Chromatographie eine wichtige Rolle ( Kap. 5.6).

Gleichgewichte in Gegenwart von Membranen

Membran

Eine Membran ist wie eine dünne, poröse Folie, die als Schicht oder Hülle z. B. zwei Flüssigkeitsräume vor dem Vermischen schützt, aber aufgrund ihrer begrenzten Durchlässigkeit Diffusionsprozesse modifizieren und kontrollieren kann. Haben die Maße der Hohlräume oder Poren molekulare Dimension (10 – 100 nm), werden große Moleküle (z. B. Proteine) vom Durchtritt durch die Membran ausgeschlossen, während kleinere Moleküle (z. B. Wasser) oder Ionen von Salzen ungehindert passieren können. Solche Membranen bezeichnet man als semipermeabel, sie sind nur teilweise durchlässig, sie wirken gewissermaßen als molekulare Filter.

semipermeabel

Eine Membran ist semipermeabel, wenn kleinere Moleküle und Ionen hindurchtreten können, während größere Moleküle zurückgehalten werden.

Diffusion

Einfache Diffusion.
Lässt man in ein mit Wasser gefülltes Glas ohne umzurühren etwas Tinte tropfen, so bilden sich Schlieren und man beobachtet nach einer Weile eine gleichmäßige Blaufärbung des Wassers. Dieser Farbausgleich ist ein Beispiel für die einfache (= passive = freie) Diffusion, deren Merkmal der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden von Stoffen durch die Eigenbewegung der Teilchen ist.

einfache Diffusion

Einfache Diffusion erfolgt auch dann, wenn zwei verschieden konzentrierte Lösungen des Stoffes A durch eine Membran voneinander getrennt sind, die für den Stoff A und das Lösungsmittel durchlässig ist. Die Moleküle von A wandern von der konzentrierteren Lösung in die weniger konzentrierte entlang des Konzentrationsgradienten. Längs des Diffusionsweges ist die Teilchenzahl von A zunächst unterschiedlich, gleicht sich mit der Zeit jedoch aus. Sobald der Gleichgewichtszustand erreicht ist, diffundieren in jeder Richtung gleich viele Moleküle durch die Membran, die Konzentration von A links und rechts der Membran ist gleich.

Einfache oder passive Diffusion ist der spontane Konzentrationsausgleich von Molekülen oder Ionen durch die Eigenbewegung der Teilchen.

Die Diffusionsfähigkeit und -geschwindigkeit eines Moleküls hängt u. a. von seiner Größe, von der Viskosität des Lösungsmittels und von der Temperatur ab. Ob eine passive Diffusion durch eine Membran überhaupt möglich ist, hängt außerdem von der Porengröße ab. Kleine Moleküle oder Ionen können in der Regel leichter diffundieren als große.
Aktiver Transport.
Die passive Diffusion ist beim Stoffaustausch einer lebenden Zelle mit der Umgebung eher die Ausnahme. In den Zellen müssen für bestimmte Stoffe häufig Konzentrationen aufrechterhalten werden, die kleiner oder größer sind als in der Umgebung, z. B. ist die Konzentration der K-Ionen in der Zelle größer als außerhalb. Konzentrationsgradienten an Membranen sind für eine lebende Zelle typisch. Vollständiger Konzentrationsausgleich durch passive Diffusion bedeutet den Tod. Viele Stoffe werden gegen einen Konzentrationsgradienten, d. h. unter Aufwendung von Energie, in eine Zelle eingeschleust oder aus ihr herausgebracht, z. B. durch die K/Na-Pumpen. Diesen Vorgang bezeichnet man als aktiven Transport.

Dialyse

Dialyse

Die Dialyse wird im biochemischen Labor dazu genutzt, aus einer wässrigen Lösung niedermolekulare Bestandteile (z. B. Ionen von Salzen) von hochmolekularen (z. B. Proteine, Enzyme) abzutrennen. Dazu füllt man die Ausgangslösung in einen Beutel, der aus einer semipermeablen Dialysemembran besteht, und hängt ihn in destilliertes Wasser, das man ggf. einige Male erneuert oder das man an der Dialysemembran langsam vorbeiströmen lässt. Nach einiger Zeit sind die niedermolekularen Stoffe durch die Membran in die äußere Wasserphase, das Dialysat, diffundiert. Die hochmolekularen Stoffe bleiben in der Lösung innerhalb des Beutels zurück.

Die Niere kontrolliert den Flüssigkeitshaushalt

Die Niere scheidet niedermolekulare Stoffe aus dem Stoffwechsel und überschüssiges Wasser als Urin aus. In einem ausgeklügelten System von Filtration und Rückresorption an semipermeablen Membranen hält die Niere Volumen und Zusammensetzung der extrazellulären Flüssigkeit konstant. Dazu passiert das Blut täglich etwa 300-mal die Niere, es entstehen etwa 150 L Primärharn, der auf 1 – 2 L reduziert wird. Über die Niere werden nicht nur dem Stoffwechsel entstammende Schlackenstoffe (z. B. Harnstoff) ausgeschieden, auch niedermolekulare Arzneistoffe oder Gifte können den Körper direkt oder nach Transformation in der Leber auf diesem Weg verlassen. Bei einem Ausfall beider Nieren muss der Patient in bestimmten Zeitabständen sein Blut mit Hilfe eines Dialysators „waschen” lassen. Das Blut wird durch den Dialysator gepumpt, an geeigneten Membranen mit physiologischer Salzlösung „gewaschen” und wieder in den Körper zurückgeführt. Die niedermolekularen Giftstoffe diffundieren in die Salzlösung.

Osmose

Unter Osmose versteht man die Diffusion von Wasser durch eine semipermeable Membran in die wässrige Lösung einer Substanz A, für die die Membran undurchlässig ist.

Osmose

Abbildung 5/2 zeigt das Prinzip der Osmose: Aus der linken Kammer wird reines Lösungsmittel in die rechte Kammer strömen, um die dortige Lösung, die die Substanz A enthält, gemäß dem Konzentrationsgradienten zu verdünnen. Durch das Hereinströmen des Lösungsmittels nimmt das Volumen der Flüssigkeit in der rechten Kammer zu, während es in der linken Kammer abnimmt. Durch die aufsteigende Flüssigkeitssäule in der rechten Kammer wird ein Druck p (= hydrostatischer Druck) erzeugt, der auf die Membran wirkt. Dieser Druck erhöht die Tendenz des Lösungsmittels, wieder in die andere Kammer zu strömen, und wirkt somit dem Verdünnungsbestreben entgegen. Im Gleichgewicht ist die Zahl der in beide Richtungen diffundierenden Lösungsmittelmoleküle gleich groß. Der auftretende hydrostatische Überdruck wird als osmotischer Druck (posm) bezeichnet. Er ist von der Temperatur und von der Konzentration der gelösten Substanz A abhängig.

osmotischer Druck

p osm = [ A ] R T [ A ] = Konzentration von Substanz A ( in mol / L ) R = allgemeine Gaskonstante ( 8 , 31 kPa L mol - 1 K - 1 ) T = absolute Temperatur ( in K )

Ist die gelöste Substanz ein Salz, so zerfällt dieses beim Lösen in zwei und mehr Ionen. Der osmotische Druck der Salzlösung ist von der Zahl der entstehenden Ionen abhängig, nicht von der Ladung oder der Größe. Aus Kochsalz (NaCl) z. B. entstehen beim Lösen in Wasser zwei Ionen (Na und Cl), d. h., aus 1 mol NaCl entstehen insgesamt 2 mol der Ionen, aus 1 mol CaCl2 entsprechend 3 mol der Ionen (Ca2, 2 Cl).

NaCl Na + Cl CaCl 2 Ca 2 + 2 Cl

Beispiele.
  • 1.

    Welchen osmotischen Druck hat eine Glucoselösung mit c = 1 mol/L bei 0 °C?

    posm = 1 · 8,31 · 273 = 2269 kPa = 22 690 hPa = 22,7 bar

  • 2.

    Welchen osmotischen Druck hat eine Kochsalzlösung (c = 1 mol/L) bei 37 °C?

    posm = 2 · 8,31 · 310 = 5152 kPa = 51 520 hPa = 51,5 bar

    Man sieht, dass der osmotische Druck der Kochsalzlösung wegen der doppelten Teilchenzahl in der Lösung und wegen der erhöhten Temperatur mehr als doppelt so groß ist als bei der Glucoselösung.

  • 3.

    Welchen osmotischen Druck hat Blut bei 37 °C?

    Blut ist ein komplexes Substanzgemisch aus Protein-, Zucker- und Salzanteilen. Der osmotische Druck wird ganz überwiegend von den im Blut enthaltenen Ionen bestimmt.

    Wir rechnen mit einer für den osmotischen Druck wirksamen Konzentration von c = 0,308 mol/L für die Teilchen.

    posm = 0,308 · 8,31 · 310 = 793,4 kPa = 7934 hPa = 7,93 bar

  • 4.

    • a)

      Wie viel molar ist eine Kochsalzlösung, die denselben osmotischen Druck hat wie das Blut?

    • b)

      Wie viel Gramm NaCl enthält 1 L dieser Kochsalzlösung?

    • c)

      Wie viel prozentig an NaCl ist diese Kochsalzlösung?

    Antworten:

    • a)

      1,5 bar entsprechen 1 mol/L NaCl

      7,93 bar entsprechen x mol/L NaCl;x = 7,93/51,5 = 0,154 mol NaCl

    • b)

      Im nächsten Schritt benötigt man die molare Formelmasse von NaCl. Sie beträgt

      23 + 35,5 = 58,5 g/mol.

      1 mol/L entspricht 58,5 g NaCl

      0,154 mol/L entsprechen x g NaCl;x = 58,5 · 0,154 = 9,001 g NaCl

    • c)

      Die Kochsalzlösung enthält 9 g NaCl pro Liter, in 100 g Lösung sind 0,9 g NaCl enthalten, die Lösung ist 0,9 %ig.

Osmodiuretika

Bei drohendem Nierenversagen oder bei einem Hirnödem (beispielsweise nach einem Schädel-Hirn-Trauma) können Osmodiuretika, wie z. B. der Zuckeralkohol Mannit (=Mannitol), eingesetzt werden, um unerwünschte Wasseransammlungen zu vermeiden. Diese Substanzen werden in der Niere glomerulär filtriert, aber tubulär nicht rückresorbiert. Beim Hirnödem wird intravenös eine hypertonische Lösung von Mannitol infundiert, damit das überschüssige Wasser dem osmotischen Druck folgend ausgeschieden werden kann und der bedrohliche Hirndruck, der zu Bewusstlosigkeit oder Atemstörungen führt, absinkt.
Bei größeren Konzentrationsunterschieden an semipermeablen Membranen bauen sich vergleichsweise hohe Drücke auf, die eine Membran zum Platzen bringen können. Suspendiert man z. B. Erythrozyten in Wasser, so hat dieses im Vergleich zur Zelllösung einen niedrigeren osmotischen Druck, es ist hypotonisch. Die Erythrozyten schwellen durch Aufnahme von Wasser an und platzen („osmotischer Schock”). Suspendiert man Erythrozyten hingegen in einer hypertonischen Lösung, d. h. einer Lösung mit höherem osmotischem Druck als in der Zelle (z. B. in einer Glucoselösung aus Beispiel 1), so schrumpfen die Erythrozyten durch Abgabe von Wasser. Zur Aufrechterhaltung der normalen Funktionen der Erythrozyten bedarf es einer isotonischen (= gleicher osmotischer Druck) Lösung als Umgebung. Dieser Zustand ist erreicht, wenn eine 0,9 %ige Kochsalzlösung zum Einsatz kommt.

hypotonisch

hypertonisch

isotonisch

Eine 0,9 %ige Kochsalzlösung wird als physiologische Kochsalzlösung bezeichnet, sie ist bezogen auf das Blut isotonisch.

Warum sind Regenwasser oder Meerwasser „giftig”?

Flüssigkeitsverluste beim Menschen dürfen weder durch destilliertes Wasser (z. B. Regenwasser) noch durch Meerwasser, das 3,5 % Salz enthält, ausgeglichen werden. In beiden Fällen kommt es zu osmotischen Extremsituationen, die zum Tode führen. Die „Vergiftung” erfolgt hier durch Substanzen, die dem Leben in höchstem Maße dienlich sind (Wasser, NaCl). Die nicht angepasste Konzentration sorgt für die lebensbedrohlichen Störungen im Stoffwechsel. Mit anderen Worten: Immer wenn Flüssigkeitsverluste ausgeglichen werden oder offene Wunden oder Schleimhäute mit Flüssigkeiten in Berührung kommen, sollte eine isotonische Kochsalzlösung die Basis bilden.
Oxalatdrusen.
Ungelöste Stoffe tragen nicht zum osmotischen Druck bei. Da beim Stoffwechsel in der Zelle viele wasserlösliche Endprodukte entstehen, müssen diese aus der Zelle heraustransportiert oder in fester Form abgelagert werden, um den osmotische Druck in der Zelle zu reduzieren. Ein Beispiel für derartige Hilfs- und Entgiftungsmaßnahmen sind die in Pflanzenzellen vorkommenden Oxalatdrusen (Ablagerungen von Salzen der Oxalsäure).

Donnan-Gleichgewicht

Sind an Verteilungsvorgängen an Membranen auch Ionen beteiligt, wie es bei allen Körperzellen der Fall ist, so muss man neben der Tendenz zum Konzentrationsausgleich durch Diffusion auch die Bedingung der Elektroneutralität berücksichtigen. Abbildung 5/3 soll diese Situation an einer semipermeablen Membran, die nur für kleinere Ionen (K, Cl) und Wasser durchlässig ist, verdeutlichen.
In Abbildung 5/3 a ist die Ausgangssituation gezeigt: Lösung I enthält nur K- und Cl-Ionen, Lösung II neben K-Ionen noch negativ geladene Proteinmoleküle (Prot), für die die Membran nicht durchlässig ist. Auf beiden Seiten der Membran herrscht Elektroneutralität. Die Teilchenzahl ist links größer als rechts. Jetzt setzt ein Wanderungsprozess ein, der mit der Diffusion von Cl-Ionen aus Lösung I in die Lösung II gemäß dem Konzentrationsgradienten beginnt. Zur Erhaltung der Elektroneutralität müssen K-Ionen nachfolgen, zunächst mit dem K-Konzentrationsgradienten und dann sogar gegen ihn. Die Diffusion von K- und Cl-Ionen erfolgt so lange, bis sich das sog. Donnan-Gleichgewicht eingestellt hat. Dies ist erreicht, sobald das Produkt der Ionenkonzentrationen der wanderungsfähigen Ionen auf beiden Seiten der Membran gleich ist (Abb. 5/3 b). Auf beiden Seiten herrscht wieder Elektroneutralität. Die in Abbildung 5/3 dargelegte Situation gilt für alle lebenden Zellen. Lösung I entspricht dem extrazellulären Raum, Lösung II mit den Proteinen dem intrazellulären Raum.

Donnan-Gleichgewicht

Donnan - Gleichgewicht : [ K ] I [ Cl ] I = [ K ] II [ Cl ] II

Das Produkt der Konzentrationen der wanderungsfähigen Ionen zu beiden Seiten einer Membran ist gleich. Es herrscht Elektroneutralität.

Abbildung 5/3 zeigt, dass die Teilchenzahl in Lösung I und II unterschiedlich ist. Zu Beginn (a) war sie in Lösung I größer, nach Einstellung des Donnan-Gleichgewichts (b) ist sie in Lösung II größer. Jetzt kommt die Osmose ins Spiel. In Situation a) wandern Wassermoleküle aus Lösung II in Lösung I ein, wodurch in Lösung I ein osmotischer Druck entsteht (roter Pfeil). Im Gleichgewicht (b) kehrt sich die Situation um. Lösung II enthält jetzt mehr Ionen, Wassermoleküle wandern ein und es baut sich ein osmotischer Druck auf (roter Pfeil in b).
Durch das osmotische Ungleichgewicht werden die K-Ionen partiell „genötigt”, Lösung II wieder zu verlassen, so dass sich links von der Membran (außen) überschüssige positive Ladung aufbaut, rechts (innen) hingegen negative Ladung durch die Protein-Anionen zurückbleibt. Es entsteht ein Membranpotenzial (ΔΨ), das sog. Donnan-Potenzial, das bei dieser Ladungsverteilung (innen negativ) ein negatives Vorzeichen trägt.

Membranpotenzial

Nervenreizleitung, was ist das?

Es gibt bestimmte Zellen, die auf einen physikalischen oder chemischen Reiz mit einer spezifischen Reaktion, einer Erregung, reagieren und diese weiterleiten können. Diese Fähigkeit ist bei den Nervenzellen des Menschen besonders ausgeprägt. Das Ruhepotenzial an der Membran beträgt bis zu – 100 mV. In den Zellen ist die Konzentration der K-Ionen größer als die der Na-Ionen, außerhalb ist es umgekehrt. Bei der Nervenerregung wird unter dem Einfluss von Neurotransmittern (Überträgerstoffe, die an Nervenendigungen freigesetzt werden) die Permeabilität der Membran für Na-Ionen durch Öffnung von Na-Kanälen plötzlich erhöht, das Potenzial bricht zusammen (Depolarisation) und kann sich sogar umkehren (positiv innen, negativ außen). Der elektrische Impuls wird weitergeleitet. Das Ruhepotenzial kann sich nach Schließen der Na-Kanäle durch Öffnen von K-Kanälen (K-Ionen strömen mit dem Konzentrationsgradienten aus) wieder aufbauen. Das gestörte Verhältnis der Ionenkonzentration in der Zelle wird durch aktiven Transport (Na hinaus, K hinein) mit Hilfe der „Na/K-Pumpe” wieder normalisiert.

Ionenkanäle

Jede Zellmembran ist ein Kunstwerk

Für die Entwicklung des Lebens war die Ausbildung von biologischen Membranen eine Voraussetzung, um sich von der Umgebung (z. B. Meerwasser) abzugrenzen, die Substanzen im Innenraum einer Zelle den Bedürfnissen anzupassen und diesen Innenraum vor dem Anfluten unerwünschter Substanzen zu schützen. Jede Zellmembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht (Bilayer, Kap. 17.2), die von Proteinmolekülen durchsetzt und durchzogen ist. Biologische Membranen sind aber keine undurchdringlichen Barrieren, sondern in ihrer molekularen Struktur flexibel und können sowohl für polare Teilchen (z. B. Ionen, Wasser) als auch für unpolare Moleküle eine selektive Durchlässigkeit herstellen. Dafür sind die membrangebundenen Proteine verantwortlich, die Poren und Ionenkanäle bilden können, und Carrier, die Moleküle durch die Lipid-Doppelschicht schleusen.
Für die Aufrechterhaltung von Zellfunktionen ist es wichtig, dass sich auf beiden Seiten einer Membran Substanzen in unterschiedlichen Konzentrationen ansammeln können. Vorgänge wie Diffusion, Osmose oder der Aufbau von Membranpotenzialen spielen eine große Rolle mit dem entscheidenden Unterschied zur besprochenen Theorie, dass sich in lebenden Systemen niemals Gleichgewichte einstellen. Aus der Tendenz, das Gleichgewicht erreichen zu wollen, kann punktuell Energie gewonnen werden, z. B. aus einem Protonengradienten, den die ATP-Synthase der Atmungskette für die Bildung von ATP nutzt ( Kap. 9.13). Auf der anderen Seite steht der energieverbrauchende aktive Transport z. B. von Ionen gegen einen Konzentrationsgradienten. Wie der kunstvolle Wechsel zwischen Barriere und Durchlässigkeit bei biologischen Membranen gesteuert wird, ist keineswegs in allen Details geklärt.

Bilayer

aktiver Transport

Verfahren zur Stofftrennung

Heterogene Gleichgewichte können zur Stofftrennung genutzt werden. Voraussetzung dafür ist, dass sich die Stoffe beim Wechsel zwischen den Phasen nicht zersetzen. Die Gewinnung von Reinstoffen aus Reaktionsgemischen oder aus Extrakten von biologischem Material ist für die Anwendung in Biologie, Chemie oder Medizin von großer Bedeutung. Um dies zu erreichen, benötigt man den Stoffen angepasste Trennverfahren.

Destillation

Destillation.
Verfahren, um Flüssigkeiten auf der Basis unterschiedlicher Siedepunkte zu trennen.
Erläuterungen:
Eine Flüssigkeit wird zum Sieden erhitzt. Der entstehende Dampf wird an einer anderen Stelle der Apparatur abgekühlt (kondensiert), die zurückgebildete Flüssigkeit kann separat aufgefangen werden (Abb. 5/4). Eine Stofftrennung durch Destillation hat zur Voraussetzung, dass die im Gemisch vorliegenden Stoffe A und B unterschiedliche Siedepunkte besitzen. Während der niedriger siedende Stoff A schon am Siedepunkt verdampft, reicht die Temperatur für den höher siedenden Stoff B dafür noch nicht aus, so dass sein Anteil im Dampf geringer ist. Im Dampf und damit im Kondensat reichert sich der leichter flüchtige Stoff A an, in der zurückbleibenden Flüssigkeit der Stoff B. Sorgt man dafür, dass sich diese Gleichgewichtseinstellung während der Destillation mehrfach wiederholt (z. B. durch Verwendung einer Kolonne), wird eine gute Trennung erzielt, die letztlich auf Dampfdruckunterschieden beruht. Wenn die Stoffe bei Normaldruck einen sehr hohen Siedepunkt haben, vermindert man den äußeren Druck, um den Siedepunkt zu erniedrigen ( Kap. 4.5). Der Prozess wird als Vakuumdestillation bezeichnet.
Sublimation.
Geht aus einem Stoffgemisch A/B der Stoff A beim Erhitzen aus dem festen in den gasförmigen Zustand über, so kann sich der gebildete Dampf an einer gekühlten Stelle der Apparatur wieder als Reinsubstanz niederschlagen. Die Trennung beruht auch hier auf Dampfdruckunterschieden.
Gefriertrocknung.Verfahren zur schonenden Entfernung von Wasser bei der Isolierung labiler biochemischer Substanzen.

Gefriertrocknung

Erläuterungen:
Aus wässrigen Lösungen, die schwer flüchtige Substanzen wie z. B. Salze, Aminosäuren, Proteine, Zucker, Enzyme oder andere Metabolite des Stoffwechsels enthalten, lässt sich das Wasser auf schonende Weise durch Gefriertrocknung entfernen. Dazu gefriert man die Lösung in einem Glaskolben zu Eis und evakuiert die Destillationsanlage, bis ein gutes Vakuum (z. B. 10–4 bar = 10 Pa) erreicht ist. Bei dem niedrigen Druck wird an der Eisoberfläche ständig Wasser verdampft und an stark gekühlten Teilen der Apparatur wieder als Eis niedergeschlagen, das Wasser sublimiert ( Abb. 4/7). Beim Verdampfen aus dem Kolben wird der Umgebung Wärme entzogen (Verdampfungswärme, Kap. 4.5), so dass das Eis während der Gefriertrocknung gar nicht auftaut, auch wenn in der Umgebung des Kolbens Raumtemperatur herrscht. Am Ende bleiben die schwer flüchtigen Substanzen als trockenes Pulver im Kolben zurück. Den ganzen Vorgang bezeichnet man auch als lyophilisieren und den Rückstand als Lyophilisat. Die schwer flüchtigen Stoffe bleiben während des Verdampfungsprozesses des Wassers gekühlt, so dass man auf diesem Weg auch thermolabile Biomoleküle von Wasser befreien kann. Diese Methode ist schonend, sie findet z. B. auch bei der Herstellung von Pulverkaffee Anwendung.
Kristallisation.
Verfahren, um feste Stoffgemische aufgrund von Löslichkeitsunterschieden in einem vorgegebenen Lösungsmittel zu trennen.

Kristallisation

Erläuterungen:
Hat ein Stoffgemisch A/B in einem Lösungsmittel unterschiedliche Löslichkeiten, so bringt man beide durch Erwärmen des Lösungsmittels zunächst vollständig in Lösung. Beim Abkühlen kristallisiert der Stoff mit der geringeren Löslichkeit zuerst aus und kann durch Absaugen über einen Filter oder vorsichtiges Abgießen der Restlösung (= Dekantieren) abgetrennt werden. Die Trennung beruht auf Löslichkeitsunterschieden. Beim Abkühlen kann es passieren, dass die Löslichkeit eines Stoffes längst unterschritten ist, ehe die Kristallisation einsetzt. Es liegt dann eine sog. übersättigte Lösung vor, aus der der Stoff nach Bildung eines Kristallisationskeims schlagartig auskristallisiert.

Extraktion

Flüssig-Flüssig-Verteilung (Extraktion).
Verfahren, um Stoffe aufgrund unterschiedlicher Verteilungskoeffizienten in einem zweiphasigen Lösungsmittelsystem zu trennen (Kap. 5.2).

Dialyse

Dialyse.
Verfahren, um z. B. Proteine an einer semipermeablen Membran zu entsalzen (Kap. 5.3.3).

Chromatographie

Chromatographie.
Verfahren, um Stoffe durch partielle Adsorption an einer stationären festen Phase und gezielte Ablösung mit einer beweglichen flüssigen oder gasförmigen Phase zu trennen.
Erläuterungen:
Es werden Gleichgewichte zwischen zwei Phasen genutzt. Die feste Phase ist in einer Säule unbeweglich (stationär), die andere ist beweglich (mobil) und durchströmt die stationäre Phase. In der mobilen Phase befinden sich die Stoffe, die getrennt werden sollen, entweder gelöst im Fließmittel oder als Gase gemischt mit einem Trägergas. Der Trennsituation entsprechend spricht man von Flüssigkeitschromatographie oder Gaschromatographie. Bei beiden gibt es verschiedene Varianten (Tab. 5/1), die am Trennproblem orientiert eingesetzt werden.

stationäre/mobile Phase

Varianten der stationären Phase.
Die Stofftrennung erfolgt bei allen Varianten der Chromatographie nach demselben Prinzip: Die Einzelkomponenten werden aufgrund unterschiedlicher Wechselwirkungen mit der stationären Phase mehr oder weniger stark zurückgehalten. An der stationären Phase stellen sich Gleichgewichte zwischen der Lösung und dem Festkörper ein: Unterschiedliche Verteilungskoeffizienten und mehrfache Wiederholung der Gleichgewichtseinstellung führen am Ende zur Trennung. Auch die Länge der Wegstrecke, die sich die mobile Phase in der stationären Phase bewegt, spielt dabei eine Rolle. Die eigentlichen Effekte, auf denen die Trennung an festen Trägern beruht, lassen sich wie folgt angeben:
  • Adsorption, z. B. an Kieselgel, das eine hydrophile Oberfläche besitzt.

  • Hydrophobe Wechselwirkung, z. B. an RP-Kieselgel (RP = reversed phase), das hydrophobe Reste an seiner Oberfläche trägt.

  • Ionenaustausch an der Oberfläche einer Polymer-Matrix, die positiv oder negativ geladene organische Reste (z. B. – NR3, – SO3, – COO) trägt. Unterschiedliche Ion-Ion-Wechselwirkungen erfolgen in Abhängigkeit vom pH-Wert oder von der Ionenkonzentration der mobilen Phase.

  • Gelfiltration an einer porösen Polymer-Matrix mit Hohlräumen, in die kleine Moleküle hineindiffundieren können und zurückgehalten werden, während große Moleküle außen vorbeiwandern. Die Trennung erfolgt nach Molekülgröße.

Präparative Trennung.
Die Flüssigkeitschromatographie (engl. liquid Chromatography, Abk. LC) an größeren Säulen dient der präparativen Trennung von Stoffgemischen (Abb. 5/5). Im Ergebnis erhält man größere Mengen reiner Substanzen für chemische oder biochemische Zwecke. Das Fließmittel wird in diesem Fall auch Elutionsmittel genannt, die aus der Säule heraustropfende Flüssigkeit ist das Eluat. Bei farbigen Substanzen ist es kein Problem, die Trennung an der stationären Phase mit dem Auge zu beobachten. Bei farblosen Substanzen muss das Eluat z. B. einen UV-Detektor passieren, der UV-aktive Substanzen durch Absorption von Licht bei einer vorgegebenen Wellenlänge anzeigt. Zusätzlich kann man das Eluat auch fortlaufend in einem Massenspektrometer (MS, Kap. 22.6) oder NMR-Gerät ( Kap. 22.4) untersuchen. Man spricht von gekoppelten Methoden (z. B. LC-UV, LC-MS oder LC-NMR). Am Ende verdampft man das Lösungsmittel des Eluates und zurück bleibt der Reinstoff.
Chromatographische Daten.
Das chromatographische Verhalten einer Substanz kann als Reinheitskriterium dienen oder zu ihrer Identifizierung herangezogen werden. Eine Substanz, die sich unter Anwendung verschiedener Trennmethoden nicht weiter auftrennen lässt, ist in der Regel einheitlich. Eine Substanz, die im direkten Vergleich mit einer bekannten Reinsubstanz unter verschiedenen Trennbedingungen in der Wanderungsgeschwindigkeit übereinstimmt, ist in der Regel mit dieser identisch. Auf diesem Grundprinzip basieren analytische und diagnostische Verfahren.

Reinheitskriterium

Die chromatographischen Daten einer Reinsubstanz sind der Rf-Wert bei der Dünnschichtchromatographie und/oder die Retentionszeit (tr) bei der HPLC oder der Gaschromatographie. Der Rf-Wert ist der Quotient aus der Laufstrecke der Substanz zur Laufstrecke des Fließmittels (Abb. 5/6). Der Wert ist dimensionslos und liefert Werte zwischen 0 (die Substanz bleibt am Start hängen) und 1 (die Substanz läuft mit der Laufmittelfront). Die Retentionszeit (in Minuten) ist die Zeit, die ein Stoff benötigt, um durch eine Trennsäule hindurchzuwandern (Abb. 5/7 und 5/8).

Rf-Wert Retentionszeit

Wenn man chromatographische Daten reproduzieren will, müssen die Bedingungen für die Trennung genau bekannt sein und eingehalten werden (z. B. Art des Trägermaterials, Korngröße, Zusammensetzung des Fließmittels, Laufstrecke oder Durchflussgeschwindigkeit des Fließmittels, Temperatur).

Checkliste

Folgende Bezeichnungen/Begriffe sollten Sie erklären oder definieren (s. a. Glossar) und – wo möglich – Abkürzungen oder Beispiele angeben können:

Gesättigte Lösung – Löslichkeit – hydrophil – hydrophob – lipophil – lipophob – Verteilungsgleichgewicht – Nernst-Verteilungsgesetz – Henry-Dalton-Gesetz – Adsorption – Kristallisation – Destillation – Gefriertrocknung – einfache Diffusion – Osmose – Dialyse – semipermeable Membran – hypotonisch – hypertonisch – isotonisch – Donnan-Gleichgewicht – Membranpotenzial – Chromatographie – Rf -Wert – Retentionszeit.

Aufgaben

  • 1.

    Was ist ein heterogenes Gleichgewicht? Geben Sie drei Beispiele!

  • 2.

    Was ist eine gesättigte, was eine übersättigte Lösung?

  • 3.

    Wie sind die Begriffspaare hydrophil/hydrophob und lipophil/lipophob mit den Begriffen polar/unpolar verknüpft?

  • 4.

    Von welchen Faktoren hängt die Löslichkeit eines Stoffes ab?

  • 5.

    Ein Stoff mit K = 0,25 wird in gleichen Volumina zweier flüssiger Phasen verteilt. Wie viel % des Stoffes befinden sich nach der Gleichgewichtseinstellung in der Oberphase?

  • 6.

    Beschreiben Sie die Etherextraktion zur Abtrennung eines lipophilen, in Wasser gelösten Stoffes! Wie viel % eines Stoffes mit K = 9 verbleiben nach zweimaliger Etherextraktion in der wässrigen Phase?

  • 7.

    Von welchen Größen ist die Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit abhängig?

  • 8.

    Warum entwickeln sich beim Öffnen einer Sprudelflasche CO2-Gasblasen?

  • 9.

    Von welchen Faktoren ist die Adsorption eines Stoffes an ein vorgegebenes Adsorbens abhängig?

  • 10.

    Welches ist der wesentliche Unterschied zwischen einfacher Diffusion und aktivem Transport an einer Membran?

  • 11.

    Welches Trennverfahren bedient sich einer semipermeablen Membran?

  • 12.

    Von welchen Größen ist der osmotische Druck einer Lösung abhängig?

  • 13.

    Bestimmen Sie den osmotischen Druck von drei jeweils 0,1 molaren wässrigen Lösungen, die Glucose, Kochsalz bzw. Calcium(II)-chlorid enthalten! Welche der Lösungen sind gegenüber dem osmotischen Druck des Blutes hypertonisch bzw. hypotonisch?

  • 14.

    Was passiert, wenn man 10 mL 0,9 %ige Kochsalzlösung intravenös (i. v.) injiziert?

  • 15.

    Wie viel Gramm Kochsalz muss man abwiegen, um 1 L einer isotonischen Lösung zu erhalten?

  • 16.

    Welche Eigenschaften muss eine Membran haben, damit sich an ihr ein Donnan-Gleichgewicht einstellt?

  • 17.

    Was muss geschehen, damit ein an einer Membran gebildetes Membranpotenzial zusammenbricht?

  • 18.

    Worauf beruht die Stofftrennung bei der Destillation, worauf bei der Kristallisation?

  • 19.

    Erklären Sie den Begriff Sublimation am Beispiel der Gefriertrocknung! Unter welchen Bedingungen findet dieser Vorgang beim Wasser statt?

  • 20.

    Nennen Sie drei Faktoren, die die Stofftrennung bei der Chromatographie beeinflussen!

  • 21.

    Erläutern Sie das Prinzip der Dünnschichtchromatographie!

  • 22.

    Worin besteht der Unterschied zwischen Flüssigkeits- und Gaschromatographie?

  • 23.

    Nach welchem Prinzip trennt man ein Substanzgemisch mit Hilfe der Gaschromatographie?

Bedeutung für den Menschen

Heterogene Gleichgewichte

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