Ionenaustauschchromatographie

Ionenaustauschchromatographie Übung

• Beschrifte den Aufbau einer Apparatur zur Ionenaustauschchromatographie.

  Tipps

  Womit wird ein konstanter pH-Wert erzielt?

  Lösung

  Durch die Mischung zweier Puffer mit unterschiedlichen pH-Werten wird der gewünschte pH-Wert eingestellt. Die Pufferlösung bildet die mobile Phase. Mit einer Spritze wird die Probenlösung in das System eingebracht und gelangt in die Säule. Je nach pH-Wert liegen unterschiedliche Verbindungen in ionischer Form vor und werden von der stationären Phase in der Chromatographiesäule adsorbiert. Am unteren Ende der Säule werden die austretenden Verbindungen von einer UV-Messzelle detektiert. Der Fraktionssammler teilt die austretende Lösung in unterschiedliche Fraktionen auf, die jeweils eine der zu trennenden Verbindungen enthalten.
  Die Säule enthält den Ionentauscher. Dieser besteht aus einem Kunstharz, welches mit den Ankergruppen beschichtet ist.

• Beschreibe den Ablauf einer Ionenaustauschchromatographie.

  Tipps

  Viele Aminosäuren können $H^+$-Ionen aufnehmen.

  Was wird bei dieser Art der Chromatographie dem Namen nach ausgetauscht?

  Lösung

  Viele Verbindungen, wie zum Beispiel einige Aminosäuren, tragen funktionelle Gruppen. Diese können teilweise mit $H^+$-Ionen zu einem positiv geladenen Ion reagieren oder ein $H^+$-Ion abgeben und damit zum negativ geladenen Ion werden. Dies hängt von der Konzentration der $H^+$- und $OH^-$-Ionen ab, die durch den pH-Wert ausgedrückt werden. Nur Ionen können an die stationäre Phase bei der Ionenaustauschchromatographie gebunden werden. Die Wahl der Ankergruppen entscheidet darüber, welche Ionen gebunden werden können.
  Zunächst wird der pH-Wert so eingestellt, dass alle gelösten Stoffe bis auf einen in ionischer, also geladener Form vorliegen. Die Probe wird auf die Säule aufgebracht und alle Ionen werden von der stationären Phase adsorbiert. Der ungeladene Stoff passiert die Säule ungehindert.
  Anschließend können die adsorbierten Verbindungen durch Variation des pH-Werts von der stationären Phase abgelöst werden. Dies wird durch die richtige Wahl der Zusammensetzung der mobilen Phase erreicht. Eine ionische Verbindung geht in ihre ungeladene Form über und wird aus der Säule gespült. Dies kann wiederholt werden, bis alle adsorbierten Verbindungen von der stationären Phase gelöst sind und voneinander getrennt vorliegen.

• Bestimme die Eigenschaften der Ankergruppen.

  Tipps

  Höherwertige Amine sind stärker.

  Lösung

  Die Phosphatguppe gibt leicht $H^+$-Ionen ab, ist daher auch am sauersten. Auch die Carboxylatgruppe $(-COOH)$ kann ein $H^+$-Ion abgeben, ist aber nicht so schnell zu deprotonieren wie die Phosphatgruppe. Die Aminogruppen werden umso basischer, je mehr Seitenketten sie tragen. Das primäre Amin ist also schwach basisch, das sekundäre Amin mäßig basisch und das tertiäre Amin stark basisch.

• Erkläre den Trennvorgang von Aminosäuren.

  Tipps

  Welche pH-Grenzen kannst du in der Abbildung erkennen?

  Geladene Teilchen werden vom Ionentauscher adsorbiert.

  Lösung

  Der Trennvorgang geht in drei Schritten vor sich:

  • Bei pH-Werten unter 4 sind alle drei Aminosäuren protoniert, liegen also in der geladenen Form vor. Würde man einen pH-Wert aus diesem Bereich wählen, würden daher alle Aminosäuren adsorbiert werden. Dies ist nicht gewollt, daher muss ein pH-Bereich gewählt werden, in dem eine Aminosäure in ungeladener Form vorliegt und zwei in geladener Form. Dies ist zwischen pH 4 und pH 8 der Fall, da hier Asparaginsäure bereits in der unprotonierten Form vorliegt, die anderen beiden Aminosäuren jedoch noch nicht.
  • Anschließend soll die zweite Aminosäure aus dem Ionentauscher ausgewaschen werden. Dazu muss ein pH-Wert zwischen pH 8 und pH 11 gewählt werden, da hier nur Lysin in der geladenen, protonierten Form vorliegt. Cystein wird nun aus der Säule ausgewaschen. Am Detektor kann abgelesen werden, wann dieser Vorgang abgeschlossen ist.
  • Nun soll noch Lysin ausgewaschen werden. Dazu muss der pH-Wert des Laufmittels auf einen Wert größer als pH 11 eingestellt werden, da dann auch Lysin in ungeladener Form vorliegt und ausgewaschen werden kann. Danach ist der Trennvorgang abgeschlossen.

• Nenne Anwendungen von Ionentauschern.

  Tipps

  In welchem Maßstab lassen sich Ionentauscher einsetzen?

  Lösung

  Die meisten Verbindungen lassen sich an entsprechende Ionentauscher binden, wenn sie sich in wässriger Lösung befinden. Dieses Prinzip kommt in der Chemie und auch in wirtschaftlichen Anwendungen zum Einsatz. Anionen oder Kationen lassen sich dabei durch andere Anionen bzw. Kationen ersetzen. So kann zum Beispiel Wasser aufbereitet werden. Alle enthaltenen Ionen können durch Einsatz mehrerer Ionentauscher entzogen und gegen $H^+$- und $OH^-$-Ionen ausgetauscht werden. Diese reagieren zu $H_2O$ und man erhält entmineralisiertes Wasser. Zur Herstellung von Mineralwasser eignet sich das Verfahren nicht, da in Mineralwasser - wie der Name schon andeutet - eine Vielzahl unterschiedlicher Ionen enthalten sein soll. Auch zur Wasseraufbereitung in Kläranlagen ist das Verfahren ungeeignet, da es zu aufwendig und zu teuer ist, um in diesem Maßstab sinnvoll eingesetzt zu werden. Koppelt man einen Ionentauscher mit der Kontrolle des pH-Wertes, lassen sich adsorbierte Verbindungen gezielt aus der stationären Phase in der Säule herauslösen. So lassen sich Stoffgemische trennen.

• Erläutere die Anwendungen von Ionentauschern.

  Tipps

  Nitrat = $({NO_3}^-)$, Nitrit = $({NO_2}^-)$

  Lösung

  In vielen technischen Anwendungen können Ionentauscher eingesetzt werden. Viele Metallionen unterschiedlicher Metalle sind sich chemisch so ähnlich, dass sie sich nur mit hohem Aufwand voneinander trennen lassen. Eine Möglichkeit bilden Ionentauscher. Mit den entsprechenden Ankergruppen adsorbieren diese bei einem bestimmten pH-Wert ausschließlich Ionen des gewünschten Metalls. Dies bezeichnet man als Selektivität des Ionentauschers. So lässt sich zum Beipiel Gold in einer höheren Reinheit herstellen als mit anderen Verfahren. Aber auch bei der Gewinnung von Uran zur Herstellung von Kernbrennstäben hat die Anreicherung von Uran-Ionen mit Hilfe von Ionentauschern eine hohe wirtschaftliche Bedeutung.

  Die Selektivität von bestimmten Ionentauschern macht man sich auch bei der Reinigung von mit Schwermetallen verunreinigten Abwässern zunutze. So können die unerwünschten Metallionen entfernt werden, ohne dem Grundwasser wichtige Mineralstoffe und Salze zu entziehen.

  Bei der Herstellung von Zucker wird häufig die Zuckerlösung mit Ionentauschern von unerwünschten Stoffen befreit. Dies sind zum Beispiel unterschiedliche Salze, die in Zuckerrüben enthalten sind, aber auch Proteine, die die Farbe des Zuckers beeinflussen. Da es sich also um Anionen und Kationen handelt, die entfernt werden sollen, kommen bei diesem Prozess nacheinander Kationen- und Anionentauscher zum Einsatz.

  Aber auch bei alltäglichen Anwendungen sind Ionentauscher wichtig: So werden zum Beispiel Kationentauscher in Geschirrspülmaschinen und Waschmaschinen eingesetzt, um die Wasserhärte zu verringern. Dabei werden dem Wasser vor allem $Ca^{2+}$- und $Mg^{2+}$-Ionen entzogen, da diese zur Bildung von Ablagerungen wie Kalk in den Geräten führen können. Dies schädigt die Geräte und führt zu Wasserschäden. Auch in anderen Gebrauchsgegenständen wie Wasserfiltern für den Hausgebrauch und Aquarienfiltern werden Ionentauscher verwendet.