Destillation einfach erklärt: Prinzip und Grenzen

Stell dir Wasser vor, in dem blaue Tinte gelöst ist. Der Farbstoff ist gelöst und lässt sich deshalb nicht mit einem Filter abtrennen. Wasser kann jedoch verdampfen, während der Farbstoff im Ausgangsgefäß zurückbleibt. Wird der Wasserdampf gekühlt, entsteht wieder flüssiges, farbloses Wasser.

Der Übergang von einer Flüssigkeit zum Gas heißt Verdampfen. Der umgekehrte Übergang vom Gas zur Flüssigkeit heißt Kondensieren.

Die Siedetemperatur, auch Siedepunkt genannt, ist die Temperatur, bei der eine Flüssigkeit bei einem bestimmten Luftdruck siedet, also kocht und überall Dampfblasen bildet. Sie ist eine Stoffeigenschaft, hängt aber auch vom Luftdruck ab. Tabellenwerte gelten meist für den normalen Luftdruck auf Meereshöhe, etwa 1013 Hektopascal.

Auf dieselbe Weise entsteht aus Leitungswasser deutlich mineralärmeres destilliertes Wasser: Die gelösten Mineralstoffe verdampfen kaum und bleiben größtenteils im Ausgangsgefäß zurück.

Wie gelangt der Dampf sicher vom erhitzten Gemisch in ein Auffanggefäß? Dafür verbindet eine Destillationsapparatur mehrere Bauteile zu einem geschlossenen Dampfweg. Am Ende bleibt die Apparatur zur Luft hin offen, damit sich der Druck ausgleichen kann.

Im Liebig-Kühler fließt Kühlwasser um das innere Dampfrohr. Wasser und Dampf bleiben räumlich getrennt. Der Kühlwasserzufluss liegt an der tiefsten Stelle des Kühlers, damit der Kühlmantel zuverlässig gefüllt wird.

Destillationen gehören in eine fachgerecht beaufsichtigte Laborumgebung. Im Unterricht baut deshalb die Lehrkraft die Apparatur auf und führt die Destillation vor. Die Apparatur wird dabei heiß. Siedesteinchen im Kolben verhindern, dass die Flüssigkeit plötzlich heftig aufkocht und herausspritzt. Alle tragen eine Schutzbrille, und vor der Apparatur steht eine Schutzscheibe. Die Reste entsorgt die Lehrkraft nach den Regeln der Schule.

Manchmal enthält ein Gemisch nur einen Bestandteil, der leicht verdampft, und einen, der kaum verdampft, wie Wasser und Farbstoff im Tintenwasser. Dann kann eine einfache Destillation genügen. Enthält es mehrere Bestandteile, die bei verschiedenen Temperaturen sieden, müssen mehrere Anteile getrennt aufgefangen werden.

Bei der fraktionierten Destillation werden solche Anteile, die Fraktionen, nacheinander aufgefangen oder in verschiedenen Höhen einer Kolonne gewonnen. Eine Kolonne ist ein hohes Rohr über dem Kolben. Im Labor trägt eine Destillationsspinne mehrere Auffangkolben. Ändert sich die Temperatur des Dampfes, wird eine andere Vorlage unter den Auslauf gedreht. So bleiben nacheinander aufgefangene Fraktionen getrennt.

In der Kolonne kondensiert ein Teil des Dampfes und verdampft erneut. Durch diese wiederholten Vorgänge ist von den leichter flüchtigen Bestandteilen immer mehr im Dampf enthalten. Diese verbesserte Trennung heißt Rektifikation.

Die Siedetemperatur ist nicht unveränderlich. Sie hängt vom Druck ab: Bei geringerem Druck siedet eine Flüssigkeit schon bei niedrigerer Temperatur. Das nutzt die Vakuumdestillation. Vakuumapparaturen können bei ungeeigneten oder beschädigten Gefäßen implodieren, also nach innen zerbersten. Zum Schutz nutzt man deshalb kleine, unbeschädigte Rundkolben, die für Unterdruck geeignet sind, eine Schutzbrille und eine Schutzscheibe.

Erdöl ist ein Gemisch aus vielen Kohlenwasserstoffen, also Stoffen aus Kohlenstoff und Wasserstoff. In einer großen Kolonne ist es unten heißer und nach oben hin kühler. Höher siedende Bestandteile kondensieren weiter unten. Niedriger siedende Bestandteile bleiben länger gasförmig, steigen weiter auf und kondensieren erst in kühleren Bereichen. Die gewonnenen Erdölfraktionen enthalten Stoffe mit ähnlichen Siedebereichen. Sie sind daher meist Stoffgemische und keine Reinstoffe.

Destillation und Cracken sind nicht dasselbe. Die Destillation trennt Stoffe, die schon vorhanden sind, ohne sie gezielt umzuwandeln. Beim Cracken werden lange Kohlenwasserstoff-Teilchen chemisch in kürzere gespalten. Dabei entstehen neue Stoffe.

Bei der Wasserdampfdestillation reißt Wasserdampf Stoffe mit, die sich kaum in Wasser lösen und allein erst weit über 100 °C sieden. Nach dem Kondensieren lassen sich so zum Beispiel Duftöle, auch etherische Öle genannt, aus Pflanzen gewinnen.

Ein Azeotrop ist ein Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, das bei einer bestimmten Zusammensetzung wie ein Reinstoff bei gleichbleibender Temperatur siedet. Sein Dampf ist dann genauso zusammengesetzt wie die Flüssigkeit. Deshalb lässt es sich bei gleichem Druck durch Destillation nicht weiter trennen, auch nicht mit einer Kolonne. Ethanol und Wasser bilden bei normalem Luftdruck ein solches Gemisch mit etwa 96 % Ethanol: In 100 g des Gemisches sind fast 96 g Ethanol. Auch ohne Azeotrop entstehen nicht automatisch reine Fraktionen. Wichtig sind unter anderem der Abstand der Siedetemperaturen, die Zusammensetzung des Gemisches, der Druck und der Aufbau der Apparatur.