Umkristallisation

Grundprinzip und Bedeutung

Die Umkristallisation ist in der Chemie ein Reinigungs- und Stofftrennverfahren. Rohprodukte oder Präparate werden zunächst aufgelöst und anschließend wieder auskristallisiert, um ein reineres Endprodukt zu erhalten. Grundlage ist, dass die meisten Stoffe in warmen Lösungsmitteln besser löslich sind als in kalten: Wird eine heiße gesättigte Lösung abgekühlt, überschreitet die Stoffmenge schließlich die Löslichkeit, und die Substanz kristallisiert wieder aus.

In der Mineralogie bezeichnet Umkristallisation dagegen die Änderung einer Kristallstruktur durch veränderte äußere Bedingungen, insbesondere Druck und Temperatur. Dabei wechselt ein kristalliner Feststoff beziehungsweise ein Mineral seine Modifikation.

Durchführung und Reinigungswirkung

Zur chemischen Umkristallisation wird mit einem geeigneten Lösemittel oder Lösemittel-Gemisch eine heiße, gesättigte Lösung des verunreinigten Stoffes hergestellt. Falls unlösliche Verunreinigungen vorhanden sind, wird die Lösung nötigenfalls heiß filtriert. Anschließend kühlt sie ab, sodass die gewünschte Substanz erneut kristallisiert und in der Regel reiner erhalten wird.

Gefärbte Verunreinigungen oder Trübungen lassen sich häufig durch Adsorptionsmittel entfernen. Dazu gehören beispielsweise Holzkohle, Knochenkohle, Aktivkohle, aktives Aluminiumoxid, Kieselgur und Filterflockenmasse. Das Adsorptionsmittel wird aus der heißen gesättigten Lösung abfiltriert. Die Lösung darf dabei nicht zu stark abkühlen, weil sonst die zu reinigende Substanz bereits auskristallisieren kann; deshalb werden meist heizbare Filter verwendet.

Die Reinigung beruht vor allem auf zwei Effekten:

• Verunreinigungen, die wesentlich schwerer löslich sind, können aus der heißen gesättigten Lösung abfiltriert werden. Verunreinigungen mit höherer Löslichkeit bleiben bevorzugt in Lösung.
• Bei der Kristallisation lagern sich gleichgeformte Moleküle statistisch eher zu einem Kristall zusammen als anders geformte Moleküle. Ist die gewünschte Substanz gegenüber den Verunreinigungen im großen Überschuss vorhanden, werden anders geformte Moleküle erst gegen Ende in den Randbereich der Kristalle eingebaut. Durch vorsichtiges Waschen können sie dort abgelöst werden.

Umfällen und Umschmelzen

Verwandte Verfahren sind das Umfällen und das Umschmelzen. Umfällen, auch Umfällung genannt, ist eine mehrdeutige Bezeichnung. Es kann eine chemische Fällungsreaktion stattfinden. Alternativ wird zu einer Lösung der Substanz in einem „guten“ Lösemittel ein „schlechtes“ Lösemittel gegeben. Dadurch wird die Löslichkeit der Substanz oder einer Verunreinigung so weit herabgesetzt, dass sie ausfällt.

Beim Umschmelzen wird kein Lösungsmittel verwendet. Stattdessen arbeitet man bei Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes.

Ein Beispiel für ein chemisches Stofftrennverfahren ist die Reinigung von Benzoesäure: Sie reagiert mit Natronlauge in einer Säure-Base-Reaktion zu dem wasserlöslichen Natriumbenzoat. Aus dessen Lösung werden unlösliche Verunreinigungen durch Filtration abgetrennt. Durch Zugabe eines Fällungsmittels, beispielsweise einer starken Säure, wird anschließend gereinigte Benzoesäure wieder ausgefällt oder auskristallisiert.

Voraussetzungen und Grenzen

Umkristallisieren, Umfällen und Umschmelzen können nur angewendet werden, wenn der zu reinigende Stoff mit den Verunreinigungen keine Mischkristalle bildet. Außerdem muss sichergestellt sein, dass das verwendete Lösemittel bei den eingesetzten Temperaturen nicht mit der zu reinigenden Substanz reagiert.