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Die Gaschromatografie

Zwei Sachaufgaben: vom Feuerzeuggas bis zur Ölspur im Bach.

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Was steckt im Feuerzeug?

AFB I–II

Feuerzeuggas ist ein Gemisch aus Propan (Sdp. −42 °C), Butan (Sdp. −1 °C) und 2-Methylpropan (Sdp. −12 °C). Ein Labor untersucht eine Probe mit einem Gaschromatografen.

Chromatogramm eines Feuerzeuggases (unpolare Säule, 40 °C)
00,511,522,533,5t in minSignal123
Peaks 1–3; feine Gitterlinien im Abstand von 0,1 min. Die Auswertesoftware meldet die Peakflächen 18 (Peak 1), 27 (Peak 2) und 45 (Peak 3).
  1. Lies die Retentionszeiten der drei Peaks aus dem Chromatogramm ab.
  2. Begründe, welcher Peak zu welchem Stoff gehört.
  3. Bestimme den Anteil von Butan in der Probe.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Lies jeweils an der Peakspitze auf der Zeitachse ab (Genauigkeit 0,1 min).
Hinweis zu Aufgabe b)
Auf einer unpolaren Säule entscheiden die Van-der-Waals-Kräfte — vergleiche Kettenlänge und Verzweigung.
Hinweis zu Aufgabe c)
Anteil = eigene Fläche / Summe aller Flächen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Peak 1: \(t_R \approx 1{,}2\,\text{min}\), Peak 2: \(t_R \approx 1{,}9\,\text{min}\), Peak 3: \(t_R \approx 2{,}4\,\text{min}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Propan hat die kürzeste Kette und die schwächsten Van-der-Waals-Kräfte → Peak 1. 2-Methylpropan und Butan haben beide 4 C-Atome; das verzweigte 2-Methylpropan hat eine kleinere Kontaktfläche, schwächere Van-der-Waals-Kräfte und die niedrigere Siedetemperatur → Peak 2. Butan haftet am stärksten → Peak 3.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Gesamtfläche: 18 + 27 + 45 = 90. Anteil Butan: \(\frac{45}{90} = 0{,}50 = 50\,\%\) (Propan 20 %, 2-Methylpropan 30 %).

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Die Ölspur im Bach

AFB II–III

Auf einem Bach schillert ein Ölfilm. In der Nähe liegen eine Tankstelle (Benzin) und ein Bauernhof mit Dieseltank. Die Umweltbehörde nimmt eine Probe und vergleicht sie mit Referenzproben von Benzin und Diesel. Der Ölfilm treibt seit etwa einem Tag auf dem Wasser.

Chromatogramme unter gleichen Bedingungen
Referenz BenzinReferenz DieselProbe aus dem Bach02468101214161820t in min
Unpolare Säule, Ofentemperatur steigt während der Messung gleichmäßig an. Alle drei Chromatogramme haben dieselbe Zeitachse.
  1. Vergleiche das Chromatogramm der Probe mit den beiden Referenzen.
  2. Beurteile, ob der Ölfilm von der Tankstelle stammen kann.
  3. Plane ein Vorgehen, mit dem die Behörde ihre Zuordnung absichern kann.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Achte auf die Lage der Peaks (Zeitbereich) und auf ihre Größenverhältnisse.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welche Bestandteile verdunsten an der Luft zuerst?
Hinweis zu Aufgabe c)
Gleiche Bedingungen; Referenz direkt aus der Quelle; Zusatz eines Reinstoffs.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Probe zeigt Peaks nur zwischen etwa 1,5 und 8 min — an denselben Stellen wie die Benzin-Referenz; im Bereich 9–18 min (Diesel) gibt es keine Peaks. Ab etwa 3 min stimmen auch die Größenverhältnisse mit Benzin überein. Unterschied: Die beiden ersten Peaks (1,6 und 2,2 min) sind in der Probe viel kleiner.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Probe passt zu Benzin; Diesel scheidet aus, da alle späten Peaks fehlen. Die kleinen frühen Peaks sprechen nicht dagegen: Die kurzkettigen Bestandteile mit kleiner Retentionszeit haben die niedrigsten Siedetemperaturen und sind nach einem Tag an der Luft großteils verdunstet. Ein Benzin-Eintrag von der Tankstelle ist daher sehr wahrscheinlich; bewiesen ist er nur durch weitere Belege (z. B. Vergleich mit Benzin direkt aus deren Tank).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Benzin direkt aus dem Tank der Tankstelle entnehmen und unter denselben Bedingungen (gleiche Säule, gleiches Temperaturprogramm, gleicher Gasstrom) messen. Einen Teil davon einen Tag offen stehen lassen und erneut messen — sinken die frühen Peaks genauso, ist das Verdunsten bestätigt. Zusätzlich einen Reinstoff (z. B. Octan) zur Bachprobe geben: Wächst genau der erwartete Peak, ist die Zuordnung dieses Peaks gesichert.