en aquesta unitat aprendràs a - mcgraw-hill education · separació dels components d’una...

En aquesta unitat aprendràs a: Entendre la diferència entre mescla i combinació i entre

matèria homogènia i matèria heterogènia.

Interpretar la corba d’escalfament d’una substància tot

indicant si és una substància pura o mescla i reconèixer

la importància de la temperatura d’ebullició i fusió com

a propietat identifi cadora en les substàncies pures.

Relacionar les propietats físiques dels components d’una

mescla amb la tècnica escollida per separar-los.

Resoldre problemes experimentals que es refereixin a la

separació dels components d’una mescla.

Efectuar experimentalment i correcta diferents tècniques de

separació de mescles, seleccionant el material més adequat.

CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA

02

02_Quimica1_batx_067-094.indd 6702_Quimica1_batx_067-094.indd 67 3/3/08 08:32:223/3/08 08:32:22

68 CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA02

j 2.1 Matèria homogènia i heterogènia

Podem classifi car la matèria de tantes maneres com criteris establim. En la unitat ante-rior ja en vam fer una primera classifi cació, segons el seu estat físic (estructura interna), en sòlida, líquida i gasosa. En aquesta unitat la classifi carem d’acord amb la composi-ció en dos grans grups: matèria homogènia i matèria heterogènia.

A. Matèria homogènia

Si tenim un terròs de sucre, en partim un tros i l’observem amb una lupa binocular, no veurem diferències en cap punt de la seva massa. Si n’analitzem les propietats (solubilitat, punt de fusió, etc.), veurem que també té les mateixes propietats que abans de ser trencat (fi g. 2.1). Altres exemples de matèria homogènia són un lingot d’or o l’aigua de mar.

Dins de les matèries homogènies cal distingir entre:

j Mescles homogènies: estan formades per diferents components, tot i que presenten una distribució uniforme pròpia de la matèria homogènia. N’és un exemple l’aigua de mar, que està composta per sals i aigua.

j Substàncies pures: estan formades per un sol component. Podem distingir entre:

— Substàncies simples o elements: són les substàncies pures que tenen un sol tipus d’àtoms, com ara el lingot d’or, que només conté àtoms d’or.

— Compostos: són les substàncies pures formades per més d’un tipus d’àtom, com ara el sucre: les seves molècules estan constituïdes per àtoms de carboni, d’hi-drogen i d’oxigen (C12H22O11).

La diferència entre substància pura i mescla homogènia, a més del nombre de compo-nents de la matèria, és que la substància pura té una composició invariable d’una mos-tra a una altra, mentre que, en la mescla homogènia, la composició de mostra a mostra pot ser variable. Una mostra d’aigua de mar, per exemple, té una concentració més alta de sals si prové del mar Mort que si és del mar Mediterrani.

La matèria homogènia és aquella els constituents de la qual no distingim ni a ull nu ni amb el microscopi convencional. Presenta una distribució uniforme de les partícules i qualsevol dels seus punts té la mateixa compo-sició i les mateixes propietats.

Matèria

HeterogèniaMescles heterogènies

Ex.: granit

Homogènia

Substàncies pures

Mescles homogènies

Ex.: aigua de mar

Elements (simples). Ex.: or

Compostos (combinacions d’elements)

Ex.: sacarosa del sucre

Mescles

Fig. 2.1. Matèria homogènia.

Fig. 2.2. Turistes surant al mar Mort.


02 69CLASSIFICACIÓ DE LA MATÈRIA

B. Matèria heterogènia

També podem dir que la matèria heterogènia és la formada per dos tipus de matèries homogènies o més. Anomenem fase cadascuna de les parts homogènies, i mescla he-terogènia, el conjunt (fi g. 2.3).

Les diferents fases d’una matèria heterogènia presenten propietats diferents les unes de les altres, perquè són substàncies diferents.

Són exemples de mescles heterogènies la sang, el granit, etc. (fi g. 2.4), tot i que a ull nu la sang pot semblar una mescla homogènia.

La matèria heterogènia és aquella els constituents de la qual distingim a ull nu o amb un microscopi. La distribució de les partícules no sol ser uni-forme. Per tant, la composició en tots els seus punts no sol ser la mateixa.

Fig. 2.4. Mescles heterogènies.

Fig. 2.3. Mescla heterogènia d’aigua i sorra.

ACTIVITATS

1> Digues quines de les substàncies següents són homogènies i quines heterogènies:

Aigua, suc de llimona, llet, sal, massa de pizza, taronjada, nata.

2> D’aquestes substàncies només n’hi ha una que no és homogènia, quina és?

Argent, vi, aire, llautó, bronze i sucre.

3> Indica quines de les substàncies següents són pures:

Aigua mineral, coure, oli, sal, salsa de tomàquet i sucre.

a) Sang

b) Granit



j 2.2 Substàncies pures

Moltes vegades es confonen les mescles homogènies amb substàncies pures. Per exem-ple, l’aigua mineral no és una substància pura, ja que, si mirem l’etiqueta, ens adonem que està formada per diverses substàncies. Normalment, però, no tenim aquest recurs; aleshores, què hem de fer per saber si estem davant d’una substància pura?

Hem d’analitzar les propietats de la matèria de l’objecte d’estudi, ja que les substàncies pures presenten propietats físiques i químiques característiques que no depenen de la quantitat de substància ni de la forma de l’objecte, com ara la densitat, la solubilitat, la conductivitat, els punts d’ebullició i fusió, etc.

Les propietats de la matèria es poden classifi car en:

j Propietats físiques: depenen de la substància.

j Propietats químiques: caracteritzen el comportament de la substància enfront d’al-tres substàncies, és a dir, dels canvis de composició que experimenten.

Tenint en compte el punt d’ebullició i el de fusió d’una substància podem determinar la seva puresa estudiant-ne la corba d’escalfament. En general, tota substància pura que rep calor, augmenta progressivament de temperatura fi ns a arribar a la temperatura en què es produeix el canvi d’estat. Mentre es produeix el canvi d’estat, la temperatura roman constant, ja que la matèria utilitza l’energia subministrada per provocar aquest canvi, no per augmentar la temperatura (fi g. 2.5).

Una substància pura és aquella matèria formada per una sola fase, de composició uniforme i invariable.

Si la substància és pura, mentre es produeix el canvi d’estat, la temperatura roman constant (fi g. 2.5 a).

Si la substància no és pura, no obtenim el tram recte de la gràfi ca, que indica que la temperatura no varia, ja que el fet que hi hagi diverses substàncies fa que el canvi d’estat global tingui lloc al llarg d’un interval de temperatures (fi g. 2.5 b).

Les substàncies pures es poden dividir en dos grans grups:

j Substàncies pures compostes o compostos, per exemple, l’aigua destil.lada, forma-da per molècules de H2O constituïdes per àtoms d’hidrogen i d’oxigen, o el sucre pur, constituït per molècules de sacarosa C12H22O11.

j Substàncies simples o elements, per exemple, el diamant i el grafi t, els àtoms dels quals són només de carboni; o el sofre, format únicament per àtoms de sofre.

Fig. 2.5. Corba d’escalfament de: a) Substància pura, b) Substància no pura.

T

fusiófusió

ebullició ebullició

T

t t

T1

T2

No hem de confondre el concepte de puresa utilitzat en química amb el que es fa servir a la vida quotidiana. Vulgarment s’entén per substància pura aquella que no està contaminada. Així es parla d’aire pur, però per als químics l’aire no és una substància pura, sinó una mescla.

a) b)



A. Elements

Els elements es representen mitjançant símbols acceptats internacionalment, que són combinacions d’una o dues lletres, la primera en majúscula i la segona, si n’hi ha, en minúscula.

Els noms i els símbols dels elements tenen orígens molt diversos: poden venir del nom en llatí o en grec de la substància, del nom d’alguna persona il.lustre, d’un país o una ciutat, etc.

Exemples:

argent o plata Ag del llatí argentum

sodi Na del llatí natrium

pal.ladi Pd de Pal.las, deessa grega de la saviesa

crom Cr del grec chroma (‘color’)

gal.li Ga de la Gàl.lia (França)

curi Cm en honor de Pierre i Marie Curie

Ordenació i classificació dels elements

Actualment es coneixen 118 elements, 83 dels quals es troben de forma natural a la Terra. A temperatura ambient i a la pressió normal d’1 atm (1 013 Pa), uns són sòlids —com el sofre i el ferro—, d’altres són líquids —com el brom o el mercuri—, i d’altres, gasosos —com l’hidrogen i l’oxigen.

Els elements químics s’ordenen segons el nombre atòmic en la taula periòdica (vegeu la taula en la unitat 8). Aquesta classifi cació permet veure que hi ha grups d’elements amb propietats químiques anàlogues.

Tot i que estudiarem més a fons la taula periòdica en unitats posteriors, fi xeu-vos que algunes agrupacions d’elements en columnes, que s’anomenen grups o famílies, tenen noms particulars, com per exemple gasos nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn), halògens (F, Cl, Br, I, At), calcògens (O, S, Se, Te i Po), metalls alcalins (Li, Na, K, Rb, Cs i Fr), me-talls alcalinoterris (Be, Mg, Ca, Sr, Ba i Ra), lantànids (de l’element La al Lu) i actínids (de l’element Ac al Lr).

El nombre màssic, el nombre atòmic, la càrrega iònica i el nombre d’àtoms que formen una molècula típica de l’element es poden especifi car mitjançant quatre índexs dispo-sats al voltant del símbol d’un element determinat:

Els elements, substàncies pures amb un sol tipus d’àtom, no es poden des-compondre en altres substàncies més senzilles mitjançant procediments químics. Per tant, des del punt de vista químic són els constituents bàsics de la matèria. En són exemples el carboni, el ferro, l’alumini, etc.

nombre màssic càrrega iònica (n1 o n2)

nombre atòmic nombre d’àtomsE

Els àtoms estan constituïts per electrons, neutrons i protons, els quals, al seu torn, estan formats per quarks. La física nuclear i la física de partícules s’encarreguen d’estudiar les partícules subatòmi-ques.



En la taula periòdica es representen els àtoms dels elements sense ionitzar, i per això no hi ha indicació de la càrrega iònica ni del nombre d’àtoms.

Exemples:

j 2412Mg21 representa un sol àtom de magnesi doblement ionitzat de nombre atòmic 12 i nombre màssic 24.

j S8 representa una molècula neutra que conté vuit àtoms de sofre.

Els elements, segons el nombre d’àtoms que formen la molècula, els podem classifi car en:

j Monoatòmics: la seva molècula està formada per un sol àtom, i per tant, les fórmu-les coincideixen amb els símbols que els representen. Exemples: He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn, que anomenem gasos nobles.

j Diatòmics: les seves molècules estan formades per dos àtoms. És el cas de la ma-joria dels elements situats a la dreta de la taula, com ara: el fl uor, F2; el clor, Cl2 (fi g. 2.6 a); el brom, Br2; el iode, I2; l’oxigen, O2; el nitrogen, N2, i l’hidrogen, H2.

j Poliatòmics: les seves molècules estan formades per més de dos àtoms. Exemples: l’ozó, O3, format per 3 àtoms d’oxigen; el fòsfor blanc (tetrafòsfor), P4, format per quatre àtoms de fòsfor; el sofre (octosofre), S8, format per vuit àtoms de sofre (fi g. 2.6 b), etc.

j Hi ha substàncies constituïdes per àtoms que formen estructures gegants cris-tal.lines: tots els metalls, com ara el ferro, el coure, l’alumini, i també el carboni (en forma de grafi t o de diamant), etc. (fi g. 2.6 c).

Una altra classifi cació dels elements és (fi g. 2.7):

j Elements metàl.lics: són els que tenen tendència a perdre electrons per poder acon-seguir l’estabilitat similar a la de gas noble. La majoria d’elements de la taula periò-dica són metàl.lics.

j Elements no metàl.lics: són els que tenen tendència a guanyar electrons per assem-blar-se als gasos nobles.

j Gasos nobles: se situen a la columna de més a la dreta de la taula periòdica, són molt estables i molt poc reactius. Per tant, habitualment no perden ni guanyen elec-trons.

Ions negatius i positius

Quan un àtom de qualsevol element perd o guanya electrons, passa a ser una partícula carregada, anomenada ió.

Hi ha dos tipus d’ions:

j Anió: és un àtom que ha guanyat un o més electrons i passa a tenir càrrega negati-va. Exemples: S22, Cl2, O22 i N32 són anions.

j Catió: és un àtom que ha perdut electrons, i passa a tenir càrrega positiva. Exem-ples: Ca21, Na1, Fe31 i Co21 són cations.

Fig. 2.6 . Model molecular d’una molècula de: a) clor; b) sofre; c) coure.

Fig. 2.7

Oxigen (O2, diatòmic) i ozó (O3, triatòmic) són dues formes en què es presenta l’element oxigen.

Els elements que en condicions normals són gasosos i s’anomenen igual que l’element són monoatò-mics, com els gasos nobles (He, Ne, Ar, Kr, Xe i Rn), o bé diatò-mics, com ara l’oxigen (O2), el clor (Cl2) o el nitrogen (N2).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

No-metalls

Metalls

Gasos nobles

a)

b)

c)



EXEMPLE 1

Quants electrons, protons i neutrons conté un ió Ca21 tenint en compte que l’element calci té un nombre atòmic de 20 i un nombre màssic de 40?

Resolució

L’element calci, que és neutre, té 20 protons (nombre atòmic 20) i, per tant, 20 electrons. Si té nombre màssic 40 vol dir que té 20 neutrons, ja que:

20 protons 1 20 neutrons 5 40 u

L’ió Ca21 té el mateix nombre de neutrons i de protons que l’element neutre, però dos electrons menys que aquest element. Per tant, té 20 protons, 20 neu-trons i 18 electrons.

B. Compostos

Els compostos es representen mitjançant fórmules amb els símbols dels elements que els constitueixen, amb subíndexs. Els subíndexs de cada símbol ens indiquen la propor-ció en què es troba cada element. En el cas de substàncies formades per molècules, els subíndexs indiquen el nombre d’àtoms de cada element que formen la molècula. Un exemple de compost és l’aigua, representada per la fórmula H2O (fi g. 2.8 a), que ens indica que en cada molècula hi ha un àtom d’oxigen i dos d’hidrogen; si la proporció dels elements és diferent, com en la molècula H2O2 (fi g. 2.8 b), vol dir que es tracta d’una substància diferent, en aquest cas, l’aigua oxigenada.

En el cas de substàncies formades per estructures cristal.lines ge-gants, els subíndexs indiquen la relació del nombre d’àtoms que cada element aporta a la substància. N’és un exemple el clorur de magnesi, que forma una estructura iònica gegant. La seva fórmula es representa per MgCl2, i això vol dir que en el cristall hi ha la proporció de dos ions de clor per cada ió de magnesi.

Els compostos són substàncies pures formades per àtoms de dos elements o més combinats en una proporció defi nida i invariable.

Fig. 2.8 . a) Molècula d’aigua. b) Molècu-la d’aigua oxigenada.

Taula 2.1

Diferències fonamentals entre element i compost

Element Compost

— Format per àtoms del mateix tipus.

— No es pot descom-pondre en substàn-cies més simples.

— Format per àtoms de ti-pus diferents.

— Es pot descompondre en substàncies més simples per mètodes químics.

a)

b)

Descomposició dels compostos

Tots els compostos es poden descompondre en substàncies més senzilles, bé en els elements que els constitueixen, bé en altres compostos més simples, mitjançant proce-diments químics. L’aigua, per exemple, la podem descompondre en els seus consti-tuents, hidrogen i oxigen, mitjançant l’acció de l’electricitat. El tetraòxid de dinitrogen (N2O4) es pot descompondre en dues molècules de NO2, de propietats diferents de les del compost original.

Les propietats físiques i químiques d’un compost difereixen molt de les propietats dels elements que el formen. Així, mentre que l’oxigen és un gas comburent (revifa la fl a-ma), i l’hidrogen, un gas combustible i explosiu, l’aigua no és ni comburent ni explosi-va. Un altre exemple el tenim en el clorur de sodi (o sal de cuina); si el descomponem, obtenim el clor, un gas molt tòxic, i el sodi, un metall molt reactiu. En canvi, la sal és una substància que no és ni tòxica ni reactiva i la consumim diàriament.



4> Un element de la taula periòdica té 8 protons i 7 neutrons.

a) Quin nombre atòmic i quina massa atòmica té aquest element?

b) Quants electrons té un àtom de l’element?

5> L’ió sodi (Na1) té 11 protons i 12 neutrons. Quants electrons té?

6> El nitrogen i l’oxigen són el components princi-pals de l’aire. Quin tipus de matèria és el nitro-gen? I l’oxigen? I l’aire?

7> Quants protons, neutrons i electrons té l’ió alumi-ni Al31, si l’element té un nombre atòmic de 13 i un nombre màssic de 27?

8> L’àcid nítric, HNO3, és un element o un compost? I el clor, Cl2, que s’empra en la depuració d’aigua?

ACTIVITATS

j 2.3 Mescles

La proporció en què es troben les diferents substàncies pures en una mescla pot ser molt diversa, però cadascuna conserva la seva composició i les seves propietats. Les substàncies pures que formen una mescla, tant si és homogènia com si és heterogènia, es poden separar mitjançant operacions basades en fenòmens físics.

Hi ha dos tipus de mescles: les mescles homogènies i les mescles heterogènies.

Les mescles són combinacions de diverses substàncies pures sense interac-ció química.

Taula 2.2

Diferències fonamentals entre compost i mescla

Compost Mescla

— Composició dels elements defi nida o invariable.

— No es conserven les propietats de les substàncies d’origen.

— Separació dels seus components per mètodes químics.

— Composició de les substàncies pures variable.

— Es conserven les propietats de les substàncies d’origen.

— Separació dels seus components per mètodes físics.

A. Mescla homogènia i dissolució

Exemples:

j L’aigua de mar: mescla d’aigua i sals, amb alguns gasos dissolts.

j El vinagre comercial: mescla natural d’aigua, àcid acètic i altres substàncies que li donen color i aromes.

j L’aire: mescla de gasos, principalment nitrogen i oxigen amb petites quantitats de diòxid de carboni, vapor d’aigua i gasos nobles.

La mescla homogènia està formada per diferents components, tot i que presenta una distribució uniforme pròpia de matèria homogènia.



En moltes dissolucions, el dissolvent és l’aigua. És difícil trobar exemples quotidians amb un dissolvent que no sigui aquest, ja que gairebé tota la natura, tal com l’ente-nem, té l’aigua com a dissolvent.

Tot i això, en la taula 2.3 es recullen exemples d’altres possibilitats, però sempre es tracta de dissolucions de dos components.

Les dissolucions o solucions són mescles homogènies de dues substàncies o més.

En aquest text ens referim generalment a una mescla homogènia de dos components, el solut i el dissolvent.

Dissolució 5 solut 1 dissolvent

j Component 1 � solut, substància que es dissol. Normalment es troba en menor proporció i s’associa a un sòlid.

j Component 2 � dissolvent, substància que dissol, que engloba el so-lut. Normalment es troba en major proporció i s’associa a un líquid.

Taula 2.3

Exemples de dissolucions de dos components

Dissolvent

Solut

Sòlid Líquid Gasós

Sòlid Acer inoxidable, bronze, llautó (són els anomenats aliatges homogenis).

Sal de cuina o sucre en aigua. Fum (col.loide).

Líquid Mercuri-or (si es trenca un termòmetre i el mercuri cau sobre alguna joia d’or, es forma una dissolució anomenada amal-gama i la joia queda malmesa).

Alcohol en aigua (la base de totes les begudes alcohòliques).

Boira (col.loide).

Gasós Hidrogen en pal.ladi. Oxigen en aigua (els peixos respiren gràcies a l’oxigen dis-solt).

Aire (mescla de nitrogen, oxigen i altres gasos en proporcions més baixes).

Les dissolucions són un tipus concret de mescla homogènia. Ens trobem dissolucions de tota mena tant en el món biològic com en la vida quotidiana i el món industrial. Per la importància que tenen, a continuació ens centrarem en l’estudi de les dissolucions:

Col.loide: sistema heterogeni amb dues fases, una de contínua i una de dispersa, que és formada per partícules de grans dimensions. És una mescla heterogènia en què les partícules de la fase dispersa es poden apreciar només amb un mi-croscopi d’alta resolució. En molts casos, la diferència entre col.loide i dissolució costa d’apreciar.

Vocabulari

Solubilitat

La propietat d’una substància que permet formar mescles homogènies amb altres subs-tàncies s’anomena solubilitat. La solubilitat pot ser entre sòlids, líquids i gasos, amb totes les combinacions possibles entre ells.

La solubilitat és la quantitat de solut dissolta, en un volum determinat de dissolvent, en una dissolució saturada.



La solubilitat depèn de la temperatura. Normalment, tret de casos es-pecials, augmenta quan la temperatura augmenta (fi g. 2.9).

Podem dir que una dissolució és:

j Diluïda, si conté poca proporció de solut.

j Concentrada, si conté molta proporció de solut.

j Saturada, si el dissolvent no admet més quantitat de solut a una temperatura determinada.

j No saturada, si encara admet més quantitat de solut dissolt.

j Sobresaturada, si conté més solut dissolt del corresponent a la sa-turació. En aquest cas, és molt inestable.

Imaginem que tenim una certa quantitat d’aigua, hi afegim una quan-titat determinada de sucre i agitem la barreja per dissoldre’l (dissolució diluïda). Si hi anem afegint més sucre (dissolució concentrada), arri-barà un moment en què, per més que agitem, el su cre no es dissoldrà i es dipositarà al fons. En el moment just abans que es comenci a dipo-sitar el sucre, diem que la dissolució està saturada a la temperatura en

què es troba. Si, tot i estar saturada, hi afegim més solut, tindrem una dissolució so-bresaturada. Com que la solubilitat depèn de la temperatura, si escalfem la dissolució saturada, hi podrem afegir més solut.

Les corbes de solubilitat són gràfi ques en les quals es refl ecteix la quan-titat de solut que es pot dissoldre en una determinada quantitat de dissol-vent en funció de la temperatura.

Com podem comprovar en la gràfi ca de la fi gura 2.9, la solubilitat de moltes subs-tàncies augmenta en augmentar la temperatura; per exemple, en 100 g d’aigua es dissolen al voltant de 40 g de nitrat de potassi a 20 ºC, mentre que a 50 ºC se’n disso-len 90 g.

EXEMPLE 2

Basant-te en la fi gura 2.9 contesta les preguntes següents:

a) Quina és la solubilitat de la sal (clorur de sodi) a 40 ºC?

b) Quants grams de nitrat de potassi es dissolen en 200 g d’aigua a 30 ºC?

Resolució

a) Si observem la corba de solubilitat del NaCl, és de gairebé 40 g per cada 100 g d’aigua.

b) Si observem la corba de solubilitat del KNO3, és de gairebé 50 g per ca-da 100 g d’aigua. Per tant, en 200 g d’aigua seran 100 g de nitrat de potassi.

00 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

KI

KNO3

KBr

KCl

NaCl

K2SO4So

lub

ilita

t en g

ram

s p

er

100 g

(aig

ua)

Temperatura en graus Celsius

Fig. 2.9. Corbes de solubilitat d’algunes substàncies.

«Els ous de gallina suren a l’aigua?»

1r. Posa aigua en un recipient i submergeix-hi l’ou. Un ou fresc no ha de surar, perquè té una den-sitat més gran que la de l’aigua (1 g/cm3).

2n. Treu l’ou del recipient, posa sal de cuina a l’aigua fins que es-tigui saturada, i torna a posar-hi l’ou. Ara l’ou ha de surar, ja que la densitat de l’aigua saturada de clorur de sodi és més gran que la de l’ou. Si no és així, dubta de la qualitat de l’ou.

La tècnica de separació de substàn-cies per cristal.lització s’utilitza molt per a les substàncies la solu-bilitat de les quals augmenta amb la temperatura, ja que, quan la dissolució es refreda, l’excés de solut dissolt cristal.litza. També es pot aconseguir la cristal.lització per evaporació del dissolvent, tal com es fa a les salines per obtenir sal marina.



B. Mescla heterogènia

Cal tenir en compte que els compostos no són mescles. Ho veurem clar amb un exem-ple. Si escalfem una mescla heterogènia de sofre i llimadures de ferro, es produeix un fenomen químic. El ferro i el sofre passen a ser un compost de proporcions ben defi ni-des. Aquesta combinació química no té res a veure, ni en l’aspecte, ni en les propietats, amb el ferro i el sofre que formaven la mescla inicial. Cap de les dues substàncies ini-cials no conserva les seves propietats.

La matèria heterogènia és aquella els constituents de la qual distingim a ull nu o amb un microscopi poc potent. La distribució de les partícules no és uniforme; per tant, la composició no és la mateixa en tots els punts. N’és un exemple una mescla de sofre i llimadures de ferro.

ACTIVITATS

9> En els diagrames següents les diverses esferes sim-bolitzen àtoms de diferents elements. Indica quin diagrama representa:

a) Un element.

b) Un compost.

c) Una mescla de compost i element.

d) Una mescla d’elements.

10> Quina és la solubilitat de la sal comuna a 80 ºC?

11> Quants grams de bromur de potassi es dissolen en 250 mL d’aigua a 60 ºC?

R: 225 g KCl

12> La gràfica següent mostra la variació amb la tem-peratura de la solubilitat del nitrat de plom(II), Pb(NO3)2, en aigua:

a) Quina quantitat màxima de nitrat de plom(II) es pot dissoldre en 1 kg d’aigua a 30 ºC?

b) A 60 ºC una dissolució de 100 g de nitrat de plom en 200 g d’aigua està saturada?

R: a) 650 g de Pb(NO3)2

13> En un compost A se satura la dissolució en les condicions següents:

j A 20 ºC, 20 g de solut en 200 mL d’aigua.



a) Dibuixa la corba de solubilitat del compost A.

b) Quina és la seva solubilitat a 80 ºC?

A

B

C

D

E

Fig. 2.10

500 10 20 30

Temperatura (°C)

So

lub

ilita

t (g

/100 g

H2O

)

40 50 60

60

70

80

90

100



j 2.4 Separació dels components d’una mescla

Per estudiar les substàncies necessitem tenir-les en estat de puresa.

Si la substància que volem estudiar l’obtenim de la natura, difícilment tindrem una substància pura, i tampoc no ho serà si l’obtenim al laboratori, ja que és probable que juntament amb aquesta substància, se’n formin d’altres. Per això, la separació de mes-cles és tan important. Per poder fer una separació correcta, tant si volem fer una sepa-ració total dels components com si només ens interessa aïllar-ne un —situació que es dóna més sovint—, hem de conèixer les propietats dels seus components, ja que d’acord amb aquestes propietats utilitzarem un mètode físic o un altre.

Distingirem entre la separació de components en mescles homogènies i en mescles heterogènies.

A. Separació dels components de mescles heterogènies

Els mètodes que estudiarem que ens permeten separar els components en mescles hete-rogènies són la fi ltració, la decantació, la sedimentació i la centrifugació.

La filtració

Es tracta d’una operació que, basant-se en la mida diferent de les partícules, permet separar mescles heterogènies (sòlid-líquid) mitjançant els fi ltres. El líquid és capaç de travessar el fi ltre, que reté les partícules de sòlid. Amb aquest mètode es poden separar, per exemple, la terra de l’aigua d’un fang o les substàncies en suspensió dels efl uents a les depuradores d’aigua.

De fi ltres, n’hi ha de molts tipus. Industrialment s’empren els de sorra, els de premsa, els de banda, els de disc i tambor (fi g. 2.11). Cadascun d’aquests tipus també té moltes variants.

Al laboratori, la fi ltració es duu a terme mitjançant embuts i paper de fi ltre. En lloc del paper de fi ltre també es poden fer servir porcellanes més o menys poroses o llana de vidre.

La fi ltració, tant al laboratori com in-dustrialment, es pot accelerar amb el buit i també amb pressió.

Si fi ltrem a pressió atmosfèrica utilitza-rem embut i paper de fi ltre (fi g. 2.12). Si ho fem al buit, emprarem un embut especial anomenat Büchner i un erlen-meyer de tubuladura lateral, anomenat matràs de Kitasato, per on es fa el buit (fi g. 2.13). La manera de procedir es pot veure gràfi cament en les fi gures. El buit es pot produir mitjançant una trom-pa especial per on fem passar l’aigua de l’aixeta a una certa velocitat, o amb bombes de buit, que estalvien aigua però que tenen un cost superior.

Fig. 2.11. a) Filtre de sorra; b) Filtre de tambor.

a)

b)

Fig. 2.12. Filtrat a pressió atmosfèrica.Fig. 2.13. Filtrat al buit amb embut Büchner i matràs de Kitasato.

suspensió

per fi ltrar

fi ltrat

sorragresol

grava

fi ltrant

aigua

per al rentat

del fi ltresorragresol

grava

fi ltrant

líquid

de rentatge

buit

alimentació

aire a pressió

descàrrega

de sòlids

vareta

suport

precipitat

i líquid

sobrenedant

fi ltrat

paper de fi ltre

embut amb

fons foradat

connexió

al buit

fi ltrat



La decantació

És una operació, basada en la diferència de densitats, que s’utilitza quan els compo-nents que volem separar són molt diferents respecte a aquesta magnitud. Si la diferèn-cia de densitats no és gaire important, també es pot emprar aquest mètode de separa-ció, però aleshores és una operació molt lenta i econòmicament no rendible.

La separació pot ser entre:

j Dos líquids immiscibles. Al laboratori s’utilitza l’embut de decantació (fi g. 2.14). N’és un exemple real la decantació que es fa a les depuradores per eliminar els olis per evitar que interfereixen en els processos de depuració poste riors.

j Sòlids en líquids. Per exemple, s’utilitza a les depuradores per aconseguir separar el fang i les partícules d’una certa mida de la resta de l’efl uent.

La sedimentació

És una operació que permet separar sòlids d’una mescla heterogènia sòlid-líquid basant-se en la diferència de densitats.

Aquest mètode s’utilitza a les depurado-res per separar els sòlids dels líquids. Si les partícules sòlides no són prou grans i denses perquè es dipositin al fons del re-cipient, hi ha productes químics anome-nats fl oculants que les aglomeren i n’aug-menten el volum i la massa fi ns que és prou gran perquè precipitin al fons dels tancs (fi g. 2.15).

La centrifugació

Es tracta d’una operació que consisteix a aplicar una gran velocitat de rotació en la mescla que cal separar (fi g. 2.16). Això fa que les partícules més denses s’allunyin de l’eix de rotació i quedi al centre el líquid menys dens.

La centrifugació s’empra en molts camps de la indústria, per exemple la làctia. Per mitjà de la centrifugadora podem se-parar la mantega de la resta de components que són més densos. Aquest és el procediment per obtenir la llet descre-mada, la crema de llet o la mantega.

B. Separació dels components de mescles homogènies

Alguns dels procediments que ens permeten separar els components de les mescles ho mogènies són:

j L’evaporació j L’extracció sòlid-líquid

j La destil.lació j La cristal.lització

j L’extracció líquid-líquid j La cromatografi a

Fig. 2.15. Dipòsit circular per al tractament d’aigües.

Fig. 2.16. Centrifugadora de laboratori.

Fig. 2.14. Embut de decantació.

mescla

líquid

menys dens

interfase

líquid

més dens

Efluents: són les aigües que s’han de tractar en una depuradora, que reben un tractament diferent se-gons si són urbanes, industrials o mixtes.

Flòculs: són agregats de moltes partícules, de mida visible, que, segons la seva densitat, poden se-dimentar o bé surar en els efluents que s’han de tractar.

Vocabulari



L’evaporació

L’evaporació és un procediment de separació que consisteix a eliminar totalment o par-cialment els components volàtils no desitjats d’una mescla líquida mitjançant la va-porització total o parcial del líquid. En general, més que una separació total dels components, obtenim un producte més concentrat. Habitualment el que s’aprofi ta és el concentrat, no el líquid evaporat.

La vaporització es pot aconseguir per:

j Evaporació a pressió atmosfèrica, a temperatura ambient o moderada. Per exemple, la sal (NaCl) s’obté a partir de l’evaporació de l’aigua del mar en dipòsits poc pro-funds, anomenats salines (fi g. 2.17). A les salines, quan l’aigua s’evapora per acció de l’aire i del sol, la sal queda dipositada en el fons. Després, a la indústria se n’eli-minen les impureses i es comercialitza.

j Ebullició en buit parcial. Es tracta de fer el buit per tal que la solució s’evapori per ebullició a temperatura més baixa que el punt d’ebullició normal. Aquest és un dels mètodes que fa servir la indústria habitualment, per exemple, per obtenir la sosa càustica líquida concentrada (dissolució de NaOH).

La destil.lació

Una mescla líquida homogènia de dos components solubles entre ells, és a dir, misci-bles, i amb punts d’ebullició bastant diferents, es pot separar mitjançant l’ebullició i la condensació posterior. Aquest procediment s’anomena destil.lació.

En escalfar la barreja líquida fi ns a una certa temperatura, es desprenen vapors que són més concentrats en el component més volàtil que el líquid de partida. Aquests va-pors es condensen i es recullen. S’obté així un líquid que és més volàtil que el líquid original.

Al seu torn, el líquid original s’ha concentrat en component menys volàtil. S’ha aconse-guit així una certa separació dels components. L’operació es pot repetir amb els líquids obtinguts, i es pot anar concentrant el líquid més volàtil i el menys volàtil.

Les diferències més evidents entre l’evaporació i la destil.lació són:

j En la destil.lació també es recull el producte que hem vaporitzat, mentre que en l’evaporació només solem aprofi tar el residu o solut.

j En l’evaporació, el component en menor proporció, el solut, acostuma a ser sòlid a la temperatura ambient i ens interessa recuperar-lo o concentrar-lo, mentre que en la destil.lació els dos components sovint són líquids i ens interessen tots dos.

La destil.lació pot ser:

j Destil.lació simple. S’utilitza per separar:

— Un líquid de la mescla quan la resta no és volàtil.

— Líquids diferents que tenen punts d’ebullició molt separats. La diferència ha de ser com a mínim de 10 ºC.

j Destil.lació fraccionada. S’utilitza per separar líquids diferents que tenen punts d’ebullició propers.

Fig. 2.17. Salines.



j Destil.lació simple

L’aparell que emprem al laboratori per fer una destil.lació simple és el representat en la fi gura (fi g. 2.18). Vegem, amb un exemple, com es fa una destil.lació.

Posem vi (fonamentalment aigua i etanol, amb altres matèries en quantitats més petites) en el matràs de destil.lació i l’escalfem suaument fi ns a arribar a una temperatura una mica superior a la temperatura d’ebullició de l’etanol. Es comença a vaporitzar una mes-cla més rica en etanol que el vi original, i passa a vapor. Controlem la temperatura dels vapors en arribar al colze del refrigerant. El vapor creat s’ha conduït cap al refrigerant, on es produeix un descens de la temperatura i es condensa el líquid. Al cap d’una estona, quan ha destil.lat un 10% del vi original, obtenim un líquid transparent, constituït en bona part per etanol, una mica d’aigua i algunes aromes del vi inicial. En el matràs de destil.lació resta un líquid aquós de color de coure (si el vi és negre), amb poc alcohol i amb la major part dels productes que donaven el gust característic al vi original.

Aquest tipus de destil.lació ha estat el procediment clàssic d’obtenció d’aiguardents arreu d’Europa durant segles. Els pagesos feien aiguardent de pruna, de pera i d’altres fruites, triturant-les i deixant-ne fermentar el suc, com es fa amb el raïm i el most. Un cop fermentat el suc, destil.laven l’alcohol obtingut en uns aparells anomenats alam-bins. En algunes zones rurals encara es fa. De la destil.lació s’obté un líquid molt ric en etanol amb una mica d’aigua i essències de la fruita original.

Un rotavapor és un aparell de destil.lació amb bomba de buit que permet destil.lacions a baixa temperatura. Té un sistema de rotació per homogeneïtzar la mescla. Aquest apa-rell s’utilitza als laboratoris per separar dissolvents i poder reutilitzar-los.

j Destil·lació fraccionada

La destil.lació fraccionada o rectifi cació s’utilitza per separar mescles de líquids amb punts d’ebullició molt propers entre ells. S’utilitza sobretot en la indústria.

El sistema de la destil.lació fraccionada es diferencia de la simple perquè incorpora una columna anomenada columna de rectifi cació (fi g. 2.20). N’hi ha de diferents tipus, però la funció que fan és la mateixa. Per això, per a l’explicació ens centrarem en un tipus de columna concret que conté uns plats perforats a diferents alçades.

Fig. 2.18. Aparell de destil.lació simple.

Antigament, s’obtenia tot l’etanol o alcohol etílic del vi mitjançant una destil.lació. Avui dia, surt més barat fabricar-lo a partir d’altres productes químics derivats del pe-troli. Aquest darrer etanol no es pot usar en licors.

Fig. 2.19. Rotavapor. Un rotaval és una adaptació a la cuina del rotavapor per ob-tenir destil.lats d’aliments liquats i separar i reduir (concentrar) productes en fred.

Fig. 2.20. Columna de rectifi cació.

vapor

entrada

mescla

escal-

fador

líquid

dis

min

ueix

la t

em

pera

tura

líquid a destil.lar

termòmetre

colzerefrigerat

entrada d’aigua

sortida d’aiguacol.lector

líquid destil.lat



La mescla de líquids per separar s’escalfa a la part inferior de la columna. Els vapors ascendeixen a través dels forats dels plats. El component del vapor de punt d’ebullició més baix es condensa i el líquid vessa als plats inferiors. D’això, en diem refl ux.

Els gasos que no es condensen perquè són més volàtils pugen per la columna als plats superiors, on s’esdevé el mateix fenomen. Arriba un moment en què tenim alhora gasos que ascendeixen i líquids en refl ux, de manera que els gasos que pugen fan bombolles amb el líquid que hi ha al plat. Els components més volàtils del líquid del plat es vapo-ritzen, gràcies a la calor de condensació despresa en condensar-se els gasos menys volàtils del plat, i passen, juntament amb els gasos que no es condensen, a plats supe-riors, on es torna a repetir el procés. I així, successivament.

A la part de sota de la columna obtenim el producte menys volàtil, és a dir, el de punt d’ebullició més alt i a la part de dalt, els més volàtils, de punt d’ebullició inferior.

La rectifi cació és com si féssim una destil.lació d’un producte moltes vegades de mane-ra consecutiva, i cada vegada amb el producte més i més enriquit en el component més volàtil, a mesura que pugem la columna.

La rectifi cació s’empra en la separació dels diferents productes mesclats que conté el petroli com ara asfalt, parafi na, olis de lubrifi cació, gasoil, querosè, naftes, benzines i gasos (com el propà i el butà). Posteriorment, tots aquests productes seran afi nats a les refi neries de petroli per obtenir-ne els productes fi nals per al consum. D’altra banda, de les naftes obtenim el benzè i altres dissolvents anomenats aromàtics, molt valuosos i poderosos com a solvents. De l’etè, obtenim fàcilment etanol, un procediment alterna-tiu a la obtenció del vi per destil.lació, ja obsoleta. També es poden obtenir molts plàstics a partir de l’etè i del propè. La indústria petroquímica és la que permet obtenir milers de productes químics per a aplicacions molt diverses a partir del petroli i del gas natural mitjançant tot tipus de reaccions químiques.

L’extracció líquid-líquid

És una operació de separació que permet separar dos components líquids d’una mescla homogènia mitjançant l’addició d’un tercer component. Perquè això sigui possible, s’han de donar dues condicions:

j Que el tercer component (C) sigui soluble en un dels primers o en tots dos (A i B), però en grau diferent.

j Que un cop afegit el tercer component es formin dues fases immiscibles.

L’esquema de l’operació és:

AB (mescla homogènia) 1 C (soluble en grau diferent en A i en B) � BC 1 AC

BC i AC són solucions homogènies i immiscibles entre elles.

Per exemple, tenim una dissolució aquosa d’àcid acètic i volem separar-ne l’aigua. L’àcid acètic és soluble en aigua i en èter. Ara bé, l’èter no és soluble en aigua. Per extreure l’àcid acètic, afegirem una mica d’èter a la dissolució aquosa. L’èter solu bilitza una part de l’àcid acètic aquós, i es formen dues fases immiscibles, que separem mitjançant un embut de decantació. Repetim el procés fi ns a extreure’n tot l’àcid acètic.

àcid acètic 2 aigua 1 èter � àcid acètic en aigua 1 àcid acètic en èter

Ara, la mescla d’àcid acètic i èter és fàcilment separable mitjançant una destil.lació.

Fig. 2.21. Indústria petroquímica.

En aquests esquemes de separa-ció, AB, AC i BC no indiquen un compost químic format per àtoms A, B o C, sinó mescles de substàn-cies A, B o C, que normalment són compostos.

Aquest exemple de l’àcid acètic és útil per entendre la separació líquid-líquid, però no s’utilitza a la pràctica, perquè econòmicament no és rendible.



L’extracció sòlid-líquid

També s’anomena percolació, lixiviació o rentatge, segons els casos.

És una operació que permet separar un component (B) d’una mescla sòlida homogènia (AB) mitjançant l’addició d’un dissolvent líquid adient C.

AB (mescla) 1 C (dissolvent) � AC 1 B

L’exemple més senzill és l’obtenció de sorra marina rentada. Per eliminar la sal de la sorra, la rentem amb aigua dolça, que dissol i arrossega la sal. La sorra sense sal podrà ser utilitzada en construcció i per a altres fi nalitats.

sorra salada 1 aigua � aigua salada 1 sorra

Un altre exemple és l’obtenció industrial de l’oli d’oliva refi nat que es ven al mercat. El procés és semblant al de l’obtenció d’oli de llavors (de gira-sol, de soja, etc.), en què les llavors, un cop ben mòltes, es tracten amb un dissolvent adient. Aquest dissol l’oli i deixa la llavor, l’esquelet de cel.lulosa-lignina de la llavor, sense l’oli que l’impregnava íntimament. Després, n’evaporem el solvent i recuperem l’oli, d’una banda, i el dissol-vent, de l’altra.

pinyol d’oliva trinxat (amb oli) 1 hexà � oli en hexà 1 pinyol d’oliva (sense oli)

Al laboratori, l’extracció sòlid-líquid s’efectua mitjançant un aparell anomenat Soxhlet (fi g. 2.22). Amb aquest aparell és força senzill extraure la nicotina i el quitrà del tabac, o la cafeïna del cafè.

La cristal.lització

La cristal.lització és una operació que permet separar un solut sòlid que està dissolt en un líquid, mitjançant la formació de cristalls del sòlid per la vaporització del líquid.

La cristal.lització es basa a concentrar la dissolució fi ns a saturar-la mitjançant l’evapo-ració. En aquest punt la deixem refredar, la solubilitat del sòlid en el líquid disminueix i aleshores el solut comença a separar-se del dissolvent en forma de cristalls sòlids que es van sedimentant o precipitant.

Fig. 2.22. Extractor Soxhlet.

També es considera cristal.lització fer que una substància fosa o bé en fase de vapor passi a un estat sòlid cristal.lí. Aquests casos, pe-rò, no els estudiarem.

En la cristal.lització s’acostuma a fer el que s’anomena encebament, que consisteix a afegir a la disso-lució alguns cristalls ja formats de la substància que cal cristal.litzar. D’aques ta manera s’accelera el pro-cés: els cristalls nous es formen damunt dels sembrats.

Si la dissolució conté diversos productes dissolts, és a dir, diversos soluts, podem acon-seguir sovint separar-los de manera selectiva, ja que acostumen a tenir diferents solu-bilitats en el dissolvent. D’això, en diem cristal.lització selectiva.

Si es tracta de cristal.litzar una substància pura procedent d’una substància fosa, l’hem de refredar per sota del seu punt de fusió.

Dissolució no saturada Dissolució saturada A

Dissolució saturada B (més diluïda que A)

1

cristalls sedimentats

evaporació

refredament

refrigerant

de refl ux

col.locació de la

substància:

Soxhlet

aigua

sifó

recicle

matràs

dissolvent

tub d’ascens

de vapors



La cromatografia

La cromatografi a és un mètode de separació basat en la distribució dels components d’una mescla en dues fases: un medi o suport, que anomenem fase estacionària, i un al tre dissolvent o eluent, que anomenem fase mòbil, que passa a través de la fase estacionària.

Tenim una mescla de tres colorants de naturalesa química diferent, però tots tres solu-bles en aigua (fi g. 2.23). Agafem una tira de paper de fi ltre i en un dels seus extrems dipositem una gota de la mostra de la mescla. Introduïm aquest extrem en el dissol-vent, en el nostre cas l’aigua, i deixem que fl ueixi al llarg del paper per capil.laritat. Al cap d’una estona veurem com els tres colorants s’han separat i han format tres zones o bandes situades a diferent nivell. El paper amb les bandes de color s’anomena cromato-grama. Aquesta idea es pot usar per separar components de les mescles.

La fase mòbil (en aquest cas l’aigua) és la que, normalment, provoca el moviment, és a dir, arrossega els components pel suport o fase estacionària (cel.lulosa del paper), que proporciona un efecte de retenció diferent per a cada component. Cada component, per tant, té un desplaçament diferent.

Hi ha diversos tipus de cromatografi es (en columna, en paper, de gasos, etc.), però totes tenen una fase mòbil i una fase estacionària (fi g. 2.24). La que s’ha descrit en l’exemple és la cromatografi a en paper.

Al laboratori, la cromatografi a ha adquirit una importància enorme per poder aïllar i analitzar substàncies en quantitats molt petites. El grau de resolució (el poder de sepa-ració) de la cromatografi a és normalment molt gran per a moltes mescles.

En la indústria, s’utilitza per separar productes orgànics, com ara vitamines, hormones, colorants, proteïnes, etc. En general, i sobretot, productes que es malmeten amb la temperatura, ja que en aquest procés no se subministra calor en cap moment.

Fig. 2.24. a) Cromatografi a en columna. b) Cromatògraf de gasos.

14> Moltes substàncies són làbils, és a dir, es destruei-xen a una temperatura no gaire alta. Molts sucs de fruites i vitamines es malmeten així. Per què es fa la destil.lació de sucs vegetals o la concentració de la llet al buit?

15> En una platja uns nens omplen un cubell amb sor-ra i aigua de mar. Com aconseguiries separar tots els components d’aquesta mescla?

16> Posa el nom científic als processos de separació següents que es duen a terme a la cuina:

a) Macerar amb oli unes pells de llimona.

b) Separar els espaguetis de l’aigua després de la cocció.

c) Reduir un brou per tal d’eliminar-ne bona part de l’aigua.

ACTIVITATS

Fig. 2.23. Cromatografi a en paper.

a) b)

Cromatografia de capa fina (CCF)

La identificació de compostos or-gànics es basa fonamentalment en tècniques cromatogràfiques. Con-cretament, la identificació de fàr-macs, tant a partir d’extracte de contingut gàstric, d’orina o de sè-rum sanguini, es basa en l’ús de la cromatografia de capa fina. Aques-ta tècnica fa servir unes plaques flexibles cobertes amb una fina capa de gel de sílice. Els compo-nents que cal analitzar es dipo-siten mitjançant capil.lars sobre la placa flexible i segons l’evolu-ció en els eluents escollits (ace-tat d’etil, acetona, ciclohexano-na, etc.) per comparativa amb les mostres patró, s’identifica el pro-ducte.



j 2.5 Tractament de les primeres matèries industrials

Les primeres matèries, abans de ser utilitzades, han de rebre tractaments de purifi cació i/o enriquiment i, posteriorment, de condicionament. Aquestes operacions exigeixen, normalment, una gran despesa en maquinària.

Els procediments varien segons si són materials sòlids, líquids o gasosos.

A. Materials sòlids

Els materials sòlids, normalment, es molen abans de ser utilitzats com a reactius, per-què, com ja estudiarem en unitats posteriors, la velocitat de reacció augmenta amb la superfície de contacte.

La mòlta es fa amb dos tipus d’aparells: les matxucadores (que trenquen blocs grans) (fi g. 2.25 a) i els molins (que molen grava més fi na) (fi g. 2.25 b).

Després de la mòlta ve el garbellament, operació en què es classifi ca el gra segons la mida (fi g. 2.26).

A continuació, segueix un procés de depuració que aprofi ta la diferència de densitats. En minerals que contenen metalls, aquest procés s’anomena concentració per fl otació (fi g. 2.27).

Fig. 2.26. Garbell de tambor.

Grossos Semifi ns Fins Motor

Fig. 2.25. a) Matxucadora de corrons; b) Molí de boles.

Tremuja d’entrada

a)

Corrons

Sortida

b) Tremuja d’entrada

Engranatges

Cambra de boles

Recuperador

de pólvores

Fig. 2.27. Cèl.lula de fl otació.

Canals col.lectors de bromera

Suspensió

líquida

Cilindre perforat amb entrada d’aire

a pressió



C. Materials gasosos

Normalment els gasos emprats com a primera matèria contenen partícules sòlides en suspensió, que poden ser separades mitjançant:

j Els ciclons, en els quals, aprofi tant la força centrífuga, les partícules sòlides freguen contra la paret de l’aparell, es frenen i sedimenten.

j Les mànegues fi ltrants, que són tubs porosos per on es fa passar el gas brut de pols i es fi ltra.

j Els fi ltres electrostàtics, on les partícules sòlides, normalment amb càrrega elèctri-ca, s’enganxen a unes varetes carregades electrostàticament amb càrregues de pola-ritat contrària.

Les mescles de gasos es poden separar principalment per absorció en medis sòlids o lí-quids que absorbeixen preferentment un gas, o bé per destil.lació dels gasos prèviament liquats. Per exemple, la separació del O2 del N2 de l’aire per destil.lació. Prèviament, s’ha de liquar l’aire, operació que requereix temperatures extremadament fredes.

Fig. 2.29. Cristal.lització amb recirculació.

Alimentació

Refr

igera

nt

Col.lector

de cristalls

petits

Recircula

ció

Cristalls grans

B. Materials líquids i suspensions

Segons que les primeres matèries siguin mescles de diferents líquids o líquids que con-tenen matèries en suspensió, la purifi cació i el condicionament es duen a terme amb procediments diferents. Per exemple:

j La fi ltració: amb fi ltres de sorra, de tambor, de bandes, de premsa (fi g. 2.28). Si es té una suspensió, es fa passar per una tela metàl.lica o plàstica de porus petit, la qual reté les partícules sòlides.

j La decantació i la centrifugació: processos en els quals s’aprofi ta la densitat diferent de les partícules.

j La cristal.lització: es duu a terme sempre que el solut pugui cristal.litzar fàcilment (fi g. 2.29).

j L’extracció: es pot aplicar en sòlid-líquid (fi g. 2.30a), o bé, líquid-líquid (fi g. 2.30b).

j D’altres com ara l’adsorció (per bescanvi iònic), la cromatografi a, etc.

Fig. 2.30. a) Extractor sòlid-líquid; b) Extractor líquid-líquid.

a) b)Sòlid fresc

Recuperació

dissolvent

Destil.lació

Matèria extretaPurga

Sedimentador extractor

Extracte

Entrada

dissolvent

Cargols

d’Arquimedes

Sòlid

exhaurit

Líquid

dens

Líquid

lleuger

Fase

lleugera

Fase

densa

Material

de

rebliment

Fig. 2.28. Filtre de premsa.

Precipitat

Filtres

Líquid

Compressió



Activitats fi nals

1> Un element porta les indicacions següents: 23592U.

Què signifi quen aquests dos nombres?

2> Indica a quin grup pertanyen els elements se-güents: K, S, Ca, I i Na.

3> Escriu el nom i el símbol de tres elements de transició.

4> Un diamant està format per milions de milions d’àtoms de carboni. El considerarem un element, un compost o una mescla? Per què?

5> L’or de 18 quirats està format per or i argent.

a) Saps els símbols d’aquests elements?

b) És un compost o una mescla?

6> El sofre és una substància pura i en barrejar-lo i cremar-lo amb oxigen en determinades condi cions es produeix SO2. Podem considerar que aquest com post és una mescla? Raona la teva resposta.

7> Com comprovaries si l’aigua de l’aixeta és una mescla homogènia o no?

8> L’aigua està formada per hidrogen i oxigen. Les propietats que té són una combinació de les que tenen l’hidrogen i l’oxigen?

9> En la fi gura 2.32 veiem un diagrama de canvis de fase d’una substància pura a mesura que canvia de temperatura. Et sembla que l’aigua destil.lada té un diagrama semblant a aquest? Et sembla que el diagrama d’una dissolució d’aigua i sucre també és semblant a aquest? I la llet, també pot tenir un diagrama semblant?

10> Quines condicions es requereixen perquè un lí-quid comenci a destil.lar?

11> Com aconseguiries separar una mescla de llimadu-res de ferro i sofre en pols fàcilment, sense ha ver de dissoldre res?

12> Imagina que tens un got de vidre ple de sucre i que cau en un lloc ple de terra i es trenca. Com t’ho faries per recuperar el sucre de la mescla de vidres, terra i sucre?

13> Sabent que el sofre és soluble en etanol però no ho és en aigua, i que la sal és soluble en aigua però no ho és en etanol, com separaries una mes-cla de sal i sofre?

14> Com separaries una mescla de sorra, iode i sal comuna?

15> Com ho faries per separar llimadures de ferro, acetona, sorra i aigua?

16> Com separaries sal comuna, sorra, alcohol i aigua?

17> Com separaries aigua, benzina, sal i ferro?

18> Les cendres contenen unes substàncies anomena-des potasses (principalment carbonat de potassi, K2CO3), que són fertilitzants i força solubles en aigua. Si disposeu de cendres, com ho fareu per recuperar la potassa?

19> Sabem que l’oxigen i el nitrogen són components de l’aire:

La resta, fi ns a 100 %, són altres gasos minori-taris.

Per separar aquests components, baixem la tem-peratura fi ns a liquar l’aire. Obtenim, així, una dissolució d’oxigen i nitrogen. Per separar-los, s’empra una destil.lació fraccionada.

a) Per què es fa una destil.lació fraccionada i no pas una destil.lació simple?

b) Quin líquid és més volàtil?

T1

T

tFig. 2.31

Substància % T ebullició (K)

Nitrogen 78 81

Oxigen 20,9 90



20> Obtenim un cromatograma sobre paper com el de la fi gura 2.32. Sabem que A, B, C, D i E són subs-tàncies pures. Quines substàncies tenen les solu-cions 1 i 2? Sabríeu dir si hi ha alguna substància pura que no estigui en alguna d’aquelles solu-cions?

21> Què distingeix l’evaporació de la destil.lació?

22> L’obtenció d’un cafè exprés és un procés d’extrac-ció sòlid-líquid. És veritat? Raona-ho.

23> Una empresa ens lliura unes pólvores de colorant, per exemple de color verd. Han de servir per te-nyir algun material industrial, com ara cartolina o paper. Com ho faries per saber si és realment verd, o bé una barreja de blau i groc, d’una mane-ra senzilla i ràpida? I per saber si conté algun altre colorant de matisar?

24> Els olis essencials que originen l’olor de les plan-tes i les fl ors són productes làbils. Sabries expli-car algun procediment químic lògic per aïllar-los sense malmetre’ls? Intenta donar una resposta que tingui sentit, encara que en la realitat potser no s’utilitzi.

25> Els plàstics tenen densitats que oscil·len entre 0,9 i 1,5 kg ? dm3. Se t’acut algun sistema per se-parar-los fàcilment sense conèixer-ne prèviament la composició?

26> El clorur de potassi i el clorur de plom(II) són solubles en aigua calenta. En aigua freda, el de potassi continua sent força soluble, mentre que el de plom és insoluble. Com ho faries per sepa-rar-los si els tens sòlids i barrejats?

27> Un dels processos químics més habituals per acon-seguir substàncies sòlides molt pures és la cristal-lització successiva. És a dir, uns cristalls impurs es dissolen, i després es fa que precipitin mitjan-çant diferents mètodes. Els nous cristalls formats, se separen, es tornen a dissoldre i es tornen a fer precipitar per qualsevol mètode adient, i així suc-cessivament. Cada vegada els cristalls són més purs. A què et sembla què es degut?

Fig. 2.32



Quimitest

1> La pirita de ferro (FeS2) és:

a) Un compost.

b) Una mescla de sofre i ferro en proporcions exactes.

c) Una molècula de ferro i dues molècules de so-fre reaccionades.

d) Cap de les afi rmacions anteriors.

2> L’aigua mineral comercial embotellada és:

a) Un compost.

b) Una mescla homogènia.

c) Una mescla heterogènia.

d) Una substància pura.

3> L’aigua salada del mar és:

a) Una substància pura.

b) Una mescla pura.

c) Una solució.

d) No és cap de les afi rmacions anteriors.

4> El catió Ca21 és:

a) Un àtom de calci amb dues càrregues positi-ves de més.

b) Un àtom de calci amb dos protons de més.

c) Un àtom de calci que ha cedit dos electrons.

d) Cap de les afi rmacions anterios.

5> Els anions S22 i O22:

a) Tenen la mateixa càrrega elèctrica i, per tant, es comporten de manera semblant.

b) Com que són àtoms diferents, tenen càrregues elèctriques diferents.

c) Són un àtom de sofre i un àtom d’oxigen amb dèfi cit de dos electrons.

d) Són dos àtoms als quals els manquen dos elec-trons.

6> Com separaries el sucre d’un almívar:

a) Per centrifugació molt forta.

b) Per destil.lació simple.

c) Per extracció sòlid-líquid.

d) Per fi ltració.

7> L’hexadecà i l’heptadecà tenen punts d’ebullició de 280 ºC i 282 ºC, respectivament. Digues com els separaries.

a) Per destil.lació simple.

b) Per cristal.lització.

c) Per evaporació.

d) Per extracció líquid-líquid.

e) Per rectifi cació o destil.lació fraccionada.

8> En la rectifi cació del petroli s’obtenen components lleugers (età, propà), components mitjans (gasoil, benzina) i components pesants (ceres parafi nes). Quina de les afi rmacions següents és certa?

a) Les ceres parafi nes no tenen els mateixos com-ponents que l’età i el propà.

b) Tots són hidrocarburs, però amb propietats di-ferents.

c) Un quilo de parafi na (fracció pesant) pesa molt més que un quilo d’età.

d) A l’età i al propà els costa molt més bullir que a les ceres parafi nes.

e) Cap de les afi rmacions anteriors no és certa.



Pràctiques de laboratori

Destil.lació del vi

Objectiu

Separar els components d’una mescla homogènia per destil.lació: extreure l’alcohol etílic (o etanol) del vi.

Material

— Matràs de destil.lació — Manta tèrmica

— Termòmetre — Vi barat

— Colze — Tap de suro

— Trípode — Erlenmeyer

— Refrigerant

Procediment

j Munteu una instal.lació com en la fi gura 2.18. Assegureu-vos que passa aigua pel refrigerant.

j El matràs pot ser de mig litre. Poseu-hi uns 300 cm3 de vi i comenceu a es-calfar-lo.

j Al cap d’una estona, els vapors rics en alcohol surten condensats pel refrige-rant. Observeu la temperatura del termòmetre instal.lat al colze.

j Recolliu-los en l’erlenmeyer.

j Feu això fi ns a tenir uns 10 cm3 de destil.lat, i fi xeu-vos en la tempe ratura que marca el termòmetre.

Anàlisi de resultats

Comproveu que aquest destil.lat és principalment a base d’alcohol, olorant-lo. A més, si calculeu de forma experimental la densitat del destil.lat, podreu com-provar que és més baixa que 1.

Obtenció de la caseïna de la llet

Objectiu

Separar els components d’una mescla heterogènia per fi ltració.

Material

— 250 cm3 de llet descremada i homogeneïtzada

— Suc de llimona o vinagre

— Paper de fi ltre

— Embut

— Erlenmeyer

Cal tenir cura amb la inflama-bilitat de l’alcohol.

Normes de seguretat

Si és possible, convé reutilit-zar els components de la des-til.lació per a explicacions pos-teriors relatives a la densitat, per exemple. Si no és possible, es pot eliminar per la pica amb aigua abundant.

Gestió dels residus

Cal tenir cura amb els vapors que es puguin produir en afe-gir l’àcid (suc de llimona o vi-nagre).

Normes de seguretat



Si es vol fi ltrar al buit es necessita:

— Embut Büchner

— Matràs de Kitasato

— Trompa de buit

— Mànega de goma que connecti el matràs de Kitasato amb la trompa

Procediment

j Escalfeu la llet a uns 40 ºC.

j Afegiu-hi uns 5 cm3 de suc de llimona o vinagre, i espereu una estona.

j Separeu el producte que es precipita fi ltrant-lo amb un embut. Aquest pro-ducte que es precipita és la caseïna, una proteïna de la llet.

j Renteu el precipitat de caseïna amb aigua.


Què ha passat? Què contenen la llimona o el vinagre que trenca l’homogeneïtat de la llet?

Cromatografi a sobre paper d’una tinta de retolador

Objectiu

Separar els components d’una mescla homogènia per cromatografi a.

Material

— Fase estacionària: paper de fi ltre en tires llargues.

— Cubeta o tubs d’assaigs ben grans (d’uns 30 cm3).

— Retoladors de diferents colors: verd, roig, taronja, marró, etc.

— Fase mòbil: aigua destil.lada, etanol i algun solvent orgànic (acetona, gli-col, etc.).

Procediment

Si treballeu amb cubeta:

j Dipositeu una certa quantitat del dissolvent escollit a la cubeta.

j Talleu amb tisores una tira de paper de fi ltre d’uns 18 cm de llarg i uns 4 cm d’ample.

j A dos centímetres de la base, feu-hi una taca amb un retolador.

j Suspeneu amb algun mitjà apropiat la tira de paper damunt la cubeta; per exemple, amb una agulla d’estendre roba. La part de baix de la tira ha d’estar submergida un centímetre dins el dissolvent, però el líquid de la cubeta no ha de tocar directament la taca de retolador (fi g. 2.33).

j La fase mòbil pujarà per capil.laritat cap amunt de la tira, mullarà la taca de retolador i se n’endurà els colorants.

Cal tenir cura amb la utilitza-ció de dissolvents orgànics.

Normes de seguretat

El paper de filtre és un residu de paper. La caseïna es pot eliminar amb els residus orgà-nics i el que queda a la pica amb aigua abundant.


Fig. 2.33

impregnació

o elució

assecatge

de paper

4 cm

paper de fi ltre

2 cm

14 cm

2 cm



j Els colorants migraran amunt a través de la tira, però cada color ho farà a una velocitat diferent, ja que la seva solubilitat en aigua i la seva retenció per part del suport de cel.lulosa són diferents.

j Al cap d’un cert temps controlat, traieu la tira de la cubeta.

j Assequeu-la amb aire fred d’assecador o bé per assecatge natural, penjant la tira d’un cordill. Us quedarà una tira amb diverses taques a diferents distàn-cies de la base.

j Repetiu l’experiment amb el mateix retolador però amb una altra fase mòbil i durant la mateixa estona que l’assaig anterior.

j Podeu repetir l’assaig amb retoladors diferents. Hi ha tintes de retoladors que són combinacions de diferents colors. Per cromatografi a és fàcil observar-ho.


Observeu que, en canviar de fase mòbil, varia molt la velocitat de migració de les taques.

Classifi cació de matèria en homogènia o heterogènia

Objectiu

Familiaritzar-nos amb els tipus de matèria i amb algun procés de separació.

Material

— Espàtula

— Mostra de granit

— Embut i paper de fi ltre

— Microscopi òptic o lupa binocular

— Vasos de precipitats

— Sofre

— Erlenmeyer de 250 mL

Procediment i anàlisi de resultats

j Observeu el granit tant a ull nu com amb una lupa binocular. Descriviu-lo. És homogeni o heterogeni?

j Preneu un vas de precipitats de 100 mL. Poseu-hi uns 50 mL d’aigua i una punta d’espàtula de clorur de sodi (sal de cuina). És una mescla? Homogènia o heterogènia?

j Poseu en un vas de precipitats de 100 mL una espàtula de clorur de sodi i una de sofre, i barregeu-ho. Quin tipus de matèria és? Com ho faríeu per separar aquests dos components? Ideeu una estratègia de separació i des criviu quin és el procediment que cal seguir per separar aquests dos components.

S’ha de potenciar la possibi-litat que els papers utilitzats puguin ser elements decora-tius. Si s’eliminen, són residus de paper. Els dissolvents orgà-nics cal reciclar-los convenient-ment, i si cal eliminar-los, ha de ser com a residus espe cials.


També podeu fer la cromato-grafia sobre paper amb un tros de paper de filtre doblegat per la meitat on hem fet diverses taques de retolador a dos cen-tímetres de la base. Poseu-ho en un vas amb l’eluent (cal que el paper s’aguanti dins del vas) i obtindrem la compara-tiva de diversos retoladors en un mateix paper.

S’ha de tenir cura en la utilit-zació del sofre i no atansar-lo a fonts de calor.

Normes de seguretat

Cal reciclar convenientment el granit i el sofre. El clorur de sodi es pot eliminar per la pica amb aigua abundant. El paper de filtre s’ha de deixar assecar i s’ha d’eliminar com a residu de paper.




Identifi cació d’analgèsics per cromatografi a de capa fi na (CCF)

Objectius

j Utilitzar correctament la tècnica de la cromatografi a de capa fi na.

j Simular el que s’està fent en centres d’alta investigació en productes orgà-nics.

Material

— Balança digital

— Capil.lars

— Cubeta

— Tubs d’assaig

— Plaques de CCF

— Font de llum ultraviolada

— Iode

— Acetat d’etil i/o acetona

— Medicaments analgèsics: aspirina, cafeïna, paracetamol o altres

Procediment

Inicialment el professor tindrà en una solució l’analgèsic incògnita que cal iden-tifi car.

j Selecció dels analgèsics coneguts:

Els analgèsics utilitzats convé que tinguin els mínims compostos comple-mentaris al producte base que volem analitzar, i en tot cas cal tenir anotats tots els components i les quantitats que indiqui la composició.

j Per preparar les solucions, mesureu 0,5 g de cada substància ben triturades i dipositeu-ho en tubs d’assaig que continguin 5 mL d’una mescla al 50 % d’etanol i cloroform. Escalfeu-ho suament (bany maria o vapor) i coleu-ho. Aquestes dissolucions ja poden estar preparades anteriorment.

j Amb l’ajuda de micropipetes dipositeu les dissolucions damunt de la placa de CCF en la part inferior, igual com en la cromatografi a de paper. A la dreta i perfectament diferenciada poseu la dissolució incògnita que subministra el professor.

j Col.loqueu 0,5 cm d’acetat d’etil o d’acetona en un vas de precipitats.

j Poseu la placa o plaques dins el recipient. L’eluent no pot tocar les mos-tres.

j Espereu que l’eluent hagi arribat a uns 0,5 cm de l’extrem de la placa.

Cal tenir present que es treba-lla amb medicaments i mate-rial molt específic. Cal tenir especial cura amb els eluents, sobre tot amb el cloroform (es convenient que l’utilitzi no-més el professor).

Normes de seguretat

Els residus es poden reutilit-zar en altres pràctiques. Si no és possible, cal reciclar els re-actius emprats.





j Observeu les taques produïdes en la llum ultraviolada i assenyaleu les més evidents.

j Col.loqueu les plaques en una cubeta amb cristalls de iode, tanqueu i escal-feu suaument. Es produirà un bany de vapor de iodes i quedaran marcades taques de color marró.

j Si observeu les marques de mostra, per comparació es pot determinar l’anal-gèsic incògnita entre els que heu analitzat.

j Quines diferències observes entre la CCF i la cromatografi a de paper? Busca informació sobre CCF.

Fig. 2.34. Actualment, la cromatografi a d’alta precisió és molt emprada en els laboratoris.


en aquesta unitat aprendràs a - mcgraw-hill education · separació dels components d’una...

Documents