Actividad 5

Química

1. Investiga los métodos de separación de las mezclas2. Elabora un mapa conceptual en Word o PowerPoint.

Define cuántos métodos existen y para qué se utilizan. Proporciona al menos tres ejemplos de cada uno.

3. Guarda tu documento con el nombre QUI_U1_A5_XXYZ. Sustituye las XX por las dos primeras letras de tu primer nombre, la Y por la inicial de tu apellido paterno y la Z por la inicial de tu apellido materno. *Recuerda que tu documento no deberá pesar más de 4MB.

El término de separación puede considerarse como una operación que consiste en dividir una mezcla en al menos dos partes de composición distinta, con objeto de incrementar la fracción molar de un componente de la mezcla inicial con relación a los demás. La separación es un proceso físico, pero a menudo implica procesos químicos1. Los métodos de separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla, tales como: punto de fusión, solubilidad, etc2

Es necesario plantearse dos cuestiones básicas en la separación de sustancias A y B:

a) ¿Por qué una sustancia A se distribuye entre dos fases y en distinta proporción? o ¿por qué una sustancia A adquiere una determinada velocidad en un sistema de gradiente operacional?

b) ¿Por qué dos sustancias A y B se distribuyen en forma distinta entre dos fases? O ¿por qué A y B operan a distinta velocidad a distinto gradiente?

La separación de una mezcla de sustancias tiene como fundamento remoto las propiedades intrínsecas de las sustancias a separar, lo que determina el tipo de fases a emplear o el gradiente a establecer. El fundamento próximo consiste en la diferencia en la magnitud de estas propiedades de las sustancias en el sistema de separación.

Propiedades intrínsecas de las sustancias (moléculas o iónicas):

1. Peso molecular2. Volumen molecular3. Estructura molecular4. Momento dipolar5. Polarizabilidad6. Carga eléctrica7. Radio iónico

1 Varcácel Cases, M.; Gómez Hens A. Técnicas Analíticas de Separación. Editorial Reverté, S. A. España, 1988. 800 pp. 2 Castillo Artega, María Guadalupe. Métodos de Separación de Mezclas (Unidad 1: Una ciencia para todos). Universidad del Estado de Hidalgo, Escuela Preparatoria Número Cuatro. Presentación Power Point. http://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_Presentaciones/prepa4/quimica/separacion.pdf Consultado el 1 de febrero de 2013.

8. Potencial de ionización9. Reactividad química

Clasificación de los procesos analíticos de separación basada en la naturaleza de las fases:

Fases Nombre de la TécnicaSólido-líquido Precipitación

CristalizaciónLixiviaciónCromatografía líquida de adsorciónCambio iónicoCromatografía de exclusión

Sólido-gas Cromatografía gas-sólidoSublimación

Líquido-líquido ExtracciónCromatografía líquida de participaciónElectrodeposición con cátodo de mercurio

Líquido-gas DestilaciónCromatografía gas-líquidoFraccionamiento espumante

La existencia de dos fases es indispensable para originar el proceso separativo. Normalmente la fase que contiene a la muestra se denomina fase inicial. La segunda fase puede originarse de dos maneras:

a) Directamente, como en la precipitación (adición de un reactivo disuelto que provoca la aparición de un precipitado) y la destilación (la elevación de la temperatura provoca la formación de la fase gaseosa).

b) Indirectamente, mediante el uso de una fase externa al sistema inicial, que se incorpora al mismo. Por ejemplo, un líquido inmiscible: extracción, un sólido: cromatografía, cambio iónico.

Cristalización: Se basa en la capacidad de las moléculas en adaptarse a una estructura sólida, lo que depende del volumen y estructura molecular, que son las propiedades que determinan este proceso separativo. En este proceso se obtienen sólidos cristalinos a partir de sus mezclas. Un sólido cristalino posee en su estructura interna un ordenamiento regular de sus partículas (átomos, iones o moléculas) formando figuras geométricas regulares3.

En el laboratorio se obtienen por dos caminos:

1. Cristalización por vía húmeda:

Podemos seguir dos procedimientos:

I. Se prepara una solución saturada de cierto sólido que se desea cristalizar, por ejemplo la sal común (NaCl), y se deja reposar en recipientes cilíndricos de vidrio, anchos y bajos llamados cristalizadores.

El disolvente, el agua por ejemplo se evapora y el sólido disuelto cristaliza poco a poco. Esta operación se puede agilizar agregando un sólido inerte insoluble (soporte) o bien introduciendo en el cristalizador una pequeña cantidad del sólido que se desea cristalizar (germen).

II. Se prepara una solución saturada en disolvente caliente, luego de dejar enfriar se obtiene una solución sobresaturada y pronto aparecen los cristales. Este fenómeno ocurre debido a que la solubilidad del sólido a menos temperatura es menor; entonces el exceso que no puede

3 http://www.fullquimica.com/2011/08/cristalizacion.html Consultado el 1 de febrero de 2013.

disolverse en el disolvente frio se precipita en forma de solido cristalino. El líquido en el cual se han formado los cristales se conoce como aguas madres.

2. Cristalización por vía seca:

Se puede seguir también mediante dos procedimientos:

I. Se funde (se pasa al estado líquido) el sólido a alta temperatura. Luego se enfría y al solidificarse se forman los cristales, así por ejemplo se obtiene el azufre cristalizado.

II. Ciertos sólidos que fácilmente se subliman (paso de sólido a gas), como gas o vapor se pone en contacto con una superficie fría, y sobre esta se forman los cristales. Así se cristaliza el Iodo y el ácido benzoico (C7H6O2).

Destilación: Las separaciones por destilación se basan en diferencias de volatilidad, a su vez dependen de las diferencias en peso molecular y en la existencia de fuerzas intermoleculares.

Consiste en hacer pasar una mezcla al estado de vapor por calentamiento y luego por refrigeración condensarla nuevamente. Es de dos tipos: destilación simple y destilación fraccionada:

a) Destilación Simple: es para separar sólidos disueltos en líquidos. Por ejemplo al querer separar la sal (NaCl) del agua, se calienta la mezcla homogénea: el agua se evapora y luego se condensa, y en el recipiente se queda NaCl sólido que no se evapora.

b) Destilación Fraccionada: Es un proceso físico para separar líquidos miscibles en base a la diferencias de sus puntos de ebullición o condensación. Por ejemplo la mezcla de agua y alcohol (C2H5OH) se calienta. Primero se evapora con mayor rapidez el de menor temperatura de ebullición (T°ebu Alcohol = 78,5 °C) y luego el de mayor temperatura de ebullición (T°ebu Agua = 100°C), luego los vapores se condensan en

recipientes separados. Esta operación se lleva a cabo en columnas de fraccionamiento o de rectificación.

DESTILACION FRACCIONADA DEL PETROLEO

Cromatografía: Son técnicas modernas de separación de mezclas. Se conocen varias formas como son: cromatografía de columna, de capa delgada, de papel y la cromatografía de gases.

Se fundamenta en el hecho de que algunas sustancias sólidas químicamente inertes y en forma de polvos finos poseen una gran superficie específica (fase estacionaria), caracterizándose por tener la propiedad de fijar o adsorber (fijar en superficie) una gran cantidad de sustancias químicas. Variando el grado de fijación de una sustancia a otra, se logran separar sustancias mezcladas.

Cromatografía de columna:

Consiste en un tubo de vidrio dentro del cual se coloca la sustancia adsorbente (albumina, sílice, carbón vegetal, etc.) que constituye la fase estacionaria y por el extremo superior se adiciona la mezcla de las sustancias que se desea superar; luego se añade un solvente (líquido) apropiado (fase móvil) con el objeto de disolver las sustancias en cuestión y ser arrastradas a lo largo de la columna uno de los componentes quedará absorbido y el otro que no es absorbido quedará disuelto con el líquido. Finalmente por evaporación del solvente se obtendrá una de las mezclas con alto grado de pureza.

Cromatografía de capa delgada:

En esta técnica se utiliza una sustancia adsorbente la cual se halla extendida en forma regular sobre una placa de vidrio, formando una película delgada. Con la ayuda de un algodón que se empapa con la mezcla que va a ser separada, se coloca en un extremo de la placa, cuidándose de situar dicho extremo boca abajo en contacto con el disolvente.

Este va ascendiendo por la parte seca de la placa en forma lenta, mientras que el absorbente actúa como secante.

Cuando el disolvente ha subido hasta cubrir casi la totalidad del absorbente se retira la placa, se pone a secar y finalmente se trata con un reactivo químico apropiado con el fin de poder revelar las manchas y así poder observarlas. La placa ya revelada se llama cromatograma y muestra las manchas separadas que indican el número de componentes de las mezclas. Cada componente corresponde a una mancha.

Luego para identificar los componentes se toma la distancia desde el origen de la placa a la mancha y se divide por la distancia del origen al frente del disolvente; este cociente se toma como base para la identificación de los componentes por separado, comparando los valores encontrados con el cociente de muestras patrones determinados en condiciones similares.

Centrifugación: La centrifugación puede usarse cuando la sedimentación es muy lenta; para acelerar esta operación la mezcla se coloca en un recipiente que se hace girar a gran velocidad; por acción de la fuerza centrífuga los componentes más pesados se sedimentan más rápidamente y los livianos quedan como sobrenadante. Luego la operación que se sigue es la decantación.

La decantación sirve para separar solidos de líquidos y líquidos no miscibles. En el primer caso el sólido se sedimenta (por su mayor peso), luego se inclina el recipiente y dejando escurrir el líquido en otro recipiente queda sólo el sólido sedimentado.

También se puede emplear el método del sifón, que consiste en un tubo doblado de tal modo que la rama más corta se introduce en el líquido de la mezcla ya sedimentada y se aspira por la rama más larga para hacer el vacío parcial en el interior del tubo, con lo cual la presión atmosférica empuja al líquido separándolo del sedimento.

La filtración es un método de separación de mezclas en la cual se separan los sólidos de los líquidos utilizando paredes o capas porosas, cuyos poros dejan pasar el líquido y dejan pasar el líquido y retienen los sólidos.

Como material filtrante pueden utilizarse el papel poroso, tejidos de tela, arena fina en capa espesa, el carbón de madera en polvo. Por ejemplo, el colado del café es un proceso de filtración.

La levigación se emplea en la separación de minerales, (material que contiene alta concentración de un mineral) de rocas y tierras de escaso valor industrial (gangas).Consiste en pulverizar una mezcla sólida y tratarla con disolventes apropiados, basándose en una diferencia de densidad.

Por ejemplo en un mineral de la ganga, primero se pulveriza el mineral en bruto (mineral + gangas), luego se coloca la mezcla en un recipiente y se le aplica una corriente de agua. El mineral, por su mayor peso (mayor densidad) queda en el fondo del recipiente y la ganga que flota es arrastrada por el agua.

Otro ejemplo se basa en el principio que se usa en varias preparaciones de la materia prima, como obtener la terra sigillata o bien preparar las arcillas, siendo este uno de los procesos primeros a realizar. Se realiza disolviendo la arcilla en agua, las partículas más finas se quedan en suspensión, mientras que las más pesadas se depositan en el fondo, separándose después, según nuestros intereses.

El tamizado consiste que mediante un tamiz, zarandas o cernidores (redes de mallas más o menos gruesas o finas) se separan partículas sólidas según su tamaño.

Se coge un tamiz que deje pasar el polvo más fino y retenga el más grueso. Por ejemplo en los molinos es utiliza este procedimiento para separar la harina del afrecho (salvado)4.

4 http://www.fullquimica.com/2011/08/metodos-de-separacion-de-las-mezclas.html Consultado el 3 de febrero de 2013.