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Centro de Estudios Tecnológicos industriales y de servicios no. 68 (CETIs 68) Química I ANEXO 4 - Métodos de separación de mezclas Los métodos de separación de fases de mezclas son aquellos procesos físicos por los cuales se pueden separar los componentes de una mezcla, ya sea homogénea o heterogénea. Por lo general el método a utilizar se define de acuerdo al tipo de componentes de la mezcla y a sus propiedades particulares, así como las diferencias más importantes entre las fases. La separación es la operación en la que una mezcla se somete a algún tratamiento que la divide en al menos dos sustancias diferentes. En el proceso de separación, las sustancias conservan su identidad, sin cambio alguno en sus propiedades químicas. Entre las propiedades físicas de las fases que se aprovechan para su separación, se encuentra el punto de ebullición, la solubilidad, la densidad y otras más. Entre los métodos físicos más comunes y sencillos para separar mezclas de diferente índole (homogéneas y heterogéneas) podemos encontrar a la filtración, decantación, evaporación, destilación, centrifugación e imantación. Filtración Se denomina filtración al proceso de separación de partículas sólidas de una mezcla homogénea o heterogénea líquida utilizando un material poroso llamado filtro. La técnica consiste en verter la mezcla sólido-líquido que se quiere tratar sobre un filtro que permita el paso del líquido pero que retenga las partículas sólidas. El líquido que atraviesa el filtro se denomina filtrado. El filtro, en el laboratorio suele ser papel poroso, pero puede ser de otros materiales que permitan el paso de líquidos. En cualquier caso es necesario seleccionar la porosidad del filtro según el diámetro de las partículas que se quieren separar. Las aplicaciones de los procesos de filtración son muy extensas, encontrándose en muchos ámbitos de la actividad humana, tanto en la vida doméstica como de la industria general, donde son particularmente importantes aquellos procesos industriales que requieren de las técnicas químicas. La variedad de dispositivos de filtración o filtros es tan extensa como las variedades de materiales porosos disponibles como medios filtrantes y las condiciones particulares de cada aplicación: desde sencillos dispositivos, como los filtros domésticos de café, té, aire, o los embudos de filtración para separaciones de laboratorio, hasta grandes sistemas complejos de elevada automatización como los empleados en las industrias petroquímicas y de refino para la recuperación de catalizadores de alto valor, o los sistemas de tratamiento de agua potable destinada al suministro urbano.

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Centro de Estudios Tecnológicos industriales y de servicios no. 68 (CETIs 68) Química I Figura 1.- Ejemplo de filtración

Figura 2.- Ejemplo de filtración

Tamizado Es un método físico para separar mezclas en el cual se separan dos sólidos formados por partículas de tamaño diferente. Consiste en hacer pasar una mezcla de partículas de diferentes tamaños por un tamiz o cualquier cosa con la que se pueda colar. Las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz o colador atravesándolo y las grandes quedan atrapadas por el mismo. Un ejemplo podría ser: si se saca tierra del suelo y se espolvorea sobre el tamiz, las partículas finas de tierra caerán y las piedras y partículas grandes de tierra quedarán retenidas en el tamiz. De esta manera se puede hacer una clasificación por tamaños de las partículas. Es un método muy sencillo utilizado generalmente en mezclas de sólidos heterogéneos. Los orificios del tamiz suelen ser de diferentes tamaños y se utilizan de acuerdo al tamaño de las partículas de una solución homogénea, que por lo general tiene un color amarillo el cual lo diferencia de lo que contenga la mezcla. Para aplicar el método de la tamización es necesario que las fases se presenten al estado sólido. Se utilizan tamices de metal o plástico, que retienen las partículas de mayor tamaño y dejan pasar las de menor diámetro. Por ejemplo, trozos de mezclados con arena; harina y corcho; sal fina y pedazos de roca, cantos rodados, etc.

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Decantación En la decantación se separa un sólido o líquido más denso de otro fluido (líquido o gas) menos denso y que por lo tanto ocupa la parte superior de la mezcla que tiene que ser heterogénea. Es necesario dejar reposar la mezcla para que el sólido se sedimente, es decir, descienda y sea posible su extracción por acción de la gravedad. A este proceso se le llama desintegración básica de los compuestos o impurezas; las cuales son componentes que se encuentran dentro de una mezcla, en una cantidad mayoritaria. La decantación puede ser realizada separando una mezcla heterogénea compuesta de dos líquidos inmiscibles tales como el agua y el aceite. O también puede ser realizada para separar una mezcla heterogénea compuesta de líquido y partículas sólidas. La decantación tiene innumerables usos tanto en el laboratorio de química como en la industria. Por ejemplo se usa decantación en los procesos de elaboración de aceite y también se usa en la decantación en proceso de tratamiento de agua residual. El proceso de decantación tiene por agente ejecutor a la gravedad. De hecho es ella la que produce la decantación pues atrae en diferente intensidad a cada uno de los elementos de una mezcla heterogénea propiciando su separación.

Centrifugación La centrifugación es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad mediante una fuerza giratoria, ya sean mezclas homogéneas o mezclas heterogéneas. La fuerza centrífuga es provista por una máquina llamada centrifugadora, la cual imprime a la mezcla

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Centro de Estudios Tecnológicos industriales y de servicios no. 68 (CETIs 68) Química I un movimiento de rotación que origina una fuerza que produce la sedimentación de los sólidos o de las partículas de mayor densidad. Los componentes más densos de la mezcla se desplazan fuera del eje de rotación de la centrífuga, mientras que los componentes menos densos de la mezcla se desplazan hacia el eje de rotación. De esta manera los químicos y biólogos pueden aumentar la fuerza de gravedad efectiva en un tubo de ensayo para producir una precipitación del sedimento en la base del tubo de ensayo de manera más rápida y completa. Los tubos pueden ser de vidrio o de plástico. Resistentes químicamente (disolventes, reactivos) y físicamente (tensión a las velocidades elevadas que se emplean). Diversos tamaños y formas. Plásticos especiales para altas velocidades. Los diferentes tipos de tubos pueden ser:

La parte que queda arriba de los tubos se llama sobrenadante y la parte que se va para abajo se llama precipitado. Por ejemplo si centrifugamos agua con arena, el sobrenadante será el agua y la arena el precipitado.

En los equipos de centrifugación se pueden regular velocidad, tiempo y temperatura, las cuales van a ser delimitadas por las condiciones de las sustancias que se puedan separar. Por ejemplo hay ciertas sustancias biológicas o de alimentos que necesitan temperaturas muy bajas o que requieren velocidades muy elevadas. ¿Qué pasa en los tubos cuando se centrifuga una sustancia?

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Evaporación La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición. También la evaporación se puede acelerar por una corriente de aire seco que se hace incidir sobre las soluciones. La evaporación separa generalmente mezclas homogéneas. El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la tensión superficial y evaporar, esto es, su energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases líquidas y vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión de vapor más elevadas). En la industria alimentaria es muy utilizado este tipo de procedimiento. Por ejemplo para la obtención de leche entera y descremada, leche condensada, jugos de manzana, naranja, soya, tomate, zanahoria, etc., además de concentrados de té, café, levaduras y huevos. Cromatografía de tinta La cromatografía es un método químico de separación de sustancias basado en las distintas velocidades a las que se distribuyen los componentes de una mezcla. La técnica se realiza con dos fases que no se pueden mezclar, una estacionaria en un medio sólido que la contiene y otra móvil, un disolvente que fluye. La cromatografía se utiliza para separar o purificar mezclas químicas y para estudiar o identificar su composición. La cromatografía en papel es una técnica sencilla que se utiliza para realizar análisis cuantitativos de sustancias. La fase estacionaria está constituida simplemente por una tira de papel de filtro. La muestra se deposita en un extremo. Luego el disolvente empleado como fase móvil se hace ascender por capilaridad. Así podemos separar mezclas de diferentes pigmentos y colorantes. El 5

Centro de Estudios Tecnológicos industriales y de servicios no. 68 (CETIs 68) Química I filtro al ser poroso absorbe el disolvente que así subirá por capilaridad a lo largo de la tira. Cuando el líquido llega al trozo coloreado con tinta, la arrastra con él. Algunos colorantes suben más rápido que otros, por lo que al separarse podremos distinguirlos a unos de otros. Cada colorante se comporta de distinta forma según el tipo de filtro y según el disolvente que utilicemos. Los colorantes subirán por el papel a una velocidad y a una altura que dependerán no sólo de su reacción con el papel, sino también de su solubilidad en el líquido. Las partes de la tinta que no se disuelven bien dejarán de subir primero, y las partes más solubles seguirán subiendo. El fenómeno por el cual el líquido coloreado se descompone en sus distintos colorantes se debe a que cada uno tiene distinta composición y en consecuencia no reacciona de la misma manera al entrar en contacto con el disolvente.

Destilación La destilación es la operación de separar, mediante vaporización y condensación en los diferentes componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados de una mezcla, aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de las sustancias ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión. Para entender más la destilación tenemos que analizar dos fenómenos que son parte esencial de ella: la vaporización y la condensación. Existen dos tipos de vaporización: la evaporación y la ebullición, en donde ambas un líquido se convierte a gas, aunque hay diferencias importantes entre ellas. Por una parte la evaporación es un paso lento de líquido a gas como la “desaparición” de un charco de agua producto de la lluvia, la formación de nubes en los océanos, cuando un frasco cargado con acetona se abrirse y se “vuele”, etcétera. Por otro lado la ebullición es un proceso rápido donde un líquido pasa a gas, por ejemplo, si tenemos cualquier cantidad de agua y la sometemos a 100°C toda pasa instantáneamente a gas, o si ponemos a 78°C el alcohol etílico de igual manera se convierte en gas. La condensación es cuando un gas se enfría y pasa al estado líquido. Podemos citar diversos ejemplos como el hecho de que una lata “sude”, se empañe un vidrio, la precipitación de las nubes (lluvia), etc. 6

Centro de Estudios Tecnológicos industriales y de servicios no. 68 (CETIs 68) Química I La destilación simple se utiliza para separar mezclas homogéneas de tipo líquido-líquido o líquidosólido con puntos de ebullición bajos. Las columnas de destilación se pueden montar de manera sencilla y muy práctica en laboratorios de química de la siguiente manera:

Imantación Se fundamenta en la propiedad de algunos materiales de ser atraídos por un imán. El campo magnético del imán genera una fuente de atracción, que si es suficientemente grande, logra que los materiales se acercan a él. Para poder usar este método es necesario que uno de los componentes sea atraído y el resto no. Este tipo de método de separación no es muy común aplicarlo en la vida cotidiana y es utilizado para separar mezclas heterogéneas.

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