Experimentacion con Mezclas - Resumen

EXPERIMENTACIÓN CON MEZCLAS

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Mezcla.-

Agregación de sustancias sin interacción química entre ellas. Las propiedades de las mezclas varían según su composición y pueden depender del método o la manera de preparación de las mismas.

Mezcla azeotrópica, disolución que contiene la misma proporción de componentes químicos antes y después de la destilación. El ejemplo más común es una disolución de 4,43% de agua y 95,57% de etanol. Los componentes de dichas mezclas no pueden separarse por destilación ordinaria, pero la adición de otro producto químico puede hacer posible la separación, por ejemplo la adición de benceno a la disolución anterior de alcohol/agua.

Los componentes individuales en una ‘mezcla heterogénea’ están físicamente separados y pueden observarse como tales. Estos componentes se pueden recuperar por procedimientos físicos, como la filtración, la decantación o la separación magnética.

En una ‘mezcla homogénea’ o disolución el aspecto y la composición son uniformes en todas las partes de la misma. El componente que está en mayor proporción y que generalmente es líquido se denomina disolvente, y el que está en menor proporción soluto. Las disoluciones pueden ser sólidas y gaseosas, pero la mayoría de ellas son líquidas.

 Uno de los trabajos rutinarios en los laboratorios es la separación de los componentes de una mezcla, ya sea homogénea o heterogénea, para obtener de la materia las partes que la constituyen. Los procesos de separación dependen del tipo de mezcla y componentes que la forman, Las técnicas o los métodos dependen de las propiedades físicas y químicas de dichos componentes; por ejemplo, los métodos mecánicos corno decantación, filtración, evaporación, entre otros. Podemos mencionar a la industria vinícola: para obtener el alcohol utiliza la destilación como método de separación, para ello necesario conocer el punto de ebullición del alcohol y del agua.

Por otra parte, en tina mezclar las concentraciones del soluto son indispensables, ya que así podernos decidir si el suministro o el consumo de una mezcla puede ocasionar daños a la salud o al medio ambiente. Las etiquetas de diversos productos nos dan información sobre las diferentes cantidades de sustancia utilizadas en su elaboración y, de esta forma, conocer la concentración. La etiqueta de un perfume, por ejemplo, tiene información acerca de la esencia que contiene. Si un perfume de 12 ml no indica en su etiqueta que contiene 1 S % de esencia y 8S% de fijador, es decir, el solvente, podemos deducir que tiene 18.75 ml de esencia y 106.25 ml de solvente.

En el mundo que nos rodea vemos una gran variedad de mezclas, como los refrescos, los electrolitos de sabor, las capas de la tierra, la arena de la playa, etcétera. Sin embargo, cada una tiene propiedades únicas por las cuales se diferencian entre ellas.

Todo lo que nos rodea corresponde en su mayoría a la combinación de diferentes sustancias, por ejemplo, tu banca del salón de clases está constituida de madera, metal, plástico y pintura; tu uniforme está hecho de tela y plástico, y así muchos objetos de nuestro alrededor. La combinación de estas sustancias es a lo que llamamos mezcla.

Homogéneas y heterogéneas

Mezcla es aquella que se forma cuando se combinan dos o más sustancias en proporción variable, y cada una conserva sus propiedades originales.

En la formación de una mezcla podemos observar lo siguiente:

• No es fija la proporción en que intervienen las sustancias al mezclarse.

• En general, no hay manifestación de energía (calorífica, mecánica, eléctrica, etcétera).

• Los componentes de una mezcla pueden separarse mediante procedimientos simples de manera mecánica o física.

• Los componentes de una mezcla conservan siempre sus propiedades originales.

Por su apariencia física, las mezclas pueden clasificarse en dos grupos: homogéneas y heterogéneas.

Las mezclas homogéneas son aquellas que se forman cuando las sustancias están unidas física y uniformemente, es decir, son miscibles (pueden mezclarse entre sí). Este tipo de mezclas es la que forma a las soluciones; mientras que las mezclas heterogéneas son lo contrario: no forman disoluciones, pues sus componentes pueden distinguirse a simple vista, por lo tanto no son miscibles; esto significa que una no puede disolverse en otra.

En el caso de las mezclas homogéneas, la cantidad del soluto es una forma de conocer la concentración de la disolución. Dichas soluciones pueden ser sólido-líquido líquido-líquido. La concentración que se realiza en términos de porcentaje, se expresa

Porcentaje en masa

La concentración de las soluciones puede expresarse en términos de porcentaje (%) de la masa que se encuentra en una disolución. Este porcentaje se define como la masa del soluto entre la suma de las masas del soluto y del disolvente multiplicado por 100, es decir:

% en masa =[ Masa del soluto / (Masa del soluto + Masa del solvente) ] X 100

Pero como sabemos que una solución está dada por la suma del soluto y del solvente, también el porcentaje en masa puede representarse por:

% en masa =[ Masa del soluto / (Masa de la solución) ] X 100

Porcentaje en volumen

Cuando se presentan soluciones donde tanto el soluto como el solvente son líquidos, entonces se calcula el porcentaje en volumen de disolución. Para ello, se aplica la siguiente expresión:

%en volumen =[ Volumen del soluto / (Volumen del soluto + Volumen del solvente ) ] X 100

Al igual que en el porcentaje en masa, se forma una solución entre el soluto y el solvente, por lo que ahora tenemos:

% en Volumen =[ Volumen del soluto/ (Volumen de la solución) ] X 100

Métodos de separación de mezclas

con base en las propiedades físicas de sus componentes

En química, un proceso de separación se usa para transformar una mezcla de sustancias en dos o más productos distintos. Los productos separados podrían diferir en propiedades químicas o algunas propiedades físicas, tales como el tamaño o tipo de cristal.

Salvo muy pocas excepciones, casi todos los elementos químicos o compuestos químicos se encuentran naturalmente en un estado impuro, tales como una mezcla de dos o más sustancias. Muchas veces surge la necesidad de separarlos en sus componentes individuales. Las aplicaciones de separación en el campo de la ingeniería química son muy importantes. Un buen ejemplo es el petróleo. El petróleo crudo es una mezcla de varios hidrocarburos y tiene valor en su forma natural. Sin embargo, la demanda es mayor para varios hidrocarburos purificados, tales como gas natural, gasolina, diésel, combustible de jet, aceite lubricante, asfalto, etc.

Los procesos de separación pueden ser clasificados como procesos de transferencia de masas. La clasificación puede basarse en los medios de separación, mecánico o químico. La elección de la separación depende de una evaluación de ventajas y desventajas de cada uno. Las separaciones mecánicas suelen ser favorecidas en lo posible, debido al menor costo de operación comparado con las separaciones químicas. Los sistemas que no pueden ser separados por medios puramente mecánicos (por ejemplo, el petróleo) hacen que la separación química sea la solución restante. La mezcla a tratar puede ser una combinación de dos o más estados de agregación.

Dependiendo de la mezcla cruda, se pueden utilizar varios procesos para separar las mezclas. Muchas veces tienen que usarse dos o más procesos en combinación, para obtener la separación deseada. Además de los procesos químicos, también pueden aplicarse procesos mecánicos.

Tipos de procesos de separación

Ø  Separación por calor

§  Destilación, usada para mezclas de líquidos termoestables, con diferentes puntos de fusion, o para sólidos disueltos en un líquido.

§  Secado, la eliminación de líquido de un sólido por vaporización.

§  Evaporación

Ø  Adsorción.

Ø  Centrifugación y ciclón, basados en diferencia de densidad.

Ø  Cromatografía, que involucra la separación de sustancias disueltas diferentes (fase móvil) que fluyen a través de un material o fase estacionaria. Las sustancias disueltas de la fase móvil se separan sobre la base de su interacción con la fase estacionaria.

Ø  Cristalización

Ø  Decantación

Ø  Electroforesis, basado en la respuesta de las moléculas en un gel, a un campo eléctrico.

Ø  Electrólisis

Ø  Elutriación

Ø  Extracción

§  Lixiviación

§  Extracción líquido-líquido

§  Extracción en fase sólida

Ø  Floculación, basado en diferencias de densidad, utilizando un floculante como un jabón o detergente.

Ø  Filtración

Ø  Precipitación

Ø  Recristalización

Ø  Sedimentación, basado en diferencia de densidades.

§  Separación gravítica

Ø  Separación magnética, basado en propiedades magnéticas.

Ø  Tamizado

Ø  Sublimación

Ø  Fusión por zonas

La destilación

Es la operación de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida mediante vaporización y condensación selectivas. Dichas sustancias, que pueden ser componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados, se separan aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de ellas, 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.

La vaporización

Es el principal proceso mediante el cual una sustancia cambia de estado líquido a gaseoso.

Se denomina ebullición cuando el cambio de estado ocurre por aumento de la temperatura en el interior del líquido; el punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido determinado hierve (a una presión dada), y permanece constante mientras dure el proceso de cambio de estado.

Se le denomina evaporación cuando el estado líquido cambia lentamente a estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se produce a cualquier temperatura, siendo más rápida cuanto más elevada esta.

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.

La adsorción

Es un proceso por el cual átomos, iones o moléculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material en contraposición a la absorción, que es un fenómeno de volumen. Es decir, es un proceso en el cual por ejemplo un contaminante soluble (adsorbato) es eliminado del agua mediante el contacto con una superficie sólida (adsorbente). El proceso inverso a la adsorción se conoce como desorción.

En química, la adsorción de una sustancia es la acumulación de una sustancia en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido.

La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste.

La centrifugación

Es un método por el cual se pueden separar sólidos de líquidos de diferente densidad por medio de una fuerza giratoria. La fuerza centrífuga es provista por una máquina llamada centrifugadora, la cual imprime a la mezcla 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.

La cromatografía

Es un método físico de separación para la caracterización de mezclas complejas, la cual tiene aplicación en todas las ramas de la ciencia. Es un conjunto de técnicas basadas en el principio de retención selectiva, cuyo objetivo es separar los distintos componentes de una mezcla, permitiendo identificar y determinar las cantidades de dichos componentes. Diferencias sutiles en el coeficiente de partición de los compuestos dan como resultado una retención diferencial sobre la fase estacionaria y, por tanto, una separación efectiva en función de los tiempos de retención de cada componente de la mezcla.

La cromatografía puede cumplir dos funciones básicas que no se excluyen mutuamente:

    Separar los componentes de la mezcla, para obtenerlos más puros y que puedan ser usados posteriormente (etapa final de muchas síntesis).

    Medir la proporción de los componentes de la mezcla (finalidad analítica). En este caso, las cantidades de material empleadas suelen ser muy pequeñas.

La cristalización

Es un proceso por el cual a partir de un gas, un líquido o una disolución, los iones, átomos o moléculas establecen enlaces hasta formar una red cristalina, la unidad básica de un cristal. La cristalización se emplea con bastante frecuencia en Química para purificar una sustancia sólida.

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.

Es un proceso importante en el tratamiento de las aguas residuales.

No debe ser confundida con la sedimentación, que es la separación por gravedad de los sólidos suspendidos en el agua (arena y materia orgánica).

La electroforesis

Es una técnica para la separación de moléculas según la movilidad de éstas en un campo eléctrico. La separación puede realizarse sobre la superficie hidratada de un soporte sólido (p. ej., electroforesis en papel o en acetato de celulosa), a través de una matriz porosa (electroforesis en gel), o bien en disolución (electroforesis libre). Dependiendo de la técnica que se use, la separación obedece en distinta medida a la carga eléctrica de las moléculas y a su masa.

La electrólisis

O electrolisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. En ella ocurre la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción) y la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación).

La Elutriación

Un elutriador o hidroseparador es un equipo utilizado en metalurgia, para separar partículas de diferente densidad y tamaño.

Está compuesto por una serie de tubos, con diámetros decrecientes, donde se obtiene una fracción de partículas determinada por la velocidad de sedimentación y la velocidad ascensional del agua que es introducida por la parte inferior del primer tubo. En los tubos siguientes, la alimentación viene procedente de la parte superior del tubo anterior, realizándose el mismo efecto.

La Extracción

En química, la extracción es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que están en contacto a través de una interface. La relación de las concentraciones de dicha sustancia en cada uno de los disolventes, a una temperatura determinada, es constante.

La Lixiviación

O extracción sólido-líquido, es un proceso en el que un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido.

La extracción (separación) líquido-líquido

También conocida como extracción con solventes o extracción con disolventes, es un proceso químico empleado para separar una mezcla de líquidos aprovechando la diferencia de solubilidad de sus componentes entre dos líquidos inmiscibles o parcialmente miscibles (por ejemplo, agua y cloroformo, o éter etílico y agua).

Microextracción en fase sólida

(MEFS) o SPME (por sus siglas en inglés) es una técnica utilizada en química analítica para extraer compuestos químicos para su posterior identificación.

La MEFS puede ser entendida como un una columna capilar de cromatografía de gases (CG) muy corta abierta al exterior. La MEFS es una fibra cubierta con una fase que sirve para la extracción, que puede estar constituida de un polímero líquido o un sorbente sólido. Esta capa puede extraer diferentes tipos de moléculas, volátiles o no volátiles, de diferentes tipos de medios en fase líquida o gaseosa. La cantidad de moléculas extraídas por la fibra es proporcional a su concentración en la muestra, siempre y cuando se alcance el equilibrio termodinámico. En caso de que la extracción se realice en tiempos cortos la agitación manual de la muestra acelara el proceso de extracción.

El segundo paso es la desorción de los compuestos extraídos en el paso previo para su posterior análisis.

Luego de la extracción, la fibra de MEFS es transferida al puerto de inyección del instrumento de separación (generalmente un aparato de cromatografía de gases), donde la desorpción de las moléculas toma lugar. La cromatografía de gases permite cuantificar los compuestos separados y en algunos casos identificarlos, pero si el análisis lo requiere, la espectrometría de masas (EM) es más cualitativa.

La floculación

Es un proceso químico mediante el cual, con la adición de sustancias denominadas floculantes, se aglutinan las sustancias coloidales presentes en el agua, facilitando de esta forma su decantación y posterior filtrado.

La Filtración

Se denomina filtración al proceso unitario de separación de sólidos en una suspensión por medio de un medio mecánico poroso, también llamados tamiz, criba, cedazo, filtro. En una suspensión en un líquido mediante un medio poroso, retiene los sólidos mayores del tamaño de la porosidad y permite el paso del líquido y partículas de menor tamaño de la porosidad

La Precipitación

Un precipitado es el sólido que se produce en una disolución por efecto de cristalización o de una reacción química. A este proceso se le llama precipitación. Dicha reacción puede ocurrir cuando una sustancia insoluble se forma en la disolución debido a una reacción química o a que la disolución ha sido sobresaturada por algún compuesto, esto es, que no acepta más soluto y que al no poder ser disuelto, dicho soluto forma el precipitado.

La Recristalización

Se repite el proceso de cristalización en una disolución que ya se había hecho dicho proceso. Las aguas que quedan aún contienen soluto disuelto que puede cristalizarse. Para un proceso de cristalización más rápido, aplicar un núcleo de cristalización.

La sedimentación

Es el proceso por el cual el sedimento en movimiento se deposita. Un tipo común de sedimentación ocurre cuando el material sólido, transportado por una corriente de agua, se deposita en el fondo de un río, embalse, canal artificial, o dispositivo construido especialmente para tal fin.

La separación gravítica

Es un método industrial de separación de dos componentes de la suspensión o cualquier otra mezcla heterogénea, cuando la separación de los componentes con la gravedad es lo suficientemente práctico. Todos estos métodos son comunes en el sentido de que todos utilizan la gravedad como la fuerza dominante.

La separación magnética

Es un proceso que sirve para separar dos sólidos (en la que uno de los cuales debe ser ferroso o tener propiedades magnéticas). El método consiste en acercar un imán a la mezcla a fin de generar un campo magnético, que atraiga al compuesto ferroso dejando solamente al material no ferroso en el contenedor.

La tamización

 O tamizar 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 un colador. Las partículas de menor tamaño pasan por los poros del tamiz o colador atravesándolo y las de mayor tamaño quedan retenidas 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 de mayor tamaño de la tierra quedarán retenidas en el tamiz. De esta manera se puede hacer una clasificación por tamaños de las partículas.

La sublimación

(Del latín sublimāre) es el proceso que consiste en el cambio de estado de sólido al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina deposición o sublimación regresiva; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido.

La Fusión por zonas

Es un método que permite purificar los lingotes de un semiconductor. Se basa en que las impurezas se disuelven en el semiconductor fundido. Luego, si una zona fundida avanza por el lingote, las impurezas se irán concentrando en ella, quedando a su paso el semiconductor purificado.

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Bibliografia

www.wikipedia.org

www.libros.conaliteg.gob.mx

Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2003. 

www.fotolia.com

Nueva Enciclopedia Tematica Grolier 2012

https://www.ecured.cu 

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