Métodos de separación: evaporación, filtración, decantación

Química. Cristalización. Sublimación. Destilación. Extracción. Cromatografía. Punto de ebullición. Densidad

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Métodos de Separación

Los Métodos de Separación se basan en diferencias entre las propiedades físicas de los componentes de una mezcla, tales como: Punto de Ebullición, Densidad, Presión de Vapor, Punto de Fusión, Solubilidad, etc. Los Métodos más conocidos son:

Filtración

El procedimiento de Filtración consiste en retener partículas sólidas por medio de una barrera, la cual puede consistir de mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido.

Decantación

El procedimiento de Decantación consiste en separar componentes que contienen diferentes fases (por ejemplo, 2 líquidos que no se mezclan, sólido y líquido, etc.) siempre y cuando exista una diferencia significativa entre las densidades de las fases.

La Separación se efectúa vertiendo la fase superior (menos densa) o la inferior (más densa).


Evaporación

El procedimiento de Evaporación consiste en separar los componentes mas volátiles exponiendo una gran superficie de la mezcla. El aplicar calor y una corriente de aire seco acelera el proceso.

Cristalización

Una Solución consta de dos componentes: El Disolvente y el Soluto. Las Soluciones pueden ser No-Saturadas, Saturadas y Sobre-Saturadas.

Las Soluciones No-Saturadas tienen una concentracion de soluto menor que las soluciones saturadas, y éstas a su vez tienen una concentración de solucto menor que una solución sobresaturada. Por ejemplo: Supóngase que se agregan unos cuantos cristales de Sal Común a un Vaso de Agua. Esta será una Solución No-Saturada. Si se sigue añadiendo Sal con agitación se llegará hasta un punto en el cual los cristales ya no se disuelven. Esta será una Solución Sobre-Saturada. Si esta solución se deja reposar y se remueven los cristales que no se disolvieron, se obtendrá una Solución Saturada que contendrá la cantidad máxima de soluto que se puede disolver a la temperatura actual que llamaremos inicial. Si enfriamos la solución Saturada, con el tiempo se formarán cristales de Sal, ésto se debe a que la solubilidad de la Sal en el Agua depende de la Temperatura y lo que fue una solución saturada a la temperatura inicial es ahora una solución sobre-saturada a la temperatura final.

Es importante recalcar que una solución sobresaturada es un sistema metaestable y que tenderá a estabilizar-se, mientras que una solución saturada es un sistema estable.

Para efectuar la Cristalización de un sólido hay que partir de una Solución Sobre-Saturada. Existen varias formas de Sobre-Saturar una Solución, una de ellas es el enfriamiento de la solución, otra consiste en eliminar parte del Disolvente a fin de aumentar la concentración del soluto, otra forma consiste en añadir un tercer componente que tenga una mayor solubilidad que el componente que se desea cristalizar.

La rapidez del Enfriamiento definirá el tamaño de los cristales resultantes. Un enfriamiento rápido producirá cristales pequeños, mientras que un enfriamiento lento producirá cristales grandes. Para acelerar la Cristalización puede hacerse una “siembra” raspando las paredes del recipiente.

Unidades de Concentración:

g/mL = gramos por mililitro

g/L = gramos por litro

p.p.m. = partes por millón = mg/L, mg/kg, mL/L.

% P = (gramos de soluto) (100)/ (gramos de Solución)

% V = (mL de soluto) (100)/(mL de Solución)

% P/V = (gramos de soluto) (100)/(mL de Solución)

M = Molaridad = moles/L

N = Normalidad = equivalentes/L

X = Fracción Mol = moles de soluto/moles totales

Sublimación

La Sublimación aprovecha la propiedad de algunos compuestos de cambiar del estado sólido al estado vapor sin pasar por el estado líquido. Por ejemplo, el I2 y el CO2 (hielo seco) poseen esta propiedad a presión atmosférica.

Destilación

Este método consiste en separar los componentes de las mezclas basándose en las diferencias en los puntos de ebullición de dichos componentes. Cabe mencionar que un compuesto de punto de ebullición bajo se considera “volátil” en relación con los otros componentes de puntos de ebullición mayor. Los compuestos con una presión de vapor baja tendrán puntos de ebullición altos y los que tengan una presión de vapor alta tendrán puntos de ebullición bajos.

En muchos casos al tratar de separar un componente de la mezcla por destilación en la fase gas se forma una especie de asociación entre las moléculas llamada azeótropo el cual puede presentar un cambio en el punto de ebullición al realizar la destilación.

Por ejemplo, para determinar humedad (% de agua) en residuos sólidos se puede hacer uso de una destilación del azeótropo agua-tolueno. Se agrega una cantidad de tolueno al sólido pulverizado y se destila, se colecta el destilado en una trampa y al enfriarse se puede medir la cantidad de agua que queda en el fondo de la trampa (El tolueno es menos denso que el agua y es insoluble en ésta).

Los tipos de Destilación más comunes son: La Destilación Simple, Destilación Fraccionada y la Destilación por Arrastre con Vapor. En la Destilación Simple, El proceso se lleva a cabo por medio se una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (mayor presión de vapor) y se condensa por medio de un refrigerante.

En la Destilación fraccionada el proceso se realiza en multi-etapas por medio de una columna de destilación en la cual, se llevan a cabo continuamente numerosas evaporaciones y condensaciones. Al ir avanzando a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes.

En la Destilación por Arrastre con Vapor se hace pasar una corriente de vapor a través de la mezcla de reacción y los componentes que son solubles en el vapor son separados. Entre las sustancias que se pueden separar por esta técnica se pueden citar los Aceites Esenciales.

Extracción

Cuando los solutos se distribuyen libremente entre dos solventes inmiscibles se establece una diferencia entre las relaciones de concentración en el equilibrio. La Distribución de un soluto entre dos solventes inmiscibles está gobernada por la “Ley de Distribución”. Supóngase que la especie del soluto A se deja distribuir entre una fase acuosa y otra orgánica.

La relación de concentraciones de A entre las fases acuosa y orgánica será constante e indepenciente de la cantidad total de A.

K = [Ao]/[Aw]

donde K es el coeficiente de Reparto

Para un sistema en donde no se consideran equilibrios alternos la cantidad que queda remanente después de la extracción (xn) se representa por la ecuación:

donde:

  • xn = gramos remanentes del soluto x

  • Vw = mL de fase acuosa

  • Vo = mL de Fase Orgánica

  • K = Constante de Reparto

  • a = gramos iniciales del soluto x

  • n = número consecutivo de extracciones (Nota: esta ecuación es válida solamente si las porciones son iguales)

Ejemplo: El Coeficiente de Reparto del Yodo entre CCl4 y agua es 85. Calcúlese el número de gramos de Yodo remanente en 100 mL de una solución acuosa que tenía una concentración original de 1 x 10-3 milimoles en 100 mL después de la extracción con 2 porciones sucesivas de 50 mL de CCl4.

Haga una comparación realizando una sola extracción con 100 mL de CCl4 para demostrar que las extracciones en varias etapas son más eficientes que en una sola.

La extracción a contra-corriente o continua es una combinación de extracción con destilación que permite el reciclado del solvente de extracción, resultando en un proceso más eficiente.

(Diagramas de: Aparatos para Extracción Continua Líquido-Líquido y Sólido Líquido .

Cromatografía

La palabra Cromatografía significa “Escribir en Colores” ya que cuando fue desarrollada los componentes separados eran colorantes. Los componentes de una mezcla pueden presentar una diferente tendencia a permanecer en cualquiera de las fases involucradas. Mientras más veces los componentes viajen de una fase a la otra (partición) se obtendrá una mejor separación.

Las técnicas cromatográficas se basan en la aplicación de la mezcla en un punto (Punto de Inyección o Aplicación) seguido de la influencia de la fase móvil.

Clasificación de la Cromatografía

Cromatografía en Columna:

En este caso se utilizan columnas de vidrio rellenas de Alúmina (Al2 O3), Sílica u Oxido de Magnesio.

Cromatografía en Capa Fina.

En este caso se utiliza una placa de vidrio recubierta con fase estacionaria (generalmente del tipo descrito en la Cromatografía en Columna con algunas variantes) manteniendo un pequeño espesor constante a lo largo de la placa. Esta se coloca en una cuba cromatográfica, la cual debe encontrarse saturada con el eluente (Fase Móvil líquida). El eluente ascenderá por la placa y arrastrará los componentes a lo largo de ésta produciendo “manchas” de los componentes. Si los componentes no son coloreados se requerirán técnicas de revelado (Adición de Ninhidrina a aminas, Acido sulfúrico para carbonizar compuestos orgánicos, etc) o visores ultravioleta.

Cromatografía en Papel

El proceso es básicamente el mismo, solo que se usan tiras de papel cromatográfico en la cuba cromatográfica.

Cromatografía de Líquidos de Alta Eficiencia (HPLC)

Es parecida a la Cromatografía en Columna, sólo que se aplica el flujo a presión (entre 1500 a 2200 psi), el tamaño de partícula es entre 3 y 10 micras, la longitud de la columna es entre 5 y 25 cm y requiere de equipo sofisticado.

Fase Normal

La Fase Móvil es No-Polar (Hexano, Tetracloruro de Carbono, Benceno, etc) y la Fase Estacionaria es Polar (Generalmente Sílica).

Fase Inversa.

La Fase Móvil es Polar (Agua, Soluciones “Amortiguadoras de pH”, Acetonitrilo, Metanol, etc.) y la Fase Estacionaria es No-Polar (Generalmente Sílica injertada con cadenas de grupos orgánicos de 8 y 18 átomos de Carbón (C8 y C18).

Intercambio Iónico

La Fase Estacionaria es una resina de Intercambio Iónico y tiene la propiedad de separar especies ionizadas (Cationes o Aniones). La Fase Móvil es generalmente una Solución Amoriguadora de pH.

Exclusión

La Fase Estacionaria está constituída de partículas altamente porosas que permiten la separación de los componentes en función del tamaño de las moléculas. A la Fase Estacionaria se le llama también Malla Molecular. El Cromatograma obtenido representa la distribución de Pesos Moleculares.

Cromatografía de Gases (CG)

La Fase Móvil es un Gas (llamado Gas Portador o Acarreador) y la Fase Estacionaria puede ser un sólido (Cromatografía Gas-Sólido) o una Película de líquido de alto punto de ebullición (Generalmente Polietilén-Glicol o Silicón) recubriendo un sólido inerte (Cromatografía Gas-Líquido).

Los compuestos que se pueden separar por cromatografía de gases deben ser Volátiles y Térmicamente Estables.