• Métodos de separación de mezclas con base en las propiedades físicas de sus componentes

En química contamos con algunas técnicas que en su conjunto se llaman métodos de separación, los cuales, con frecuencia, nos permiten separar algunos de los componentes que forman los diversos materiales. Cuando separamos un material en dos o más componentes empleando alguno de estos métodos de separación, el material que les dio origen se define como mezcla. Es por ello que estos métodos también se conocen como métodos físicos de separación de mezclas.

Las siguientes precisiones son importantes:

• Todos los materiales que pueden separarse en dos o más componentes empleando métodos de separación son necesariamente mezclas (que pueden ser tanto homogéneas como heterogéneas). • Todos los materiales heterogéneos son mezclas, aunque ello no signifique necesariamente que podamos separar sus componentes con facilidad. • No todos los materiales homogéneos son mezclas; hay algunos que están formados por sólo un componente, por ejemplo, el agua pura (que en química no es lo mismo que el agua potable).

Así, el mármol (como el que se observa en el objeto de la figura 21a) es una mezcla heterogénea: a simple vista podemos notar sus distintos componentes, aunque éstos no puedan separarse fácilmente. Por otro lado, sabemos que la leche es una mezcla homogénea, pues, a pesar de su apariencia uniforme, podemos separar algunos de sus componentes con facilidad si, por ejemplo, la hervimos (separando así la nata) o agregamos vinagre (y entonces la leche se “corta”, lo cual separa las proteínas de la leche, principalmente la caseína).

Para separar los componentes que forman una mezcla lo primero es observar las características de la mezcla y, dependiendo de su complejidad, podemos elegir uno o varios métodos de separación. A continuación te presentamos algunos de los métodos de separación de mezclas más comunes:

• Filtración. Esta técnica se utiliza cuando el tamaño de las partículas de por lo menos uno de los componentes de la mezcla es muy distinto de los otros.

Así, cuando cuelas los frijoles o la leche con nata estás utilizando la filtración. En el laboratorio se emplea con frecuencia este método para separar a un sólido de una disolución, es decir, para separar por filtración todos aquellos sólidos que no se encuentren disueltos, como se muestra en la figura 24. • Tamizado. Se trata de un caso particular de filtración en donde todos los componentes de una mezcla son sólidos, pero de diferente tamaño. Al hacerlos pasar por “coladeras” con poros cada vez más pequeños podemos ir separando los componentes de acuerdo con su tamaño.

Cuando cernimos la harina para preparar un pastel, la estamos tamizando.

FIGURA 24. La filtración separa dos materiales con base en el tamaño de sus partículas.

a b

• Sedimentación y decantación. Éstas son técnicas muy relacionadas que se emplean para separar los componentes tanto de una emulsión como de una suspensión cuando estas mezclas son inestables, es decir, cuando la emulsión o la suspensión se separa en al menos dos fases. Para que se comiencen a apreciar dos o más fases, basta dejar las mezclas en reposo. Si una de las fases es sólida, se dice que esta fase se sedimenta. ¿Te has fijado en que muchos medicamentos y otros productos dicen: “Agítese antes de usarse”? En estos casos, el producto o medicamento es una mezcla inestable, de modo que para usarlo apropiadamente hay que volver a suspenderlo o emulsificarlo (figura 25).

En el caso de las mezclas inestables, basta la fuerza que ejerce la gravedad de la Tierra para separar los componentes de la mezcla. ¿Tú comprarías una mayonesa en la cual se observaran dos fases (agua y aceite)? En muchos casos, a las emulsiones o suspensiones de productos comerciales (por ejemplo, la mayonesa) se les agregan sustancias que estabilizan la emulsión e impiden que se separe de manera espontánea; estas sustancias se conocen como agentes emulsificantes. ¿Qué hacer cuando la emulsión o suspensión es estable?, ¿podemos separar sus componentes? La respuesta es sí, empleando la centrifugación.

• Centrifugación. Se emplea para separar emulsiones o suspensiones muy estables. El principio es el mismo: separar los componentes basándose en la diferencia de sus densidades, aunque en este caso la fuerza de gravedad no es suficiente, por lo que para incrementar esta fuerza se hace girar la mezcla muy rápidamente dentro de un aparato llamado centrífuga (figura 26). El principio es semejante al de las secadoras de ropa automáticas: giran con gran rapidez, haciendo que buena parte del agua se separe de la ropa (una secadora como ésta en realidad centrifuga y filtra al mismo tiempo).

c d

FIGURA 25. La decantación y la sedimentación permiten separar los componentes de una mezcla heterogénea (a) y (c) basándose en su diferencia de densidad (b) y (d).

FIGURA 26. La sangre es una emulsión muy estable, sin embargo, es posible separar algunos de sus componentes (el suero, los leucocitos y los eritrocitos) empleando la centrifugación.

• Magnetización o imantación. ¿Qué pasa si acercas un imán a un tornillo o a un clavo?, ¿se atraen?, ¿pasa lo mismo con una lata de refresco?

Algunos metales como el hierro (contenido en el clavo o el tornillo) tienen propiedades magnéticas muy notables, mientras que muchos otros no son atraídos por campos magnéticos (como el aluminio de las latas de refresco). Empleando esta propiedad es posible separar fácilmente de una mezcla heterogénea de materiales metálicos aquellos metales que contienen un alto porcentaje de hierro. Este método se conoce como imantación o magnetización (figura 27) y suele utilizarse para reciclar los materiales metálicos.

Ninguno de los métodos de separación descritos hasta ahora permite separar los componentes de una disolución. Para este tipo de mezclas homogéneas podemos emplear los siguientes métodos:

• Cristalización. Si en un vaso que contiene una disolución de agua con sal hacemos que el agua se evapore con lentitud (lo cual ocurre al mantener el vaso destapado), a medida que el agua se evapora la concentración de sal en la disolución aumenta, lo cual se debe a que la cantidad de agua va disminuyendo lentamente, pero la cantidad de sal permanece constante. Al evaporarse la mayor parte del agua la concentración de sal llega al punto de saturación, y al evaporarse el agua un poco más la sal comienza a precipitar, es decir, comienza a formar un sólido que se puede filtrar o decantar.

Este método puede aplicarse a cualquier disolución en la que el soluto sea un sólido, como se observa en la figura 28.

• Destilación. Éste es un método muy relacionado con el anterior; se emplea cuando al menos uno de los componentes de la disolución es más volátil que el otro (se evapora con mayor facilidad), o lo que es lo mismo, cuando los componentes tienen diferente punto de ebullición. Al calentar poco a poco la disolución, llegará un punto en el que la temperatura de la disolución será igual que el punto de ebullición del componente más volátil; cuando esto suceda, dicho componente pasará a la fase gaseosa. Al poner en contacto esos vapores con una superficie fría (que en un equipo de destilación sucede en el refrigerante) el gas se condensa

FIGURA 27. La magnetización permite separar fácilmente el acero de otros metales.

FIGURA 28. La cristalización es un método que se aplica tanto en el laboratorio (a) como en la obtención de sal del agua de mar (b).

a b

b

c

FIGURA 29. Para destilar es necesario calentar la disolución (a), el componente más volátil se condensa en el refrigerante (b), con lo que podemos separar este componente (c).

FIGURA 30. La destilación es el método que se emplea para separar los diferentes componentes del petróleo (el cual no es más que una mezcla de varios hidrocarburos). Al destilar el petróleo se pueden separar los componentes más volátiles (gas natural y gasolinas) de los menos volátiles (aceites y asfalto).

a

y pasa de nuevo a la fase líquida, que podemos colectar y separar de la disolución que le dio origen (figura 29).

Así, mientras que la cristalización se emplea principalmente para separar al componente sólido (el menos volátil), la destilación se utiliza para separar el componente de menor punto de ebullición (el más volátil) (figura 30).

Finalmente, los últimos dos métodos que describiremos son la extracción y la cromatografía, los cuales se basan en el mismo principio: la afinidad química. ¿Por qué el agua moja? ¿Por qué una toalla seca? Las respuestas a estas preguntas que parecen simples, pueden no serlo tanto; el agua moja porque se queda adherida a tu piel (en química decimos que se adsorbe); ¿por qué se adsorbe?, o dicho de otra forma menos científica: ¿por qué se adhiere a tu piel? El agua tiene mucha afinidad química con las proteínas (queratina) que se encuentran en la superficie de la piel, de tal forma que se une a ellas fácilmente. ¿Sucede lo mismo si untas un poco de aceite en tu piel?

Cuando estás cubierto por una delgada capa de aceite, el agua ya no te moja igual porque la afinidad que tiene con el aceite que recubre tu piel es mucho menor (figura 31). Habrás observado que el agua y el aceite no se mezclan ya que no tienen afinidad química entre sí, a diferencia del alcohol de caña y el agua, que sí se mezclan.

FIGURA 31. El papel encerado no se moja, pues está recubierto de cera; el agua y la cera (que es químicamente muy parecida al aceite) tienen poca afinidad entre sí.

Esta afinidad química es la que permite a la toalla secar tu piel, pues cuando el agua “tiene que decidir” con qué material posee más afinidad —la queratina de tu piel o la tela de la toalla (por lo general, hecha de celulosa)— ¿cuál es el resultado? La afinidad química indica que la adsorción o interacción del agua con la celulosa es más fuerte que con la queratina de tu piel, por lo cual el agua se transfiere de tu piel a la toalla.

• Extracción. La extracción se basa en el principio de afinidad química y ocurre cuando ponemos a competir dos fases distintas por uno o varios componentes (de la misma forma que la toalla y tu piel compiten por el agua). Cuando preparamos café (de grano) o té, efectuamos una extracción mediante la cual algunas de las sustancias contenidas en la fase sólida (en los granos de café o en las hojas de té), al entrar en contacto con la fase líquida (el agua caliente) se transfieren en parte a ésta, debido a que su afinidad con la fase líquida es mayor que con la fase sólida.

En los laboratorios de química con frecuencia efectuamos extracciones empleando dos fases líquidas (que no se mezclan), en una de las cuales está disuelta una sustancia de interés que es transferida a la otra fase por medio de un embudo de extracción. La sustancia de interés se disolverá, de preferencia, en el líquido con el cual tenga mayor afinidad (figura 32).

• Cromatografía. Este método se aplica para separar mezclas homogéneas, por lo general, disoluciones que presentan muchos componentes. De la misma forma que en la extracción, estos componentes interaccionan con dos fases distintas: una que se mueve (a la que llamamos fase móvil) y otra que no se mueve (llamada fase estacionaria). Dependiendo de la afinidad de cada componente con la fase móvil o con la fase estacionaria, éstos avanzarán con mayor o menor velocidad permitiendo entonces separar la mezcla.

a b

1. Para reforzar lo que has visto sobre métodos de separación de mezclas, te sugerimos revises las animaciones que se encuentran en la siguiente página: odas.educarchile. cl/objetos_digitales/ odas_ciencias/22_ jugando_separar/

LearningObject/index.html 2. Escribe en tu cuaderno o tu blog una reflexión sobre la importancia de los métodos de separación de mezclas y su aplicación en tu vida diaria.

3. Sé consciente de la importancia de la sustentabilidad: Comenta con un compañero cómo podrían ayudarnos los métodos de separación a resolver problemas como la contaminación.

1. Visita la siguiente página web y observa el video para que puedas apreciar cómo se lleva a cabo una extracción en un laboratorio. http://tv.upc.edu/contenidos/extraccion?set_ language=es 2. ¿Se te ocurren ejemplos de mezclas que se podrían separar con este método? Explica.

FIGURA 32. La extracción se realiza agitando con fuerza el embudo, para después permitir la decantación de las dos fases líquidas. Con este método puede conseguirse que una sustancia originalmente disuelta en una fase líquida (a) sea transferida a la otra fase líquida (b).

Existen muchos tipos de cromatografías; quizá la más fácil de llevar a cabo sea la cromatografía en papel. La siguiente imagen ilustra la separación de los diversos colorantes contenidos en una gota de tinta (figuras 33 y 34).

FIGURA 33. Cada uno de los componentes contenidos en la gota de tinta (a) tiene distinta afinidad con el papel (fase sólida) que con el líquido (fase móvil). Cuando el líquido sube por capilaridad por el papel (b), los componentes que tienen mayor afinidad con el líquido avanzan más, mientras que aquellos que tienen mayor afinidad con el papel avanzan menos (c).

FIGURA 34. La cromatografía es una de las técnicas de separación más poderosas. En muchos laboratorios, tanto en industrias como en universidades, existen equipos capaces de realizar cromatografías en forma automática. Estos aparatos se conocen como cromatógrafos (a). El análisis antidoping realizado rutinariamente a los deportistas (b) se lleva a cabo empleando técnicas cromatográficas.

a b c

a b

Experimenta

Determina el método de separación de mezclas. 1. Reúnete con algunos compañeros y propongan los distintos métodos que utilizarían para separar las siguientes mezclas: • Agua (H2O) y sal (NaCl) • Agua y arena • Arena y grava • Aceite y agua • Aceite y limadura de hierro 2. Cuando hayan decidido qué métodos emplearán, pongan manos a la obra y consigan el material que necesitarán para hacerlo. No se les olvide pedir orientación o ayuda a su maestro. • ¿Qué consideraron para elegir el método de separación adecuado para cada mezcla? • Identifiquen las propiedades de los componentes de la mezcla que les permiten emplear el método o métodos de separación que proponen. • ¿Una misma mezcla puede separarse por diferentes métodos? 3. Elaboren en su cuaderno o su blog un mapa conceptual sobre los tipos de métodos de separación de mezclas y sus características principales.

Autoevaluación Al completar esta tabla sabrás si lograste dominar los aprendizajes señalados. Rellena el cuadro que corresponda a tu propia evaluación y comenta, en la última columna, la tarea necesaria para que logres el aprendizaje; comparte la tabla con tus compañeros y tu maestro.

INDICADOR DEL LOGRO

LO SÉ

(Tengo el conocimiento)

LO SÉ HACER

(Desarrollé las habilidades para representar y seguir procedimientos)

VALORO EL APRENDIZAJE COMENTARIOS

Sí Aún no Sí Aún no Sí No ¿Cómo lo lograré?

¿Identificas los componentes de las mezclas y las clasificas en homogéneas y heterogéneas?

¿Identificas la relación entre la variación de la concentración de una mezcla (porcentaje en masa y volumen) y sus propiedades?

¿Deduces métodos de separación de mezclas con base en las propiedades físicas de sus componentes?

Evalúo mi avance

1. Contesta las siguientes preguntas en tu cuaderno o tu blog: • ¿Qué es una mezcla? • ¿Cuál es la diferencia entre una mezcla homogénea y una heterogénea? Da dos ejemplos de cada tipo de mezcla. • ¿Cuál es la diferencia entre emulsión y suspensión? • ¿Una emulsión es transparente? ¿Por qué? • ¿Qué método de separación se usa en la refinación del petróleo? • Imagina que tienes una mezcla compuesta de agua, sal, tachuelas, arena y aceite. ¿Cómo separarías cada uno de los componentes de esta mezcla? • ¿Qué propiedades del agua y del azúcar se modifican cuando estos productos forman una mezcla (disolución) en comparación a cuando están solos?

nota: Llena el cuadro que se muestra a continuación (transcríbelo a tu cuaderno o tu blog), identifica el tipo de mezcla y anota en qué te basaste para clasificarla y el nombre del método de separación adecuado para separar los componentes de cada una.

Mezclas

Alcohol y agua Polvo y aire Arroz y harina Azúcar y agua Agua y aceite Tinta de bolígrafo Leche Clavos y tierra

Homogénea o heterogénea ¿Qué criterio usaste para clasificarlas? ¿Qué método emplearías para separarlas?

2. Los fabricantes de muchos medicamentos y productos incluyen en la etiqueta la instrucción: “Agítese antes de usarse”, ¿consideras que esta instrucción es importante?, ¿por qué?, ¿qué sucedería si decidieras ignorar esta instrucción?, ¿este tipo de materiales es homogéneo o heterogéneo? • ¿Te parece útil lo que has aprendido de química para valorar las instrucciones en las etiquetas de estos productos? 3. Con lo que ya has aprendido, responde nuevamente las preguntas de la sección “Explora”.