Descripción

IMPORTANCIA EDUCATIVA DEL TEMA
El tema “Procesos de separación de los constituyentes de las mezclas” se encuadra en otras temáticas más amplias que intentan dar respuesta a la cuestión: “¿Cómo está
constituido el mundo material?”.
La mayor parte de la materia que nos rodea en la vida diaria está compuesta de mezclas de sustancias. En algunos casos es obvio que una muestra es una mezcla,mientras que en otros puede ser necesario proceder a un examen cuidadoso y usar un instrumental relativamente complejo para determinar si se trata de una sustancia pura o de una mezcla de sustancias. La separación de las sustancias de una mezcla es importante para los químicos y en muchas industrias, dado que la mayor parte de los materiales, sean obtenidos de productos naturales o preparados en el laboratorio, son mezclas de sustancias.

La mayor parte de los materiales que encontramos en la vida cotidiana están constituidos por mezclas de sustancias, que muchas veces tienen que ser sometidas a
procesos de separación para obtener sustancias químicas “puras”. Se trata de procesos prácticos, presentes al mismo tiempo en el laboratorio y en la vida cotidiana, lo que los hace de singular importancia. A partir de estos presupuestos se ha realizado la planificación didáctica para la enseñanza del tema “Procesos de separación de componentes de mezclas” en el ámbito de las ciencias físico-químicas de la enseñanza secundaria obligatoria (12-14 años) (Paixão, 2002), aplicada y evaluada por una profesora y sus alumnos (Lourenço y Paixão, 2003). Una de las razones para la selección de este tema es su importancia en los contextos social y tecnológico, tanto general como local, que contrasta con la forma casi siempre demasiado académica con que suele tratarse en el aula, como sistematización de técnicas y sus procedimientos. Dicha propuesta sigue una orientación CTS (Ciencia-Tecnología-Sociedad) que muchos autores defienden como la perspectiva más adecuada para la educación de ciudadanos científica y tecnológicamente más cultos (Acevedo, Vázquez y Manassero, 2003; Martins, 2002)

La materia se puede clasificar con base en su composición como sustancia pura o mezcla.

Sustancias puras. Puede ser un elemento o compuesto y cualquier parte de ella posee caracteristicas similares, definidas y constantes, podriamos decir que una sustancia es pura cuando se encuentra compuesta en su totalidad por ella misma y no contine cantidades de otras sustancias, ejemplo la sacarosa, el agua, el oro, etc.

Un químico sueco, discípulo de Dalton, Berzelius, J. (1828)  realizó mediciones cuantitativas muy precisas de las sustancias químicas, asegurándose de su pureza. A partir de esto, en 1828 recopiló una tabla de pesos atómicos relativos, donde al oxígeno se le asignaba el 100 e incluía todos los elementos conocidos en la época.

Existen tanto elementos como compuestos puros.

Elementos. Es una sustancia pura imposible de descomponer mediante métodos quimicos ordinarios, en dos  o más sustancias por ejemplo: el hidrogeno (H) , el oxigeno (O) y el cobre (Cu)

Compuestos. Sustancia pura posible de descomponer, mediante métodos químicos ordinarios, en dos o más sustancia. Ejemplo:  agua (H2O), sal (NaCl), acido sulfurico (H2SO4).

Mezcla. Está formada por dos o más sustancias puras, cada una mantiene su indentidad y propiedades específicas.

Mezcla homogénea. Está formada por dos o más sustancias puras, no se pueden distinguir las fases que la forman, por ejemplo, un refresco, solucion salina, etc.

Mezcla heterogénea. No esuniforme en su composición ni en sus propiedades. Consta de dos o más porciones o fases fisicamente distintas. Se pueden distinguir a simple vista, por ejemplo, el agua con aceite, agua y arena, etc.

Gracias a la identificación de mezclas es que se han logrado avences en la quemicoa, como el descubrimiento de varias sustancias, un ejemplo de ello es Hennig Brandt:

El alquimista alemán Brandt, H. (1669) descubrió el fósforo a partir de la orina. Para lograrlo destiló una mezcla de orina y arena, que dejaba como producto un material blanco que brillaba en la oscuridad y ardía como una llama brillante. El médico y químico alemán Georg Ernest Stahl formuló la la combustión. Stahl suponía que toda sustancia susceptible proceso de combustión consistiría básicamente en la pérdida de dicha sustancia. En 1771, el inglés Joseph Priestley aísla un gas que hace arder con más fuerza la llama de una vela, el oxígeno. Este descubrimiento lo comunicó al químico francés Antoine Lavoisier, del oxígeno en la combustión.

Separación de los componentes de las mezclas.

Separación de los componentes de las mezclas. Los componentes de una mezcla se separan teniendo en cuenta varias de sus propiedades físicas, tales como el estado de agregación, la solubilidad en agua o en otro disolvente y la temperatura de ebullición.

Para la separación de los componentes de las mezclas se llevan a cabo una o más operaciones, tanto en el laboratorio como en la industria y el hogar.

Operaciones para separar los componentes de una mezcla

A veces es necesario hacer solo una de las operaciones mencionadas para separar las sustancias que constituyen una mezcla. Pero en la mayoría de los casos hay que realizar dos o más de estas e incluso hasta añadir una sustancia, generalmente un líquido. Otras operaciones en la industria son más complejas pero se basan en el mismo principio. Si se conocen los componentes de una mezcla y sus propiedades se puede formular una predicción sobre cómo separarlos y después comprobarla en la práctica.

Decantación

La decantación se realiza para separar el componente líquido de una mezcla de otro (sólido o líquido) prácticamente insoluble en aquel y que transcurrido un tiempo relativamente breve se deposita en el fondo del recipiente.

La arena y el agua que forman una mezcla pueden separarse por decantación, pues la arena es prácticamente insoluble en agua y sedimenta en el fondo del recipiente después de un tiempo breve.

Los líquidos no miscibles (prácticamente insolubles) entre sí, que constituyen una mezcla, como ocurre con la gasolina y el agua, también se separan por decantación. Esta mezcla se vierte en un embudo de separación y se deja reposar hasta que se observe claramente la separación entre los dos líquidos (interfase). Después se decanta el de abajo, mientras el otro queda en el embudo. En este ejemplo el agua constituye la capa inferior.

La decantación también se puede hacer por succión. En este caso, el líquido se extrae con un gotero o con una bomba de succión, en dependencia del volumen de líquido contenido en la mezcla.

En una de las fases de la producción industrial de azúcar o sacarosa, el jugo de la caña o guarapo es separado por decantación de la cachaza y de impurezas sólidas como las arcillas y las arenas.

Filtración

La filtración se realiza para separar el componente líquido de una mezcla, de otro sólido prácticamente insoluble en el líquido y cuyas partículas flotan en su superficie o se mantienen en suspensión durante un tiempo relativamente prolongado.

Los componentes de las mezclas de aserrín y agua, así como de tiza en polvo y agua pueden separarse por filtración. Ambos sólidos son prácticamente insolubles en este disolvente. Además, el aserrín flota en la superficie del agua, mientras que la tiza en polvo, luego de mantenerse un tiempo en suspensión, se deposita en el fondo del recipiente.

En el laboratorio generalmente se utiliza un papel de filtro para filtrar. Durante la filtración el líquido que atraviesa el filtro se denomina filtrado y el sólido que queda retenido en dicho filtro se nombra residuo.

En los centrales azucareros, el guarapo que se extrae de la caña de azúcar se separa de diferentes sólidos en suspensión, entre los que se encuentra el bagacillo, fundamentalmente por filtración. También un gran volumen de jugo contenido en la cachaza se recupera mediante la filtración. Además, en el proceso de refinación del azúcar crudo se añade agua caliente a las cachazas formadas en las refinerías y después se decanta o se filtra para recuperar la mayor parte de la sacarosa que aún puede contener (recobrado).

En los procesos industriales se emplean como filtros tejidos de paño, lana de vidrio, algodón, grava o arena, tela metálica o lona, entre otros.

Uso de la decantación y la filtración en el tratamiento del agua

La decantación y la filtración del agua se llevan a cabo en los acueductos, para potabilizarlas. Así, el agua se bombea de la fuente de abastecimiento a un lugar donde ocurre la sedimentación de numerosas impurezas sólidas, las cuales se separarán por decantación de este disolvente. Pero como el agua aún contiene impurezas sólidas en su superficie o en suspensión, se eliminan filtrándolas a través de una capa de arena en otra sección. Al filtrado se le adiciona dicloro y otras sustancias que destruyen las bacterias y los gérmenes patógenos. Entonces se almacena en otra zona, lista para su distribución a la población.

La decantación y la filtración consisten en trasvasar un líquido a un recipiente, para separarlo de uno o más componentes (sólidos o líquidos) de la mezcla.

Vaporización

La vaporización se realiza para separar uno o más componentes sólidos, generalmente disueltos, del componente líquido de una mezcla, y se basa en las diferentes temperaturas de ebullición de las sustancias que constituyen la mezcla. En otras palabras, la vaporización consiste en el paso de un líquido al estado gaseoso para separarlo de uno o más componentes sólidos de la mezcla.

Esta operación se efectúa, básicamente, para separar los componentes de una disolución, siempre y cuando se desee recoger el soluto y este no se descomponga en otras sustancias a la temperatura empleada. Por ejemplo, si se vaporiza el agua de mar se recogen las sustancias sólidas disueltas en ella.

La vaporización de un líquido puede realizarse a temperatura ambiente o con calentamiento. En el último caso a veces la mezcla se calienta hasta ebullición para separar el sólido del liquido (vaporización por ebullición).

Si la vaporización solo ocurre en la superficie del líquido a la temperatura ambiente se denomina evaporación, como ocurre en el mar, los ríos, las presas, los charcos, etcétera.

En el laboratorio se emplea con frecuencia una cápsula de porcelana para vaporizar por calentamiento. Si se desea que la vaporización ocurra a temperatura ambiente, entonces por lo general se utiliza una cristalizadora. También la vaporización se utiliza a menudo para secar sólidos humedecidos.

Destilación simple

La destilación se realiza, por lo general, para separar el componente o los componentes líquidos de una mezcla en la que hay una o más sustancias disueltas (sólidas o liquidas) y se basa en las diferentes temperaturas de ebullición de las sustancias que constituyen la mezcla.

La destilación se efectúa, en muchas ocasiones, para separar los componentes de una disolución, fundamentalmente cuando se desea recoger el disolvente o varios líquidos de la mezcla. Por ejemplo, si se destila el agua del acueducto se recoge agua de elevada pureza, conocida como agua destilada. Esta destilación es muy sencilla, por lo que se nombra destilación simple.

En resumen, la destilación consiste en vaporizar, por calentamiento, uno o más componentes líquidos de una mezcla, para después condensar esos vapores y recoger los líquidos a diferentes temperaturas de ebullición. Por tanto, durante la destilación ocurren dos cambios de estado de agregación: primero la vaporización del líquido y después la condensación del vapor.

Pérez Álvarez, F y Valera Núñez M.A. (2009). Ciencias Naturales para Secundaria Básica: Octavo grado: Proyecto de contenido.

Métodos de purificación

Uno de los principales problemas que se presentan en la industria es la obtención de productos con alto grado de pureza, para lo cual se emplean diferentes métodos de purificación de sustancias con el fin de separar, del producto deseado, todos los subproductos o sustancias residuales de la reacción.
Aunque actualmente existe un gran número de métodos de purificación, cabe señalar que el método a utilizar debe reunir principalmente tres requisitos: rendimiento alto, costo bajo y simplicidad del proceso. Los métodos de separación más empleados en la industria son la cristalización fraccionada, la decantación, la filtración, la adsorción y la destilación.

Velzquez, A. (2015)