Separación de componentes de una solución

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.

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.

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 de 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.

Evaporación

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

Cristalización

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 (Por ejemplo: por evaporación) 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.

La Solubilidad. 

Es una medida de la capacidad de disolverse una determinada sustancia (soluto) en un determinado medio (solvente); implícitamente se corresponde con la máxima cantidad de soluto disuelto en una dada cantidad de solvente a una temperatura fija y en dicho caso se establece que la solución está saturada. Su concentración puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o también en porcentaje de soluto (m(g)/100 ml) . El método preferido para hacer que el soluto se disuelva en esta clase de soluciones es calentar la muestra y enfriar hasta temperatura ambiente (normalmente 25°C). En algunas condiciones la solubilidad se puede sobrepasar de ese máximo y pasan a  ser soluciones sobresaturadas.

No todas las sustancias se disuelven en un mismo solvente. Por ejemplo, en el agua, se disuelve el alcohol y la sal, en tanto que el aceite y la gasolina no se disuelven. 

El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema.

Fases y componentes

 

Fase de un sistema material es una porción de materia que posee idénticas propiedades, tanto físicas como químicas, en toda su extensión.

Los componentes de un sistema material son las sustancias que componen dichos sistemas.

Sistemas homogéneos Las propiedades intensivas son iguales en todas sus partes. Cualquier fracción de ella que se considere tiene el mismo punto de fusión, densidad, índice de refracción, etcétera. Están constituidos por una sola fase, aunque pueden estar formadas por una o más sustancias (componentes). Ejemplos: agua destilada, azúcar, aceite, sal de mesa, agua de mar filtrada, nafta, etcétera.

Sistemas heterogéneos Las propiedades intensivas son diferentes según la porción que se examine. Están formados por lo menos por dos fases. La superficie de separación entre las fases (interfase) es evidente y bien definida. Ej: agua y aceite, hielo y agua Cada fase, si es separada de las demás, forma un sistema homogéneo.

Soluciones: Saturadas; no saturadas; sobresaturadas

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 estabilizarse, mientras que una solución saturada es un sistema estable.

Magnetismo y aplicaciones

Imanes naturales

La magnetita es un imán natural que, como el resto de los imanes, posee una serie de propiedades. Pulsa sobre cada botón para conocer las propiedades de los imanes: 

Los imanes son materiales capaces de atraer ciertas sustancias llamadasmagnéticas, como el hierro, acero, cobalto y níquel. En cambio, no atraen a otras sustancias como la madera, la arena o el oro.

1.- Magnetismo

Existe en la naturaleza un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales. Esta propiedad recibe el nombre de magnetismo.
Los imanes:Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. Podemos decir que un imánpermanente es aquel que conserva el magnetismo después de haber sido imantado. Un imántemporal no conserva su magnetismo tras haber sido imantado. Polos magnéticos En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos. Estos polos se denominan norte y sur, debido a que tienden a orientarse según los polos geográficos de la Tierra, que es un gigantesco imán natural.  Líneas de campo magnético La región del espacio donde se pone de manifiesto la acción de un imán se llama campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur, por fuera del imán y en sentido contrario en el interior de éste; se representa con la letra B.
Desde hace tiempo es conocido que una corriente eléctrica genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas debidas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán o dipolo. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente y el material no presenta propiedades magnéticas; en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán y en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado. Magnetismo inducido  Imantar un material es ordenar sus imanes atómicos. En la figura derecha se observa en primer lugar un material sin imantar y debajo un material imantado.
El magnetismo es producido por imanes naturales o artificiales. Además de su capacidad de atraer metales, tienen la propiedad de polaridad. Los imanes tienen dos polos magnéticos diferentes llamados Norte o Sur. Si enfrentamos los polos Sur de dos imanes estos se repelen, y si enfrentamos el polo sur de uno, con el polo norte de otro se atraen. Otra particularidad es que si los imanes se parten por la mitad, cada una de las partes tendrá los dos polos. Cuando se pasa una piedra imán por un pedazo de hierro, éste adquiere a su vez la capacidad de atraer otros pedazos de hierro. La atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos.
Campo magnético:Se denomina campo magnético a la región del espacio en la que se manifiesta la acción de un imán. Un campo magnético se representa mediante líneas de campo.
Un imán atrae pequeños trozos de limadura de hierro, níquel y cobalto, o sustancias compuestas a partir de estos metales (ferromagnéticos).La imantación se transmite a distancia y por contacto directo. La región del espacio que rodea a un imán y en la que se manifiesta las fuerzas magnéticas se llama campo magnético. Las líneas del campo magnético revelan la forma del campo. Las líneas de campo magnético emergen de un polo, rodean el imán y penetran por el otro polo. Fuera del imán, el campo esta dirigido del polo norte al polo sur. La intensidad del campo es mayor donde están mas juntas las líneas (la intensidad es máxima en los polos). El magnetismo esta muy relacionado con la electricidad. Una carga eléctrica esta rodeada de un campo eléctrico, y si se esta moviendo, también de un campo magnético. Esto se debe a las “distorsiones” que sufre el campo eléctrico al moverse la partícula. El campo eléctrico es una consecuencia relativista del campo magnético. El movimiento de la carga produce un campo magnético. En un imán de barra común, que al parecer esta inmóvil, esta compuesto de átomos cuyos electrones se encuentran en movimiento (girando sobre su orbita. Esta carga en movimiento constituye una minúscula corriente que produce un campo magnético. Todos los electrones en rotación son imanes diminutos. UNA CARGA EN MOVIMIENTO PRODUCE UN CAMPO MAGNÉTICO Brújula La brújula señala al norte magnético de la tierra, que no coincide con el norte geográfico, como había explicado antes los polos opuestos se atraen y los iguales se repelen, en el norte geográfico de la tierra se encuentra el polo sur magnéticamente hablando por lo que su opuesto (el norte en este caso) apunta lo contrario en una brújula La tierra es un imán. Campo magnético terrestre. Navegación Polos geográficos y magnéticos.  Campo terrestre  Electroiman La función de un electroimán, es justamente, lo que señala su nombre. Un electroimán, es un imán, que funciona como tal en la medida que pase corriente por su bobina. Dejan de magnetizar, al momento en que se corta la corriente. Un electroimán, es compuesto en su interior, por un núcleo de hierro. Núcleo al cual, se le ha incorporado un hilo conductor, recubierto de material aislante, tal como la seda o el barniz. Hilo que tiene que ir enrollado en el núcleo, para que el electroimán funcione. Otra manera de hacer funcionar un electroimán, es de la manera contraria. Cesando el paso de la corriente, por su núcleo. Esto sucede, cuando un electroimán, cuenta con un núcleo de acero. Con lo cual, queda funcionando al igual, que un imán corriente.

Motores eléctricos: es una máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles, es decir, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores.

CALOR Y TEMPERATURA

El cuerpo humano: su calor y su temperatura

Las experiencias sobre calor y temperatura más próxima a nosotros son aquellas que tienen lugar en nuestro propio cuerpo.

Todos sabemos que el organismo humano debe mantener su temperatura constante en torno a los 37ºC, para que de esta forma nuestros órganos puedan funcionar con normalidad. De hecho, casi el 80% de la energía que obtenemos de los alimentos que consumimos y del oxígeno que respiramos se invierte en mantener constante esa temperatura y solo el 20% restante se emplea en realizar las diversas actividades que ejercemos.

Cuando en los días fríos, disminuye la temperatura de los miembros más periféricos de nuestro cuerpo (las extremidades), nuestros centros vitales (corazón, pulmones, cerebro, etc.) siguen manteniendo la temperatura inalterable.

Temperatura

En la vida diaria usamos muy a menudo dos palabras cuyo significado suele confundirse: calor y temperatura. Aunque íntimamente ligados, son dos conceptos diferentes. ¿Cuál es la diferencia? Para explicarla hagamos la siguiente comparación: si en un recipiente echamos agua, ésta alcanzará un cierto nivel. Si se echa más agua, el nivel sube, pero nadie confundirá la cantidad de agua con el nivel del agua.

Una diferencia semejante hay entre cantidad de calor y temperatura o “nivel calórico”. Al calentar agua en un recipiente, se le entrega una cierta cantidad de calor,  y la temperatura, o “nivel” de calor, sube, como sube el nivel del agua cuando se echa más en el recipiente.

Más todavía;  dos cuerpos pueden tener la misma temperatura y distintas cantidades de calor.

Si hacemos hervir agua en los dos recipientes como lo muestra la figura anterior, la temperatura alcanzada es la misma para los dos, 100ºC, pero el que tiene más agua tiene mayor cantidad de calor.

También podemos comprobar esta diferencia con la siguiente experiencia:

Calienta con la misma hornalla y durante el mismo tiempo dos cantidades diferentes de agua o de cualquier otra sustancia que inicialmente se encuentren a la misma temperatura. Al hacerlo se comprobará un aumento de temperatura mayor para la cantidad más pequeña de agua, que para la cantidad más grande. Es decir que habiendo recibido la misma cantidad de calor y durante el mismo tiempo hemos obtenido diferentes variaciones de temperatura.

Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas, el calor pasa del cuerpo que posee más temperatura al cuerpo que posee menos temperatura, con independencia de la masa y del tamaño de los mismos. Así, si sumergimos en agua fría un trozo de hierro al rojo vivo, se comprobará que se produce una transmisión de calor desde el hierro hacia el agua. Esta transmisión de calor cesa cuando las temperaturas de ambos cuerpos se igualan.

Debemos definir que existe una forma de energía en las moléculas que depende del “grado de calor” que posean: a esa energía la llamamos Energía cinética o energía de movimiento. Cuanto más calor reciban, se van a mover a mayor velocidad, y cuanta menos energía calórica posean, tendrán menor velocidad. (Esto proviene de la Teoría cinética molecular).

Al calor se lo considera como una energía en tránsito, significa que los cuerpos ceden y ganan calor pero no lo poseen.

Cuando un cuerpo recibe calor, aumenta la velocidad con la que se mueven dichas moléculas y este aumento será tanto mayor cuanto mayor sea la cantidad de calor recibido o menor sea el número de moléculas que forman ese cuerpo.

La temperatura es una medida de la energía cinética media de las moléculas que forman un cuerpo.

Termómetro de mercurio

Se toma un tubo de sección muy fina (tubo capilar) con una ampolla cerrada, el bulbo, en un extremo y con una abertura en el otro. Se calientan las dos extremidades y luego se introduce la extremidad abierta en una cubeta de mercurio. Éste penetra en el tubo y luego, mediante suaves golpecitos, se los hace llegar hasta el bulbo. Repitiendo la operación se consigue llenar el bulbo y el tubo. Se procede luego a cerrar el tubo con una llama, después de haber hecho hervir el mercurio, para eliminar cualquier partícula de aire.

La medida de la temperatura

Te resultará habitual la palabra grado como unidad para medir la temperatura, pero en realidad esta unidad es sólo una de las unidades que existen para medir esta magnitud.

La temperatura puede medirse según tres escalas diferentes:

v      La escala centígrada o escala Celsius:

v      La escala absoluta o escala Kelvin   

v      La escala anglosajona o escala Fahrenheit

La escala centígrada o escala Celsius fija un valor de la temperatura igual a cero en el punto de congelación del agua (0 grados centígrados, 0ºC) y un valor de la temperatura igual a cien en el punto de ebullición del agua a la presión atmosférica normal (100 grados centígrados, 100ºC) a la presión atmosférica normal: una atmósfera de presión. El intervalo entre ambas temperaturas se divide en cien partes iguales, cada una de las cuales se denomina grado centígrado o grado Celsius.

La escala absoluta o escala Kelvin fija un valor de la temperatura igual a cero en la temperatura más baja que se puede alcanzar, que corresponde al estado en que todas las moléculas que forman un cuerpo estarían en reposo y que equivale a   -273ºC (0 Kelvin, 0 K), no se pone el cero como supra índice en el grado Kelvin  y cada unidad de esta escala tiene el mismo valor que el de la escala centígrada.

Para obtener en Kelvin ( K) una temperatura que viene dada en grados centígrados (ºC), se utiliza esta ecuación:

                                               K= °C+273

 La escala anglosajona o escala Fahrenheit fija un valor de la temperatura igual a treinta y dos en el punto de fusión del agua (cuando pasa del estado sólido al liquido) (32 grados Fahrenheit, 32ºF), y un valor de la temperatura igual a doscientos doce en el punto de ebullición del agua a la presión atmosférica normal (212 grados Fahrenheit, 212ºF). El intervalo entre ambas temperaturas se divide en 180 partes iguales cada una de las cuales se denomina grado Fahrenheit.

Para obtener en grados Fahrenheit (ºF) una temperatura dada en grados centígrados (ºC) se utiliza esta ecuación: