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TECSUP - PFR Química

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UNIDAD II

SSEEPPAARRAACCIIÓÓNN DDEE MMEEZZCCLLAASS 1. MEZCLAS

Una mezcla es una materia formada al juntar dos o más sustancias sin que suceda una reacción que cambie químicamente sus componentes. Aunque no hay cambios químicos en una mezcla, algunas propiedades tales como su punto de fusión, pueden ser diferentes a las de sus componentes. Las mezclas pueden separarse en sus componentes originales por medios físicos (mecánicos). Además, éstas se clasifican en homogéneas y heterogéneas.

Figura 1. Tipos de mezclas

2. SOLUCIÓN O DISOLUCIÓN

Figura 2. Soluciones

Es una mezcla homogénea, la cual a nivel molecular o iónico de dos o más especies químicas no reaccionan entre sí; cuyos componentes se encuentran en proporción que varía entre ciertos límites. Toda disolución está formada por un soluto y un medio dispersante denominado solvente o disolvente. También se define solvente cómo la sustancia que existe en mayor cantidad que el soluto en la disolución y en la cual se disuelve el

MEZCLAS

HOMOGENEAS HETEROGENEAS

SOLUCIONES

SUSPENSIÓN DISPERSIÓN

COLOIDAL

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soluto. Si ambos, soluto y disolvente, existen en igual cantidad (como un 50% de etanol y 50% de agua en una disolución), la sustancia que es más frecuentemente utilizada como disolvente es la que se designa como tal (en este caso, el agua). Una disolución puede estar formada por uno o más solutos y uno o más disolventes. Una disolución será una mezcla en la misma proporción en cualquier cantidad que tomemos (por pequeña que sea la gota), y no se podrán separar por centrifugación ni filtración.

Figura 3. Tipos de soluciones

3. CLASIFICACIÓN DE LAS SOLUCIONES

3.1 SEGÚN EL ESTADO FÍSICO DEL SOLVENTE, LAS SOLUCIONES PUEDEN SER SÓLIDAS, LÍQUIDAS Y GASEOSAS.

I. Solución Líquida: cuando el solvente es líquido pero el soluto puede ser:

a. Sólido en líquido: cloruro de sodio en agua. b. Líquido en líquido: alcohol en agua. c. Gas en líquido: CO2 en agua.

II. Solución Sólida: cuando el solvente es sólido pero el soluto puede ser:

a. Sólido en sólido: aleaciones b. Líquido en sólido: amalgamas c. Gas en sólido: hidrógeno en paladio

III. Solución gaseosa: cuando el solvente es gaseoso pero el soluto puede

ser: a. Sólido en Gas: polvo en el aire b. Líquido en Gas: vapor de agua en aire c. Gas en Gas: aire

Soluciones: Mezclas homogéneas de

dos sustancias.

SOLUTO SOLVENTE

(Según el estado físico

del solvente)

SÓLIDA

LÍQUIDA

GASEOSA


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ALEACIONES

Son mezclas sólida homogénea de dos o más metales, o de uno o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación cero), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes se fundan.

Ejemplo de aleaciones:

Acero: aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%.

Alnico: aleación formada principalmente de cobalto, aluminio y níquel, aunque también puede contener hierro, cobre y en ocasiones titanio. Su uso principal es en aplicaciones magnéticas.

Alpaca: es una aleación ternaria compuesta por zinc (8 a 45 por ciento), cobre (45 a 70 por ciento) y níquel (8 a 20 por ciento), con un color y brillo parecido al de la plata.

Bronce: es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su base y el segundo aparece en una proporción de entre el 3 y el 20%.

Nicrom: aleación de níquel, cromo y hierro. Con éste material se pueden hacer cables que disipan una gran cantidad de calor, proceso que es aprovechado, por ejemplo, por las tostadoras

Oro blanco: aleación de oro y algún otro metal blanco, como la plata, el platino, paladio, o níquel, muchas veces recubierta de rodio de alto brillo (acabado espejo), debido al brillo ligeramente apagado del metal resultante en algunas mezclas.

Latón: es una aleación de cobre y zinc. Las proporciones de Cobre y Cinc se pueden variar para crear un rango de latones con propiedades variables.

AMALGAMAS Mezcla de mercurio con otros metales, como plata, estaño, cobre, zinc u oro.

3.2 SEGÚN SU CONCENTRACIÓN

Disolución diluida: Es aquella en donde la cantidad de soluto que

interviene está en mínima proporción en un volumen determinado. Disolución concentrada: Tiene una cantidad considerable de soluto

en un volumen determinado. Disolución saturada: Tienen la mayor cantidad posible de soluto para

una temperatura y presión dadas. En ellas existe un equilibrio entre el soluto y el solvente.


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Disolución sobresaturada: es la solución en la cual no es posible disolver más soluto.

4. VARIABLES IMPORTANTES DE LAS SUSTANCIAS

4.1 TEMPERATURA

La temperatura es una magnitud física; es la medida del calor contenido por un cuerpo expresado generalmente en unidades arbitrarias denominadas grados. La temperatura y el calor son conceptos distintos pero relacionados. El termómetro es el instrumento con el que se mide la temperatura, ésta temperatura se puede expresar en grados Celsius (ºC), grados Fahrenheit (ºF), o en el sistema internacional usando los grados Kelvin (°K), la escala Kelvin es una escala absoluta (no existen temperaturas negativas).

Figura 4. Termómetros

Para la conversión de unidades de una escala a otra se utilizan las siguientes equivalencias:

ºC = (ºF – 32)/1.8

ºF = (ºC x 1.8) + 32

Los termómetros mostrados son de mercurio muy usados en el laboratorio, el tipo Beckmann que se utiliza para determinar pequeñas diferencias de temperatura y los de alcohol coloreado que también se utilizan para medir temperaturas debajo de 70ºC.


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°K = °C + 273,15 Todas las sustancias químicas que se encuentran en estado líquido tienen una propiedad física importante, el punto de ebullición, es decir la temperatura en que se produce el cambio de estado de líquido a gaseoso. Por ejemplo, el agua pura al nivel del mar donde la presión es 1 atm, tiene un punto de ebullición de 100 ºC y el etanol de 73 ºC.

4.2 DENSIDAD

De la manera más simple, densidad viene a ser la relación entre masa y volumen; no obstante, en la vida diaria representa más que eso ya que puede ser usada por ejemplo para la elección de medios de transporte de carga, estimación de costos, determinaciones científicas, etc. Si nos preguntáramos por ejemplo ¿que pesa más?, ¿un kilo de agua o un kilo de plomo? la respuesta correcta sería: lo mismo. Lo que sí es cierto es que el plomo contendrá mayor cantidad de materia en un pequeño volumen (más denso), y el agua requerirá más volumen (1 litro) para la misma cantidad de materia (menos densa); en conclusión estas dos sustancias poseen densidades distintas. La unidad en que se suele expresar la densidad más frecuentemente es en g/cm3 ó lo que es lo mismo g/ml

(letra griega Rho) = m/V; donde m es la masa (g)

V es el volumen Y, es la densidad (g/ml)

Figura 5. La densidad

Una forma de medir el volumen de un cuerpo sólido es introduciéndolo en una probeta graduada y midiendo la cantidad de líquido desalojado, el cual será exactamente el volumen de dicho cuerpo. Si este cuerpo tuviera una densidad conocida, por ejemplo si

En la izquierda se observa una probeta graduada para determinar el volumen de un cuerpo; y en la derecha está un densímetro para medir directamente la

densidad de un líquido.


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fuera cobre podríamos compararlo y determinar su pureza; lo mismo puede hacerse con líquidos de densidades conocidas. Otra forma de determinar la densidad de un líquido es usando un densímetro o hidrómetro, este dispositivo permite medir directamente la densidad en base a su flotación relativa en base a una carga determinada tomada como referencia. En la tabla 1 se muestran una serie de sustancias y sus respectivas densidades en diferentes unidades.

Tabla 1. Densidad de sustancias

4.3 SOLUBILIDAD

Imagine por un instante la disolución de sal común (soluto) en agua (solvente) a temperatura ambiente. En un inicio la sal al tomar contacto con el agua de disocia en sus dos iones (Na+ y Cl-), mientras revolvemos la solución los iones Na+ y Cl- se disocian por el agua a gran velocidad y continúan haciéndolo hasta que en ocasiones chocan con sal sólida (aun no disuelta) y vuelven a cristalizar, estos “choques” ocasionales son constantes en un inicio hasta ser nulos cuando ya no hay más sal sólida por disolver o mientras haya espacio en el agua para contener más iones; en esta situación la solución puede estar diluida o concentrada según sea el caso y se denomina solución no saturada. El escenario siguiente seria cuando la velocidad con la que los iones se disocian en el agua casi es la misma que la frecuencia de las colisiones con el sólido debido a que se ha adicionado mas sal a la solución hasta un punto tal que tanto la velocidad de la disociación como la velocidad a la que colisionan iones con sólido (cristalización) es la misma; en este caso hablamos de un equilibrio, esto significa que el soluto disuelto esta en equilibrio con el soluto en exceso no disuelto, entonces hablamos de una solución saturada, todo esto a una temperatura determinada.

Sustancia Densidad en kg/m3 Densidad en g/cm3

Agua 1000 1

Aceite 920 0,92

Gasolina 680 0,68

Plomo 11300 11,3

Acero 7800 7,8

Mercurio 13600 13,6

Madera 900 0,9

Aire 1,3 0,0013

Butano 2,6 0,026

Dióxido de carbono 1,8 0,018


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La temperatura posee un efecto directo importante sobre la solubilidad de las sustancias ya que altera el equilibrio alcanzado en las soluciones. Como referencia, las sustancias de naturaleza iónica (como la sal común) incrementan su solubilidad a mayor temperatura (95% de los casos). Por otra parte la precipitación de una sal expresa que se sobrepasó el grado de solubilidad en el agua. En la figura 3 la mayoría de sales muestra solubilidad directa: a mayor temperatura se disuelve más sal, por ejemplo el KCl a 20ºC : 20 gramos, pero a 40ºC se disuelven más de 50 gramos y a 60ºC se disuelve más de 100 gramos por cada 100 gramos de agua. En cambio, hay sales que a mayor temperatura su solubilidad disminuye, este fenómeno se llama solubilidad inversa, es el caso del sulfato de sodio (Na2SO4), al aumentar la temperatura disminuye su solubilidad: a 60ºC es de 50 gramos y a 80ºC la solubilidad disminuye a 45 gramos. Del juego de curvas mostrado, la correspondiente al Nitrato de Potasio (KNO3) es la que muestra una mayor variación de solubilidad con la temperatura.

Figura 6. GRÁFICO DE SOLUBILIDAD DE DIVERSAS SALES DISUELTAS EN AGUA A DIVERSAS TEMPERATURAS

.


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5. TÉCNICAS USUALES DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

5.1 FILTRACIÓN

Es un proceso físico de separación de sólidos que se encuentran suspendidos en líquido al pasar a través de un medio filtrante poroso. Se fundamenta en la diferencia de tamaños de partícula. La técnica consiste en vaciar el líquido en un embudo, el cual está provisto de un papel de filtro que puede tener diversos tamaños de poros dependiendo del tipo de sustancia a separar, la finalidad de este medio poroso es el de retener las partículas sólidas, permitiendo solo el paso de líquido. Las aplicaciones industriales de esta técnica comprenden un amplio espectro, por ejemplo, para la separación del mosto cervecero del afrecho (residuos sólidos); para eliminación de agua en los concentrados minerales, el pre tratamiento del agua potable, etc.

Figura 7. Filtración

5.2 CRISTALIZACIÓN

La cristalización es una técnica utilizada para la purificación de sustancias sólidas (capaces de ser disueltas en solventes convencionales), basada en la mayor solubilidad que suelen presentar los sólidos en un disolvente caliente que en un disolvente frío. El método más frecuente para realizar esta operación es preparando una disolución saturada en caliente que contiene el sólido a purificar (el cual contiene impurezas), utilizando un disolvente adecuado; luego se procede a filtrar (aun caliente) para eliminar las impurezas insolubles que se hallen presentes; posteriormente se deja enfriar la solución y aparecerá poco a poco la sustancia que estaba disuelta, cristalizada y en un mayor estado de pureza. El tamaño de los cristales obtenidos dependerá de la velocidad de cristalización, cuando más lento se enfríe la solución, mas grandes serán los cristales.

En la figura 7, se observa la operación de filtración que se realiza en el laboratorio.


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5.3 DESTILACIÓN

Es la separación de los líquidos que conforman una mezcla homogénea o solución, mediante el aprovechamiento de la diferencia que existe en sus puntos de ebullición y por ende en la volatilidad. Por ejemplo el agua y el alcohol tienen temperaturas de ebullición de 100°C y 78°C respectivamente; esta diferencia de temperatura permitirá separar ambas sustancias, siendo el primero en separarse el alcohol si se calienta la solución; este método es el que se usa por ejemplo para la destilación de bebidas espirituosas como el pisco. Si la diferencia entre los puntos de ebullición es alta, basta con una sola destilación, y a esta operación se le denomina destilación simple. La destilación es un proceso que se divide en dos etapas: 7. Ebullición del líquido que pasa al estado vapor 7. Condensación del líquido, que se recoge posteriormente en un

recipiente distinto.

Figura 8. Destilación

Si la diferencia de temperaturas de ebullición es pequeña, la operación tiene que repetirse y la operación ahora se conoce como destilación fraccionada. Es lo que ocurre por ejemplo, con el petróleo. La figura muestra un alambique, que es un destilador que se emplea en la industria del pisco, para separar el alcohol de la uva fermentada.


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5.4 CENTRIFUGACIÓN

Es la operación por la cual se separan los cuerpos suspendidos en un líquido por medio de una fuerza llamada centrífuga la cual los somete a grandes velocidades, favorece su asentamiento, y por ende su separación. El equipo que se utiliza para realizar esta operación se llama centrífuga y para operarla hay que equilibrar las masas, es decir los tubos que se cargan dentro de ella deben equilibrarse en peso.

Figura 9. La centrífuga

5.5 EXTRACCIÓN

Esta técnica de separación se basa en las diferentes afinidades de los componentes de las mezclas en dos solventes distintos y no solubles entre sí. Es una técnica muy útil para aislar cada sustancia de sus fuentes naturales o de una mezcla de reacción. La técnica de extracción simple es la más común y utiliza un embudo especial llamado embudo de decantación. La separación física de las fases es la Decantación, al abrir la llave del embudo de decantación. La forma más sencilla de realizar una extracción consiste en la utilización de un embudo de decantación o separación, en el cual se le añade a la mezcla a separar un líquido extractor, se agitan y se dejan separar ambas capas (fases). Los distintos solutos presentes se distribuyen entre las fases acuosas y orgánicas, de acuerdo con sus solubilidades relativas. De esta manera, las sales inorgánicas, prácticamente insolubles en los disolventes orgánicos más comunes, permanecerán en la fase acuosa, mientras que los compuestos orgánicos insolubles en agua, se encontrarán en la fase orgánica. En la práctica es muy utilizada para separar compuestos orgánicos de las soluciones o suspensiones acuosas en las que se encuentran.


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Figura 10. Embudo de separación

En la figura 10, se muestra una solución acuosa de yodo, se puede separar utilizando un solvente, el tetracloruro de carbono (CCl4) que al usarse en el embudo de separación, el yodo es retenido por la sustancia orgánica y pueden ser separadas ambas fases.

6. EJERCICIOS DE APLICACIÓN

1. Un puñado de arena pesa 208 gramos y desplaza un volumen de 80.0 ml

¿Cuál es su densidad?

Solución:

Por definición la densidad de un cuerpo relaciona las siguientes variables: La masa, m y el volumen V.

= m/V = 208 g/80 ml = 2.60 g/ml

= 2.60 g/ml

2. Una piedra pómez es una roca volcánica que contiene muchas burbujas de aire atrapadas en su interior. Se encuentra que una muestra de 155 gramos tiene un volumen de 163 ml. ¿Cuál es la densidad de la piedra pómez? ¿Cuál es el volumen de una muestra de 4.56 kg.? ¿Flotará o se hundirá en el agua? ¿En alcohol etílico?

Alcohol = 0.79 g/ml

Agua = 1.00 g/ml Solución:

La densidad de la piedra lo obtenemos, relacionando las variables:

= 155 g/163 ml = 0.95 g/ml


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El volumen = 4 560 g / 0.95 g/ml = 4 800 ml

Comparando con la densidad del agua (1 gr/ml.) diríamos que flotará en el agua y con respecto al alcohol la piedra pómez se hundirá.

3. El nitrógeno líquido se puede emplear para la congelación rápida de alimentos. El líquido hierve a -196 ºC ¿Cuál es el equivalente de esta temperatura en grados Fahrenheit?

Solución: Para realizar la conversión de ºC a ºF usamos la siguiente relación:

ºF = (ºC x 1.8) + 32 = 1.8 x (-196) + 32 = -352.8 + 32 = - 320.8 ºF

4. ¿A qué temperatura los ºC son iguales a los ºF?

Solución: Si las expresiones de conversión son: ºF = (1.8 x ºC) + 32 ºC = (ºF - 32)/1.8 Para que ocurra que ºF = ºC, igualamos las ecuaciones de conversión y expresamos en función de cualquiera de las temperaturas.

(1.8 x ºC) + 32 = (ºC - 32)/1.8

1.8 (1.8 x ºC) + 32 = ºC -32

3.24 ºC + 57.6 = ºC - 32

2.24 ºC = -89.6

ºC = -40

Significa que las temperaturas son iguales a

- 40ºC = - 40ºF


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7. EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Considere las separaciones siguientes. Establezca si cada separación comprende un proceso físico o una reacción química.

a) El cloruro de sodio se obtiene del agua de mar por evaporación del

agua.

b) El mercurio de obtiene por el calentamiento del óxido de mercurio; también se obtiene oxígeno.

c) El hierro es producido a partir de una mena de hierro que contiene óxido

de hierro.

d) El oro se obtiene de una arena aurífera utilizando un plato metálico.

e) El sodio metálico se obtiene a partir del cloruro de sodio.

f) Las limaduras de hierro se separan de la arena usando un imán.

g) Se separa cristales de azúcar de un jarabe por evaporación del agua.

h) Se obtiene cobre cuando de una solución de sulfato de cobre cuando se agrega chatarra de hierro.

2. El metal galio puede fundirse con el calor de la mano. Su punto de fusión es

29.8ºC ¿Cuál es su temperatura de fusión en grados Fahrenheit y en grados Kelvin?

3. Cierta muestra de Galena (mineral de sulfuro de plomo) pesa 12.4 g y tiene

un volumen de 1.64 cm3 ¿Cuál es la densidad de la Galena?

4. Un líquido encontrado en un vaso de precipitación tiene un volumen de 10.7 ml y una masa de 9.42 g. El líquido encontrado puede ser octano, etanol o benceno ya que son los más usados en la zona; por información de tablas se encuentran que las densidades de estos son 0.702 g/cm3, 0.789 g/cm3 y 0.879 g/cm3, respectivamente ¿es posible identificar al líquido?, en todo caso ¿de qué líquido se trata?

5. El metal zinc puede purificarse por destilación (transformando el metal

líquido a vapor, luego condensando el vapor otra vez a líquido). El metal hierve a presión atmosférica normal a 1666 ºF ¿Cuál es la temperatura en grados Celsius?

6. Un vinagre contiene ácido acético (cerca del 5% por masa). El ácido acético

puro tiene un fuerte olor a vinagre y es corrosivo para la piel. ¿Qué volumen de ácido acético puro tiene una masa de 35.00 gramos?. La densidad del ácido acético es 1.053 g/ml.


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7. La densidad del cuarzo mineral se determinó adicionando una pieza debidamente pesada a una probeta graduada que contiene 51.2 ml. de agua. Después de sumergido el cuarzo, el nivel del agua fue de 65.7 ml. El peso de la pieza fue de 38.4 g. ¿Cuál es la densidad del cuarzo?

8. Un fragmento de hematita (mineral de hierro) que pesa 70.7 g fue puesto

en un matraz cuyo volumen fue de 53.2 ml. El matraz con hematita fue llenado cuidadosamente con agua y pesado. La hematita y el agua pesaron 109.3 g. La densidad del agua fue de 0.997 g/cm3. ¿Cuál es la densidad de la hematita?

9. Un sólido flotará sobre un líquido más denso que aquel. El volumen de

una pieza de calcita que pesa 35.6 g es 12.9 cm3. ¿En cuál de los siguientes líquidos flotará: tetracloruro de carbono (densidad =1.60 g/cm3), bromuro de metileno (densidad = 2.50 g/cm3), tetrabromoetano (densidad = 2.96 g/cm3), o ioduro de metileno (3.33 g/cm3)?

10. En el método de flotación para determinar a densidad, el peso de un objeto

en el aire se compara con su peso en el líquido. El peso es menor en el líquido porque el peso del líquido desplazado actúa como una fuerza que empuja el objeto hacia arriba. Los geólogos en el campo usan aceite mineral (densidad = 1,75 g/cm3) para determinar la densidad de muestras minerales. Una muestra de galena pesa 24.61 g en el aire y 18,83 g en el aceite. ¿Cuál es la densidad de la galena?

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