Mezclas, Separación de QUÍM.

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Química

Bajo la denominación de m. se encuadran todos aquellos sistemas formados por dos o más componentes químicos distintos que mantienen sus propiedades independienternente del Prado de homogeneización que presente el conjunto. Los constituyentes se pueden encontrar en cualquier proporción y constituir sistemas homogéneos o heterogéneos; decir, sean dos o más los componentes, pueden presentarse en cualquier estado de agregación, sólido, líquido o gas; y, además, no existe interacción química entre ellos y es posible, en general, separarlos por medios físicos. La importancia que tienen los métodos de separación usados en Química para purificar sustancias o aislarlas de otras con las que se hallan mezcladas, tanto a efectos preparativos como analíticos, es enorme. En aplicaciones industriales, el fin último es precisamente aislar un producto de pureza definida y, en cualquier determinación analítica que se efectúe en los numerosos campos de la química experimental, el objetivo primordial es conocer la cantidad o concentración de la sustancia objeto de análisis dentro de una m. que es la muestra que se analiza.

A pesar de la diferencia de escalas entre la industria y el laboratorio, los métodos de separación se basan en ambos casos en los mismos principios. Como consecuencia de las leyes que gobiernan los equilibrios químicos, una separación no llega a ser nunca teóricamente completa, y para la mayoría de los métodos de separación se puede definir un factor de eficiencia o de recuperación(RA) = QAIíQA)0,siendo QA la cantidad del componente A antes de la separación y (QA)0 la cantidad de dicho componente en la m. después de la operación. El factor de eficiencia exigido será distinto según la finalidad que tenga la separación. Con fines analíticos las exigencias son máximas, y así, un método de separación se considera en este aspecto aceptable cuando el factor de separación no difiere de la unidad en una cantidad mayor del 0,1%, es decir, se debe cumplir que000A)o=RA ->0,999.

Los procedimientos separativos se basan en los distintos parámetros de las sustancias respecto a determinadas propiedades físicas y químicas. Por otra parte, el hecho más común a todos los métodos de separación es la existencia de dos fases. La sustancia que se pretende separar o aislar se reparte o distribuye de una manera determinada, de tal forma que la relación de concentraciones (v.) de la sustancia en las dos fases es constante y distinta para cada sustancia. El valor de esta constante se llama coeficiente de reparto, partición o distribución. Se desprende de ello que cuando se trata de separar dos componentes que tengan coeficientes de distribución parecidos, se necesitan muchos pasos sucesivos para llegar a una separación aceptable; y estos procesos que requieren una operación escalonada y larga se llaman fraccionamientos. De acuerdo con las técnicas utilizadas y la naturaleza de las bases teóricas en que se fundamentan, los métodos de separación de m. se pueden clasificar de muy variadas formas; nosotros haremos una descripción de los más importantes y señalaremos su utilidad en la práctica de la química experimental y de la tecnología.

Precipitación. Es la aparición de una fase sólida en el seno de un líquido. Normalmente se logra cuando a una disolución (v.) se añade un agente precipitadte o cuando se fuerza la evaporación de disolvente hasta que la concentración de la sustancia disuelta sobrepase los límites de saturación (v. DISOLUCIONES), en cuyo caso precipita. El producto sólido formado, que se llama precipitado, suele depositarse en el fondo del recipiente aunque a veces, en el caso de sustancias de baja densidad (normalmente orgánicas), puede localizarse en la superficie.

Los métodos de precipitación han constituido el mediomás frecuente para la consecución de separaciones analíticas, sobre todo en el análisis de compuestos inorgánicos, en que el principal objetivo suele ser llegar a un reactivo precipitadte específico. Un precipitadte específico es el que es capaz de separar por precipitación exclusivamente uno de los elementos existentes en una disolución, independientemente de los demás elementos o compuestos que puedan hallarse presentes.

La precipitación, sin embargo, puede no resultar útil para lograr una buena separación, puesto que existen factores que pueden dar lugar a contaminaciones, p. ej., por coprecipitación debida a fenómenos de adsorción y oclusión de sustancias extrañas. Pueden igualmente producirse precipitaciones incompletas, con lo que el factor de eficiencia decrecería; o pueden formarse precipitados muy difícilmente filtrables, de naturaleza no cristalina sino en forma de partículas de naturaleza coloidal o formando coágulos muy difíciles de filtrar.

Cuando en una disolución se encuentran dos sustancias susceptibles de ser precipitadas por adición del mismo precipitadte, se pueden separar perfectamente si sus respectivos productos de solubilidad son suficientemente diferentes, pues puede conseguirse la total precipitación de una de ellas antes de que comience a precipitar la otra. El procedimiento se llama precipitación fraccionada y se puede generalizar a más de dos sustancias. Aun cuando no constituyen gran número los ejemplos de precipitación fraccionada, por la meticulosidad y tiempo que implica, esta técnica se utiliza con frecuencia en análisis en la separación de hidróxidos y sulfuros, y en química de polímeros en la separación de fracciones de tamaño molecular semejante a partir de disoluciones de polímeros naturales y sintéticos (v. POLIMEUIZACIóN).

Extracción. La extracción con disolventes es una operación utilizada desde hace más de cien años para conseguir separar un determinado componente a partir de una m. de sustancias. El producto a extraer puede estar formando parte de un sólido o de un líquido distinguiéndose así dos tipos principales de extracción: extracción sólido-líquido y extracción líquido-líquido. El caso más general de la extracción sólido-líquido es la disolución, en un disolvente apropiado, de un componente o grupo de componentes que forman parte de un sólido, el cual contiene otros componentes insolubles. Según sus aplicaciones, la operación se conoce como percolación, lavado o lixiviación.

La percolación es una operación de extracción que se produce al pasar un líquido a través de columnas de adsorción (v. ABSORCRÓN Y ADSOUCIÓN), normalmente columnas cromatográficas (v. CROMATOORAFíA) o de cambio fónico (v.), y al paso del líquido, que normalmente pasa por gravedad a través de la columna, va disolviendo los productos que se quieren extraer y que anteriormente se habían fijado a la fase adsorbente. El lavado es una operación sencillísima de extracción sólido-líquido, pero de una gran importancia e imprescindible en la purificación de cualquier tipo de precipitado. En todas las determinaciones gravimétricas, p. ej., es precisa la total eliminación del líquido madre en el seno del cual se formó el precipitado y en el que quedan disueltas aquellas sustancias contaminantes no precipitadas, por medio de lavados con disolventes capaces de ir extrayendo, en sucesivas operaciones, todos los productos extraños al precipitado.

A escala industrial, el punto más importante en la operación de lavado de precipitados es poder determinar la velocidad del proceso, es decir, conocer el tiempo que tardará el líquido lavador en pasar a través del precipitado y determinar la cantidad de líquido que será precisa para que el lavado sea efectivo. Intervienen en estos cálculos principalmente la naturaleza o contextura física de las partículas que forman el precipitado, del método de lavado y del tipo de filtro (v.) sobre el cual se realiza la operación.

La lixiviación es una operación de separación que comúnmente se efectúa sólo a escala industrial. Ejemplos típicos de este tipo de extracción son: la de aceites y grasas animales y vegetales a partir de tejidos animales ricos en lípidos (v.), o de semillas oleaginosas; la del azúcar de la remolacha; lixiviación de minerales, de cobre o uranio, p. ej., etc. La velocidad y el mecanismo de lixiviación dependen principalmente de la naturaleza del sólido a extraer.

En la extracción líquido-líquido el ejemplo más sencillo es una extracción discontinua simple en la que dos líquidos inmiscibles se agitan vigorosamente entre las dos fases líquidas según una relación bien definida. Esta relación, para cada soluto, viene determinada por su solubilidad en los dos disolventes y su expresión matemática es la conocida ley de Nernst:K=C/C,siendo C y C las concentraciones del soluto en las dos fases y K una constante que recibe el nombre de coeficiente de distribución o de reparto. Generalmente, uno de los disolventes es el agua y el otro un disolvente orgánico no miscible con el agua, dando lugar en la operación a una fase acuosa y a una fase orgánica, que se separan según su densidad.

La mezcla que se pretende separar puede estar formada de líquidos solamente a contener sólidos solubles y a su vez el disolvente puede ser único o ser una mezcla. Actualmente se tiende cada vez más a emplear disolventes mezclados, con lo que es posible mejorar las propiedades selectivas de uno de ellos.

Al igual que la extracción sólido-líquido, la extracción líquido-líquido es empleada como método de separación prácticamente en todas las ramas de la Química.

Destilación (v.). Es un método de separación por volatilización y se basa en la diferencia de volatilidades de los componentes de una m. Al calentar una m. de distintos líquidos se producen unos vapores en los que la concentración de componentes volátiles es mayor que en la m. inicial, mientras que en el residuo líquido aumenta la concentración de componentes menos volátiles. Sólo si el vapor producido en la ebullición tiene diferente composición que el líquido de partida será posible la separación por destilación de los componentes de una m., y cuanta mayor diferencia de composición exista entre vapor producido y líquido inicial, más efectiva y más fácilmente se llevará a cabo la separación. Por ello, el fundamento de la destilación se basa en los equilibrios vapor-líquido para las distintas mezclas. El caso más general es el de separación de m. binarias. Pero para la separación total de dos líquidos cuyas volatilidades no difieran mucho, no es suficiente con la destilación simple, pues con el mero hecho de calentar hasta ebullición y recoger en forma de líquido en un condensador los vapores que se van produciendo, sólo se consigue enriquecer en mayor o menor grado el destilado en componente más volátil y el residuo en componente menos volátil. En la práctica se hace uso de la destilación fraccionada o rectificación, en la cual el proceso de destilación se repite muchas veces. La ni. se calienta, pero los primerosvapores que se forman se condensan y el líquido que se origina se destila, a su vez, repitiéndose este proceso de vaporización y condensación muchas veces y obteniéndose vapores cada vez más ricos en componente volátil hasta que prácticamente se llegan a separar totalmente ambos componentes obteniéndose en primer lugar una fracción de vapores, que se condensan dando lugar al componente líquido de más bajo punto de ebullición puro. En la práctica, esta operación escalonada se lleva a cabo en las llamadas columnas de rectificación, que van provistas de los dispositivos apropiados (platos de borboteo o rellenos) con el fin de lograr el máximo contacto entre el vapor que asciende y el líquido que continuamente va condensando y que "refluye", de tal forma que durante el proceso de ascensión de los vapores y reflujo del líquido el sistema alcanza un estado de equilibrio en el cual en la cabeza de la columna se va separando una fracción del vapor condensado mientras que la mayor parte del no condensado vuelve a la columna por reflujo.

La destilación fraccionada o rectificación es la operación más importante que se lleva a cabo en las refinerías de petróleo y merced a ella se separan la mayor parte de sus componentes comercialmente importantes. Pero, además, es el método que se utiliza más frecuentemente en la separación de todos los disolventes orgánicos, para separar los componentes del aire desde el estado líquido, para la recuperación del amoniaco o para la obtención del peróxido de hidrógeno a partir de sus disoluciones acuosas.

Adsorción. La adsorción es un fenómeno de gran interés que tiene lugar en la superficie de separación de dos fases, una sólida y otra fluida. Hay varias teorías para explicar el fenómeno de la adsorción y elucidar la naturaleza de las fuerzas que se ponen en juego en el proceso, y aunque no se ha llegado a conclusiones definitivas se cree que son fuerzas de la misma naturaleza que las que se establecen entre los átomos y moléculas, es decir, de naturaleza electrostática.

A la materia sólida, normalmente fija, se la llama adsorbente y en general son sólidos porosos, de gran superficie y, los más activos, amorfos. Ejemplos de ellos son ciertos carbones vegetales o animales (carbón activo, negro de humo o negro animal), las tierras adsorbentes (bentonitas, tierras de diatomeas), o geles inorgánicos, como los de sílice o alúmina. Los adsorbentes actúan concentrando y fijando gases, vapores, sólidos gasificados (humos), líquidos. solutos o cualquier otro tipo de "adsorbato" disperso en mezclas de muchos tipos.

Ejemplos de procesos en los que se utilice la adsorción como método de separación son una buena parte de las purificaciones de disolventes, separaciones de gases, separación de fracciones de destilación del petróleo, decoloración y clasificación de líquidos, purificación de gases industriales, etc.

Flotación. Es un método de separación que se emplea casi exclusivamente en la concentración o enriquecimiento de minerales y que sc utiliza cada vez más a medida que es preciso explotar yacimientos menos ricos. Los minerales que más escasean actualmente son los sulfurados, p. ej., sulfuros de cobre o sulfuro de plomo, y se da la circunstancia de que el agua no "moja" a los minerales sulfurados y sí a la ganga que los acompaña. Merced a esta propiedad es posible separar la mena de la ganga cn estos minerales por un sencillo procedimiento. En primer lugar se efectúa una molturación con el fin de separar en forma de gránulos el mineral sulfurado de las materias que lo acompañan, y para lograr que la especie a flotar tenga un buen desarrollo superficial. La molturación se suele hacer por vía húmeda formándose un lodo o barro mineral. Si por cualquier procedimiento se introduce una corriente de agua en esta suspensión acuosa, se forma una espuma que arrastra hacia la superficie al mineral sulfurado cayendo al fondo la ganga, normalmente silícea o arcillosa.

La galena es uno de los minerales que tradicionalmente se enriquece por este procedimiento (v. PLOMO; MERCURIO; COBRE).

Otros procedimientos. Entre los procedimientos que no hemos descrito anteriormente se puede citar la cristalización (v.) que es un método utilizado en la separación de un soluto llevándole a la forma de sólido cristalino a partir de su propia disolución en un disolvente adecuado. La cristalización se produce cuando se sobrepasa la concentración de saturación, lo cual se obtiene en la práctica por enfriamiento o por vaporización del disolvente, o por ambos medios combinados. Esta técnica se utiliza ampliamente en la obtención y purificación de sales minerales, en la obtención de azúcar, y en la separación y purificación de infinidad de productos químico-farmacéuticos, productos orgánicos y productos intermedios.

La cromatografía (v.) y la electrodeposición (v. ELECTRÓLISIS) son también métodos de separación universalmente utilizados. Hemos de resalta la importancia que ha alcanzado la obtención de metales alcalinos, alcalinotérreos, aluminio, cobre, etc., por métodos electroquímicos. Mencionaremos, por último, la separación mecánica, basada en diferencias físicas entre las partículas según tamaño, forma, densidad, poder higroscópico y propiedades eléctricas y magnéticas. Esta técnica se emplea para la separación de líquidos de gases, sólidos de líquidos y sólidos de sólidos. La separación de sólidos sólo por el tamaño se denomina clasificación.

C. MENDOZA OCHARAN

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