Separaciones Térmicas
¿En qué consiste una separación térmica?
Los procesos de separación térmica se basan en los cambios de temperatura a los que se puede someter una muestra. Como resultado, se obtienen distintas fracciones de la muestra para su análisis. El método empleado dependerá del tipo de muestra, así como del tipo/s de análisis que se quieran realizar.
NO HAY REACCIONES QUÍMICAS INVOLUCRADAS.
¿En qué se diferencian las técnicas?
- Evaporación: Se basa en un calentamiento a temperatura inferior a la de ebullición.
- Secado, destilación y cristalización: Son operaciones básicas de separación de sustancias líquidas mediante la evaporación total o parcial de los componentes volátiles.
La diferencia entre estos métodos radica en:
- Grado de eliminación.
- Si se recuperan o no los vapores producidos, por poseer un cierto valor.
1. Evaporación
La evaporación es el fenómeno físico mediante el cual un líquido pasa a estado gaseoso. También se define como la separación de un disolvente volátil de un soluto no volátil que está en disolución, emulsión o suspensión, por vaporización del disolvente.
El objetivo de la evaporación suele ser:
- La obtención de una solución más concentrada
- La obtención de un sólido por cristalización
- Recuperar un disolvente
En otras palabras, evaporar implica una pérdida o extracción cuantitativa de líquido, para obtener un concentrado.
Los equipos son básicamente intercambiadores de calor que utilizan generalmente vapor de agua como medio calefactor.
La evaporación es un fenómeno que ocurre a temperatura ambiente y en la superficie
El fenómeno de la evaporación de un disolvente se produce a cualquier temperatura. Es un fenómeno superficial, donde las moléculas del líquido en la superficie pasan a la fase vapor para establecer un equilibrio. Si el aire arrastra el vapor de agua, se evita que las moléculas se reincorporen y permite que más moléculas escapen, aumentando la evaporación.
Las moléculas en un líquido están en continuo movimiento. Dicho movimiento es mayor cuanto mayor es la temperatura, debido al aumento de la energía cinética. Las moléculas próximas a la superficie, al estar menos sujetas a interacciones intermoleculares, poseen mayor energía cinética. Esta energía puede ser suficiente para que venzan las fuerzas de interacción y pasen al estado gaseoso.
La evaporación no es lo mismo que la ebullición
Un líquido hierve a una temperatura característica a una presión determinada. Este proceso se inicia en todo el seno del líquido, no es un fenómeno superficial. La temperatura de ebullición del agua es 100°C a 1 atmósfera de presión. A esta presión, el agua solo hervirá cuando se alcancen los 100°C.
1.1 Consideraciones
Factores que influyen en la evaporación:
- Cantidad de calor suministrada: Temperatura aplicada, superficie de transmisión, sistema de calefacción, resistencia a la conducción del material del evaporador, calor latente del vapor condensado, coeficiente de convección del líquido.
- Concentración de la disolución: A mayor concentración, mayor temperatura de ebullición. Estos incrementos se calculan con los diagramas de Dürhing.
- Presión de la cámara de evaporación: Al disminuir la presión, disminuye la temperatura de ebullición, favoreciendo la evaporación. Para componentes termolábiles se utiliza vacío.
Propiedades importantes a considerar:
- Viscosidad
- Sensibilidad a la temperatura
- Formación de espumas
- Ebullición violenta
- Formación de depósitos
- Eliminación del aire (u otros componentes)
- Material de construcción de los equipos
1.2 Evaporación en el laboratorio
Por calentamiento
El sistema más empleado es mediante la acción del calor, sin llegar a la ebullición. Se efectúa a fuego lento con mechero Bunsen y cápsulas de porcelana. Es común introducir cápsulas en baños María o de arena. La finalidad es concentrar hasta sequedad un producto de análisis. Las cápsulas o cristalizadores deben cubrirse con un vidrio de reloj o embudo para evitar la entrada de polvo.
A vacío
Es el sistema más rápido, ya que al disminuir la presión de vapor se logra un desprendimiento de moléculas más rápido. Se usa para sustancias termolábiles, como leche, zumos, extractos de carne, soluciones de nicotina, ácido láctico, etc. Al trabajar con vacío, se reduce la temperatura de ebullición, reduciendo el calor necesario y evitando la descomposición de sustancias sensibles.
A vacío (con rotavapor)
Los rotavapor, además de evaporar intensamente, permiten recoger el producto de la evaporación. Se utiliza una trompa o bomba de agua como fuente de vacío. Para disolventes con alto punto de ebullición, se conecta a una bomba de membrana o de vacío. Es importante conocer el punto de ebullición del disolvente y del producto a aislar.
El matraz de destilación se conecta al tubo evaporador, que dirige los vapores al refrigerante. El disolvente condensado se recoge en el matraz colector. El rotavapor gira el matraz para evitar que el disolvente salte. El matraz de destilación se calienta con un baño termostático. Un soporte metálico permite subir y bajar el montaje.
2. Destilación
La destilación separa mezclas, comúnmente líquidas, con distintos puntos de ebullición. Cuanto mayor sea la diferencia entre los puntos de ebullición, más eficaz será la separación.
La mezcla se calienta hasta ebullición. Los vapores se enriquecen en el componente más volátil. Los vapores se condensan en un condensador, pasando a estado líquido. El líquido destilado tendrá la misma composición que los vapores, enriqueciéndose en el componente más volátil. La mezcla en el matraz se enriquece en el componente menos volátil.
Usos de la destilación
- Purificación de líquidos.
- Separación de mezclas de líquidos.
- Separación de componentes de una disolución, recuperando el soluto y el disolvente.
Fundamentos
- Evaporación: Las moléculas próximas a la superficie poseen mayor energía cinética, pudiendo pasar a estado gaseoso.
- Presión de vapor: La velocidad de evaporación se iguala a la de condensación en el equilibrio. La presión ejercida por las moléculas en fase gaseosa se llama presión de vapor. Los compuestos con alta presión de vapor son volátiles.
- Ebullición: Al aumentar la temperatura, aumenta la presión de vapor. Cuando la presión del gas iguala la presión externa, se produce la ebullición. La temperatura a la que ocurre esto es el punto de ebullición.
2.1 Destilación: Presión según la mezcla
Destilación de un líquido puro
La presión total (PT) es igual a la presión de vapor del líquido (Po). La ebullición ocurre cuando PT iguala la presión externa. La composición del destilado es igual a la del líquido original. Su aplicación es la determinación del punto de ebullición.
Destilación de una mezcla (fundamento)
La PT es la suma de las presiones parciales de cada componente (Ley de Dalton). La ebullición ocurre cuando PT iguala la presión externa.
Destilación de una mezcla de líquidos miscibles
Si no hay interacciones intermoleculares, se cumple la Ley de Raoult. La PT es función de la presión de vapor de cada componente puro y su proporción en la mezcla. La fracción molar de cada componente en fase gaseosa (Yi) es función de su fracción molar en el líquido (Xi). Los vapores se enriquecen en componentes más volátiles al inicio y en los menos volátiles al final. Se describe con el diagrama de la lenteja.
Destilación de líquidos inmiscibles
Se cumple la ley de Dalton, pero no la de Raoult. La PT es la suma de las presiones de vapor de los componentes puros. La composición de los vapores es constante. La proporción en peso en el destilado depende de los pesos moleculares y presiones de vapor. La mezcla destila a menor temperatura que los componentes puros. Se aplica a la destilación en corriente de vapor. Se puede calcular la proporción en peso de los componentes en el destilado.
Destilación de azeótropos
Debido a interacciones intermoleculares, se forman azeótropos, mezclas de composición constante que se comportan como líquidos puros, destilando a un punto de ebullición constante. Hay tres tipos: mínimo, máximo e intermedio. Un punto de ebullición constante no implica pureza debido a los azeótropos.
2.2 Tipos de destilación
Destilación simple
Separa componentes volátiles de no volátiles en un líquido, o dos líquidos con diferentes puntos de ebullición. Se usa un condensador para disminuir la temperatura del vapor.
Destilación fraccionada
Emplea múltiples ciclos de vaporización-condensación. Separa líquidos con puntos de ebullición que difieren en menos de 25°C. Se usa una columna de rectificación con perlas de vidrio o lana metálica.
Destilación a vacío
Se usa para productos naturales sensibles a la temperatura. Disminuye la temperatura de ebullición. Se usa un rotavapor o un aparato de destilación conectado a un sistema de vacío.
Destilación por arrastre de vapor
Se usa para extraer aceites esenciales. Se insufla vapor para transportar y separar los aceites, sin llegar a la ebullición. El vapor arrastra los aceites al colector. Se decanta el aceite esencial del agua destilada.
3. Cristalización
Un cristal es un sólido con estructura poliédrica definida. Existen 32 clases de cristales en 7 sistemas. La cristalización busca obtener un compuesto cristalino a partir de una disolución, sustancia fundida o fase de vapor.
Condiciones para la cristalización:
- La solubilidad debe variar con la temperatura.
- La disolución debe estar saturada.
3.1 Tipos de cristalización
Cristalización fraccionada
Separa productos de una mezcla según su solubilidad. Cada producto alcanza la saturación a una temperatura, depositándose como cristal. Se usa para purificar productos.
Cristalización por disolución y precipitación. Cristalización por fusión.
Se trabaja a altas temperaturas con horno de mufla.
Cristalización por sublimación
Finalidad de la cristalización
- Obtener un producto puro a partir de una muestra impura.
- Fraccionar una mezcla compleja.
- Aislar una sustancia de una mezcla.
Fenómenos asociados
- Hidratación: Agua contenida en los hidratos. Al perder agua, se forman sales anhidras.
- Eflorescencia: El vapor de agua del cristal pasa a la atmósfera. La sal pierde su estructura, pasando a un hidrato inferior o a sal anhidra.
- Deliscuencia: Una sal anhidra o hidrato absorbe humedad, pasando a un estado de mayor hidratación. El cristal se disuelve en el agua absorbida.