Informe 3: Separación de componentes de una mezcla PDF

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El informe corresponde a la realización de procesos de separación de mezclas mediante procesos físicos....

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DEL MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES INGENIERÍA AMBIENTAL QUÍMICA INORGÁNICA INFORME DE LABORATORIO PRÁCTICA Nº1 MATERIALES Y SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Nasly Tatiana Vargas Quiroga (20182780015) Andrés Santiago Avendaño Gómez (20182780012) GRUPO 545 RESUMEN La práctica de laboratorio número tres, correspondiente a la separación de los componentes de una mezcla, reside en realizar operaciones de separación de mezclas, por medio de procesos físicos. Para llevar a cabo el procedimiento se realizaron los procesos de sedimentación, decantación, filtración, evaporación y destilación para separar una muestra de solución de cloruro de sodio (NaCl) y arena. Palabras clave: Separación, mezcla, solución. ABSTRACT The laboratory practice number four, corresponding to the separation of the components of a mixture, resides in carrying out operations of separation of mixtures, by means of physical processes. To carry out the procedure, the sedimentation, decantation, filtration, evaporation and distillation processes were carried out to separate a sample of sodium chloride (NaCl) solution and sand. Key words: Separation, mixture, solution.

1. INTRODUCCIÓN Los procesos de separación son procesos físicos y son empleados cuando se desea estudiar las propiedades físicas y químicas de una sustancia. A través del tiempo se han desarrollado varios procesos de separación de mezclas, sin embargo los más empleados son procesos como: decantación, evaporación, centrifugación, sublimación, extracción, destilación y filtración. En la presente práctica se desarrollaron los procesos de sedimentación, decantación, filtración, evaporación y destilación, con el fin de observar los cambios en una mezcla de agua con sal y arena, logrando la separación total

de los componentes de la mezcla en los procesos realizados. 2. OBJETIVOS  

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Analizar los procesos físicos de separación de mezclas. Efectuar las operaciones de sedimentación, decantación, filtración, evaporación y destilación para separar una mezcla de cloruro de sodio y arena. Desarrollar habilidades y destrezas en los principales métodos de resolución de la materia.

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Fomentar el espíritu investigativo y científico acerca de las principales técnicas empleadas para separar los componentes de una mezcla. 3. MARCO TEÓRICO

MEZCLA: es el conjunto de dos o más sustancias que se mantienen juntas sin que se produzcan cambios drásticos en las características de cada una. Es decir, que las sustancias que componen la mezcla conservan sus propiedades particulares. En la mezcla cada una de las sustancias conserva su identidad (cuando se separan, pueden identificarse). Una mezcla es homogénea cuando cada sustancia se compenetra con las demás y heterogénea cuando estos simplemente se revuelven. (B. Picado, M. Álvarez). SEDIMENTACIÓN: operación unitaria mediante la cual se separan el fluido y los sólidos de una suspensión por gravedad, aprovechando la diferencia de densidad entre ambas fases. (J. Costa, S. Cervera). FILTRACIÓN: Consiste en hacer pasar la mezcla de líquido y partículas sólidos a través de un matiz, cuyos orificios sean más pequeños que las partículas a separar (papel de filtro). La separación se conseguirá dejándola reposar durante unos minutos. El líquido se deja caer sobre el embudo con ayuda de una varilla. (A. Fuster. 1986). EVAPORACIÓN: Consiste en la transmisión de calor a una mezcla con el fin de separar el líquido de un sólido. La operación se lleva a cabo vaporizando una parte del disolvente con el fin de obtener una solución concentrada. (L. McCabe, C. Smith. 2003) DESTILACIÓN: Es usado en la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando es posible, en la separación de dos o más líquidos. Permite separar los distintos componentes de una mezcla. Se basa

fundamentalmente en los puntos de ebullición de cada uno de los componentes de la mezcla. Cuando mayor sea la diferencia de puntos de ebullición de las sustancias de la mezcla, más eficaz será la separación de sus componentes. Consiste en calentar la mezcla hasta que entra en ebullición, los vapores generados se condensan y pasan al estado líquido. (P. Molina, A. Gómez. 1991). 4. PROCEDIMIENTO Se realizaron 5 procesos de separación de mezclas: 4.1. Proceso de Sedimentación Se pesa en un vaso de precipitado más o menos 5 gramos de arena la cual se adiciona luego a un vaso de precipitado que contiene aproximadamente 80 ml de a mezcla de agua y sal. Posterior a esto, dejar que las partículas de arena sedimenten en el fondo del vaso y observar los cambios presentados. 4.2. Proceso de Decantación Luego de que la muestra se sedimente completamente, con la ayuda de un agitador de vidrio en otro vaso de precipitado, verter cuidadosamente el líquido del vaso precipitado con la sedimentación asegurándose que las partículas se mantengan en el fondo. Guardar las partículas de arena que quedan sedimentadas en el primer vaso precipitado. 4.3. Proceso de Filtración Para comenzar, se realiza el montaje de filtración con un aro con nuez sostenido en un soporte universal donde se pondrá el embudo de vidrio, y debajo de este, ubicar un Erlenmeyer donde se dispondrá el líquido filtrado; en el embudo, se pone el papel filtro doblado de forma indicada para que allí se quede el filtrado faltante de la mezcla. Verter el líquido que se decantó anteriormente en el embudo para remover las partículas de arena que no sedimentaron en un principio; reunir

la arena obtenida en este proceso con la arena guardada del proceso anterior. En una cápsula de porcelana poner la arena reunida y calentarla para retirar el líquido sobrante, dejarla enfriar y pesar; finalmente pesar la capsula vacía para determinar el peso final de la arena. 4.4. Proceso de Evaporación En un vidrio de reloj poner 5 ml del filtrado resultante, en un vaso de precipitado poner más o menos dos terceras partes de agua y calentar el vaso con el vidrio de reloj hasta completar la evaporación del agua. Dejar enfriar el vidrio de reloj y observar la sal en el desecador. 4.5. Proceso de Destilación En el balón de destilación, verter 50 m de la solución filtrada. Con ayuda del docente, realizar el montaje de destilación y calentar hasta ebullición; recoger el líquido condensado en un Erlenmeyer. 5. RESULTADOS OBTENIDOS 5.1. Proceso de Sedimentación La masa de la mezcla de arena y cloruro de sodio fue de: 6,83 gramos Dicha mezcla se deja sedimentar en agua por un periodo de tiempo de 15 minutos para lograr el resultado obtenido, la arena se sedimenta al fondo del vaso precipitado. 5.2. Proceso de Decantación En este proceso se observa que al momento de decantar lo del proceso de sedimentación, quedan algunas partículas de arena las cuales serán finalmente removidas en el siguiente proceso. 5.3. Proceso de Filtración Se observa en este proceso la acumulación final de la arena restante en el papel filtro, y el paso de la mezcla de agua con sal sin

ninguna partícula de arena en el Erlenmeyer. Adicional a eso, se obtienen los pesos correspondientes para calcular la masa final de la arena esto con ayuda de una capsula de porcelana, la cual es puesta en planchas de calor para eliminar el líquido restante de la arena y finalmente pesar la misma capsula vacía para obtener la masa de la arena como tal. Peso de cápsula de porcelana vacía (P1): 53,48 gramos Peso de cápsula de porcelana con arena (P2): 56,96 gramos Masa de la arena:

P2−P1=56,96 g−53,48 g=3,48 gramos 5.4. Proceso de Evaporación En este proceso se observa que luego de un tiempo de espera aproximado de 15 minutos, el líquido filtrado en el vidrio de reloj se seca completamente y deja como residuo lo que sería sal cristalizada. 5.5. Proceso de Destilación De manera grupal y con ayuda del profesor se instala el montaje de destilación con el fin de observar cambios a una temperatura de 96°C; el vapor caliente pasa por el condensador con agua fría y así convertirse en líquido. Este líquido será el agua sin ningún tipo de mezcla ya que por medio de la destilación se separará el cloruro de sodio que estaba presente. 6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1. Proceso de Sedimentación La densidad en este proceso cumple un papel importante; debido a que la arena es más densa que el agua, ésta tiende a hundirse y sedimentarse en el fondo, mientras que la sal se diluye en el agua por sus componentes iónicos. Por ende, se observa luego de cierto tiempo como en el fondo del vaso se ve la arena mientras que el líquido sobrenadante va

perdiendo su color inicial (Ver Ilustración 1y 2).

Ilustración 4: Resultado proceso de decantación.

6.3. Proceso de Filtración Ilustración 1: Estado inicial del proceso de sedimentación.

Ilustración 2: Estado inicial del proceso de sedimentación.

6.2. Proceso de Decantación El objetivo de proceso de decantación es lograr que la separación de los componentes de la mezcla se dé siempre y cuando exista una diferencia en las densidades de los componentes a separar, este proceso se hace con la ayuda de un agitador de vidrio (Ver Ilustración 3) con el fin de manejar la separación de los componentes más densos. Sin embargo, se observa que al pasar el líquido sobrenadante del primer vaso al segundo, se pasa también una cantidad considerable de arena (Ver Ilustración 4), por este motivo, luego de realizar este proceso se debe realizar el proceso de filtración donde se separa totalmente los componentes más densos de la mezcla. La arena que queda de vaso 1 se debe guardar.

En el proceso de filtración, una mezcla de un sólido y un líquido (arena, sal y agua) se vierten a través de un medio poroso, en este caso papel filtro; el líquido atraviesa el papel mientras que el sólido permanece en éste (Ver Ilustración 5). El líquido que atraviesa el papel es el filtrado, y el sólido que se queda en el papel es el residuo. Se observa entonces que luego de un tiempo aproximado de 20 minutos, el filtrado queda en el Erlenmeyer y pasa a ser una nueva mezcla conformada por agua y cloruro de sodio, mientras que el residuo que pasa a ser solamente la arena, queda en el papel (Ver Ilustración 6). Dicho proceso se realiza de igual manera, con la ayuda de un agitador de vidrio (Ver Ilustración 7).

Ilustración 3: Proceso de decantación.

Ilustración 5: Montaje proceso de filtración.

Ilustración 9: Proceso de evaporación.

Ilustración 6: Residuo de arena.

Ilustración 7: Proceso de filtración.

Al poner el vidrio de reloj con el líquido filtrado que es la mezcla de sal y agua en este baño de maría, el agua, al ser más volátil, se evaporará, y la sal quedará en el recipiente, quedando entonces la marca de sal en el vidrio de reloj (Ver Ilustración 10).

Finalmente, se registran los pesos del residuo de arena junto con la recogida en el proceso anterior en una cápsula de porcelana para calcular la masa de la arena y saber el porcentaje del componente (Ver Ilustración 8). Se obtiene entonces, que la masa de la arena como residuo fue 3,48 gramos. Ilustración 10: Resultado del proceso de evaporación.

6.5. Proceso de Destilación

Ilustración 8: Peso de la cápsula de porcelana con arena

6.4. Proceso de Evaporación Para el proceso de evaporación, se toma primero un vaso de precipitado con agua para formar lo que se conoce como baño maría y poder evaporar el líquido filtrado. (Ver Ilustración 9).

El montaje para destilación (Ver Ilustración 11) es un aparato sencillo para separar una disolución de cloruro de sodio o agua con sal en sus componentes. El funcionamiento de este montaje se basa en que al hervir la disolución, el agua se evapora, y luego se condensa y recoge en el matraz receptor. Una vez que se ha evaporado toda el agua, queda cloruro de sodio puro en el matraz de ebullición (Ver Ilustración 12). Este proceso se realiza aproximadamente a una temperatura de 96°C teniendo en cuenta las condiciones en las cuales se realiza. Se observa que finalmente y luego de alcanzar la temperatura deseada, el líquido recogido en el Erlenmeyer o matraz receptor pasa a ser agua sin ningún componente adicional (Ver Ilustración 13).

Ilustración 11: Montaje de Destilación.

Finalmente, se realiza el cálculo del porcentaje de un componente en una mezcla que en este caso es la arena:

¿

Masa ( g ) del componente ∗100 gramos iniciales de la mezcla

¿

3,48 gramos ∗100 6,83 gramos

Ilustración 12: Matraz de ebullición.

¿ 50,95 % Por lo tanto, se obtiene como porcentaje del componente (arena) en la mezcla aproximadamente 51%, deduciendo que el agua con sal formaría entonces el 40% del total de la mezcla de agua sal y arena.

Ilustración 13: Matraz receptor.

CONCLUSIONES Se logró realizar y analizar la elaboración de cada uno de los procesos estimados de separación de mezclas en la práctica de laboratorio Se desarrollaron las habilidades y conocimiento para la resolución de los principales métodos de separación de los componentes de una mezcla. Se realizó con éxito la separación de la mezcla de cloruro de sodio y arena. El porcentaje del componente de arena en la mezcla es aproximadamente del 51%.

CUESTIONARIO

1. Consulte las técnicas de separación de mezclas por CENTRIFUGACION, SUBLIMACION, EXTRACCION, CROMATOGRAFIA, FILTRACION AL VACIO, REFLUJO, DESTILACION POR ARRASTRE DE VAPOR, DESTILACION FRACCIONADA, RECRISTALIZACION. Centrifugación: Técnica de sedimentación acelerada gracias al uso de fuerza centrífuga. Obliga a una mezcla a experimentear un movimiento rotatorio con una fuerza de mayor intensidad provocando la sedimentación del sólido o de las partículas, por poseer masa se ven afectadas por cualquier fuerza.

Fuente: Biomodel

Sublimación: Procedimiento que se basa en modificar el estado sólido de un material por el estado gaseoso, sin necesidad de llevarlo hacia el estado líquido. Cuando una de las fases sublima, se separa de la otra, solo se puede usar con sustancias que tengan esta propiedad.

Fuente: Físico – química

Extracción: Técnica de separación de un compuesto a partir de una mezcla sólida o líquida, aprovechando las diferencias de solubilidad de los componentes de la mezcla en un disolvente adecuado. El éxito de la técnica depende basicamente de la diferencia de solubilidad en el disolvente de extracción entre el compuesto deseado y los otros compuestos presentes en la mezcla inicial.

Fuente: Operaciones básicas en el laboratorio de química

Cromatografía: Técnica de separación en la que los componentes de una muestra se separan en dos fases: una fase estacionaria de gran área superficial, y una fase móvil. El objetivo de la fase estacionaria es retrasar el paso de los componentes de la muestra. La separación cromatográfica se logra cuando el tiempo de retención del analito difiere del resto de componentes de la muestra.

Fuente: Química la ciencia central

Filtración al vacío: Es una técnica que permite separar un sólido de un líquido, cuando lo que se quiere recuperar es el sólido. Ofrece una menor superficie de filtración para recoger mejor el sólido. El hecho de aplicar la succión con vacío permite acelerar la velocidad de filtración.

Fuente: Operaciones básicas en el laboratorio de química

Reflujo: Es una técnica que produce el calentamiento de reacciones que tienen lugar a temperaturas mayores que la temperatura ambiente. Permite la realización de procesos químicos usando una temperatura mayor. El procedimiento de reflujo inicia con el acoplamiento de un matraz que contenga la reacción a tratar, a una de las bocas del tubo refrigerante del reflujo. Según va produciéndose el calentamiento del matraz, la temperatura también aumenta con lo que se produce la evaporización del disolvente.

Fuente: La guía de química

Destilación por arrastre de vapor: Posibilita la purificación o el aislamiento de compuestos de puntos de ebullición elevado mediante una destilación a baja temperatura. Es una técnica de

destilación muy útil para sustancias de punto de ebullición muy superior a 100 ºC y que descomponen antes o al alcanzar la temperatura de su punto de ebullición. La destilación por arrastre de vapor es una técnica de destilación que permite la separación de sustancias insolubles en H2O y ligeramente volátiles de otros productos no volátiles.

Fuente: Operaciones básicas en el laboratorio de química

Destilación fraccionada: Se utiliza cuando la mezcla de productos líquidos que se pretende destilar contiene sustancias volátiles de diferentes puntos de ebullición. Al calentar una mezcla de líquidos de diferentes presiones de vapor, el vapor se enriquece en el componente más volátil y esta propiedad se aprovecha para separar los diferentes compuestos líquidos mediante este tipo de destilación.

Fuente: Operaciones básicas en el laboratorio de química

Recristalización: Los productos sólidos que se obtienen en una reacción suelen estar acompañados de impurezas que hay que eliminar para poder disponer del producto deseado en el mayor grado de pureza posible. La recristalización es el método más adecuado para la eliminación de las impurezas que contaminan un sólido.

Fuente: Química orgánica

2. ¿Cuál es la función de los núcleos de ebullición en la destilación? Los núcleos de ebullición (perlas de vidrio) son partículas físicas que se adicionan para que estas fomenten la homogenización de la mezcla que hierve. Sirven como medio de control de la ebullición, debido a que cuando hierve un líquido como el agua, este tiende a saltar por la cantidad de energía que se está proporcionando, los núcleos evitan que las burbujas que se están produciendo en el fondo del recipiente o matraz salgan completas a la superficie y que al llegar estas arriba se puedan romper y salpicar. 3. ¿Por qué el bulbo del termómetro debe quedar justamente a la altura horizontal que pasa la parte inferior de la tabuladora lateral del balón de destilación o de la t? El bulbo debe quedar en dicha posición con el fin de ser bañado por el vapor que asciende. Si no se tiene el bulbo del termómetro en esta posición la lectura de la temperatura va a estar errada, porque puede que no esté tomando el valor de ebullición. 4. ¿Por qué el líquido a destilar no debe sobrepasar la mitad de la capacidad del balón de destilación? Una de las razones es que si se llena el matraz el líquido puede saturar el refrigerante lo que puede ocasionar que no todo el líquido sea destilado. La otra es que si se llena a más de la mitad del matraz al estallar las burbujas que se forman pueden salpicar y alcanzar a colarse en el destilado.

BIBLIOGRAFÍA 

Báez, P. (1995). Prácticas de Laboratorio en Química General en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Una Propuesta Didáctica y Metodológica. Tesis de Pregrado. Departamento de Química. Facultad de Ciencias y Educación. Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

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A. Fuster. (1986). PRÁCTICAS DE QUÍMICA GENERAL. En línea, disponible en: https://books.google.com.co/books?id=HaODlJR92okC&pg=PA29&dq=FILTRACI %C3%93N+quimica&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwiRnNjMyKLdAhXP3VMKHTZMDQI Q6AEIJzAA#v=onepage&q=FILTRACI%C3%93N%20quimica&f=false

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Angurell, I., Casamitjana, N., Caubet, A., Dinarés, I., Llor, N., Muñoz, D., Perez, L., Pujol M., Rosell, G., Seco, M. & Velasco, D. Operaciones básicas en el laboratorio de química. Universidad de Barcelona. Página web. En línea, disponible en: http://www.ub.edu/oblq/oblq%20castellano/index1.html

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B. Picado, M. Álvarez. QUÍMICA I: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA MATERIA. En línea, disponible en: https://books.google.com.co/books? id=mjvKG4BJ0xwC&pg=PA36&dq=mezcla+quimica&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjWz KvIwKLdAhUCwVkKHQnHADgQ6AEIKzAB#v=onepage&q=mezcla %20quimica&f=false

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Brown, L. (2004). Química la ci...