Capítulo 5 Sistemas heterogéneos · • del huevo crudo separamos la clara de la ... permite...

Sistemas heterogéneosCapítulo 5

Frecuentemente, en actividades industriales, domésticas, de inves-tigación, agrarias y otras, es necesario separar las fases de sistemas heterogéneos.

Por ejemplo, al realizar la toma de agua del río, previamente a su po-tabilización, se deben separar las ramas, bolsas de nylon, las hojas, are-na, etc. Proceso similar a éste se realiza con las aguas residuales antes de ser vertidas en el colector (fig.1).

En la cocina también realizamos separaciones de fases: • del huevo crudo separamos la clara de la yema• en la preparación del café, se separa la parte sólida de la líquida.

En actividades agrarias, durante la cosecha se separa el grano del resto del cereal.

En la producción de cemento se realiza un control de calidad me-diante un análisis granulométrico que separa y mide el porcentaje de gránulos finos y gruesos utilizando diferentes tamices (fig. 2).

Existen diferentes métodos para separar las fases de un sistema heterogéneo.

Estos métodos tienen su fundamento en las propiedades físicas de las fases del sistema como por ejemplo la densidad, el diferente tamaño de los gránulos en sistemas sólidos, propiedades magnéticas, volatili-dad, entre otras.

Fig 1. Las rejas de los desagües pluviales evitan el pasaje de hojas, bolsas, etc.

Fig. 2. Un tamiz es un recipiente similar a un “colador”

58 Capítulo 5 • Sistemas heterogéneos. Química • 3º C.B.

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Métodos de separación de fases

Describiremos algunos métodos de separación de fases aplicados a sistemas con dos fases (difásicos).

Sobre la base de estos conocimientos es posible elegir los métodos y el orden adecuado, para separar las fases de sistemas polifásicos.

Tamización

• Aplicación Para sistemas formados por dos fases sólidas granuladas, donde

los gránulos de una fase tienen diferente tamaño que los gránulos de la otra fase.

• Materiales Tamiz, criba o cernidor (fig. 3).• Fundamento Los orificios del tamiz son suficientemente grandes para dejar

pasar a través de ellos los gránulos de la fase sólida pulverizada, pero son suficientemente pequeños para retener los gránulos de mayor tamaño de la otra fase.

• Ejemplo En el sistema de la figura 4 se pueden apreciar dos fases sólidas.

Está formado por arena y pedregullo.

Usos de la tamización

• La tamización se usa para cernir los ingredientes secos al prepa-rar una torta, para separar posibles aglomeraciones. Se logra ade-más airearlos y mezclarlos (fig.5).

• En las trilladoras para separar el grano del resto del cereal se usa un tamiz.

• Los buscadores de oro y los de diamantes en las corrientes de agua, usan una criba que deja escapar la arena a través de los ori-ficios pero que permite retener el trocito de metal o la piedra pre-ciosa, ¡si tienen suerte de encontrarlos! (fig. 6).

• En la construcción se emplean mallas metálicas grandes con un marco de madera llamadas “sarandas”

Fig. 4. Sistema heterogéneo formado por arena y pedregullo.

Fig. 3. Un tamiz también recibe el nom-bre de criba o cernidor. La tamización permite separar fases sóli-das con diferente tamaño de gránulo.

Fig. 5. Al preparar una torta es frecuente tamizar (cernir) los ingredientes secos.

Fig. 6. Utilización de un cernidor bus-cando oro en un río.

59Sistemas heterogéneos. • Capítulo 5 Química • 3º C.B.

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En la potabilización del agua el proceso de sedimentación se realiza utilizando sulfato de alúmina que aglutina las im-purezas, cayendo luego al fondo. Fig. 8. Aplicación de la sedimentación

Decantación

• Aplicación Para sistemas formados por dos fases líquidas• Materiales Embudo de decantación, soporte, vaso de Bohemia• Fundamento El embudo de decantación está diseñado para que el sistema, co-

locado en él, permanezca en reposo permitiendo así la separación de las fases líquidas. La fase de mayor densidad, queda en el fondo y al abrir la llave de paso saldrá primero. La llave deberá cerrarse cuando se llegue al límite interfásico (fig. 7).

• Ejemplo Sistema formado por aceite y agua.

Usos de la decantación

• En los tambos, luego del ordeñe, se deja reposar la leche para que se separe en dos fases. La parte superior, rica en grasas, se extrae para elaborar manteca o crema de leche (crema doble).

Sedimentación

• Aplicación Para sistemas formados por una fase sólida pulverizada que se

encuentra en suspensión en una fase líquida. • Fundamento La fase sólida finamente dividida al ser más densa que la fase lí-

quida, se irá depositando en el fondo del recipiente debido a la fuerza de atracción gravitatoria.

Este método es lento y poco preciso: para lograr la separación de las fases, hay que inclinar el recipiente y trasvasar la fase líquida superior, intentando que la fase sólida no caiga.

Usos de la sedimentación

• Las bebidas obtenidas por fermentación como el vino se dejan re-posar, sin mezclar, en toneles para luego extraer la fase líquida, des-preciando el fondo donde están sedimentadas las impurezas sóli-das.

• En una de las etapas de la potabilización del agua, se la deja repo-sar en tanques para que sedimenten las impurezas sólidas (fig. 8).

De igual manera se procede con las aguas residuales provenientes de una actividad industrial, llamadas efluentes.

Antes de ser vertidas a las corrientes naturales de agua deben ser tratadas para evitar la contaminación, realizando una sedimenta-ción en una de las etapas del proceso.

Fig. 7. La secuencia de fotos indica cómo se procede experimentalmente para rea-lizar una decantación.


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Filtración

• Aplicación Para sistemas similares a los descritos en el método anterior, es

decir con una fase sólida pulverizada en suspensión en una fase líquida.

• Materiales Papel de filtro (u otro material poroso: algodón, tela, cerámica,

vidrio sinterizado), embudo y soporte, varilla, vaso de Bohemia• Fundamento El material poroso permite que la fase líquida pase a través de los poros pero retiene a la fase sólida aunque esté finamente pulverizada.• Ejemplo Azufre en suspensión en agua (fig. 9).

Fig. 9. La secuencia de fotos indica cómo se procede experimentalmente para realizar una filtración.

Usos de la filtración

• Cuando se prepara café a partir de los granos de café molidos y agua, se utiliza un material poroso (filtro de papel, plástico o tela) para separar la fase sólida que se descarta, de la fase líquida que es la infusión para consumir (fig.10a).

• En la potabilización del agua, se usan inicialmente rejas como filtros para separar los grandes cuerpos como ramas, hojas, ani-males y basura. A continuación se emplean filtros de arena para retener sólidos más pequeños.

• Al preparar pasta usamos un “colador” para separar los fideos del agua de cocción. El colador oficia de material filtrante (fig. 10b).

• En el proceso de fabricación de quesos se usa un paño blanco para separar la cuajada del suero. La cuajada retenida en el paño se prensa para compactarla y quitarle totalmente el líquido (fig. 10c).

a- El filtro de café es un material poroso que permite separar los granos molidos de la fase líquida que vamos a consumir.

b- El colador de fideos actúa de filtro permitiendo pasar el agua de cocción y reteniendo los fideos.

c- En la fabricación del queso se utilizan trozos de tela para que filtre el suero y quede retenida la cuajada.

Fig. 10. Aplicación de la filtración.


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a- Se utiliza una centrífuga, por ejemplo, para realizar análisis de sangre separando el plasma de los glóbulos blancos, rojos, plaquetas, etc.

b- El lavarropas tiene una centrífuga que permite separar rápidamente el agua de la ropa.

Fig. 12. Aplicación de la centrifugación

Centrifugación

• Aplicación Para sistemas formados por una fase líquida y una fase sólida en

suspensión.• Materiales Centrífuga, tubos de centrífuga.• Fundamento Este método utiliza una centrífuga que acelera el proceso de sedi-

mentación. Mediante un movimiento de rotación, la fase sólida, de mayor densidad se deposita en el fondo del tubo de centrífuga, quedando compactada y eficazmente separada de la fase líquida. Luego, se inclina el tubo y se trasvasa el líquido a otro recipiente.

Este método se basa en el concepto de fuerza centrífuga (fig 11). • Ejemplo Azufre en suspensión en agua.

Fig.11. Separación de fases usando una centrífuga

Usos de la centrifugación

• Los ejemplos son muchos, en general referidos al trabajo en los laboratorios.

Quizás uno de los más conocidos es la centrifugación de una muestra de sangre en análisis clínicos para separar el plasma de los glóbulos blancos, rojos, plaquetas, etc.

• Un ejemplo cotidiano es la centrifugadora en las máquinas de la-var. El tambor con la ropa mojada gira velozmente dejando pa-sar el agua excedente a través de los orificios del mismo, y así las prendas salen prácticamente escurridas (fig. 12).


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Imantación

• Aplicación Para sistemas formados por dos fases sólidas, una de ellas tiene

propiedades magnéticas.• Materiales Imán y un recipiente.• Fundamento Se logra separar fácilmente ambas fases utilizando un imán, por-

que una de las fases tiene la propiedad de ser atraída por él y la otra no.

• Ejemplo Sistema formado por dos sólidos pulverizados, en este caso arena

y limaduras de hierro (fig. 13).

Fig.13. Las fotos nos indican cómo se procede experimentalmente para realizar una imantación.

Usos de la imantación

• Un ejemplo sencillo: las modistas usan un imán para recuperar fácilmente los alfileres que han caído al piso junto con restos de telas e hilos.

• Otro ejemplo no tan común en nuestro medio es el electroimán que se usa para separar los residuos metálicos del resto de la ba-sura (fig. 14).

Fig.14. Electroimán.


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Fig.15. El yodo es un sólido negro, bri-llante que sublima. Los vapores son de color violáceo.

Fig. 18. Utilizando una pinza se extrae el corcho. Al filtrar queda la arena en el filtro y el agua salada en el vaso de Bohe-mia. El agua salada es un sistema homo-géneo formado por dos componentes.

Se llama solución a un siste-ma homogéneo formado por dos o más componentes.

Otros métodos de separación de fases

Con el sistema formado por yodo sólido (fig. 15) y arena es posible analizar dos nuevos métodos para separar sus fases.

• Sublimación Este método se fundamenta en la propiedad del yodo de sublimar (pasar del estado sólido al estado gaseoso).

Los vapores de yodo al encontrar una superficie a menor tem-peratura, condensan en pequeños cristales. La arena queda en el fondo del recipiente (fig. 16).

• Disolución Este método se fundamenta en la propiedad del alco-hol de disolver al yodo y no a la arena.

Mediante filtración se separa la arena de la fase líquida (yodo di-suelto en alcohol). Por último, se evapora el alcohol y se recupera el yodo (fig. 17)

Fig. 17. Disolución del yodo en alcohol. Posteriormente se debe filtrar y evaporar.

Fig. 16. Sublimación. El yodo sublima y la arena queda en el fondo del tubo de ensayo.

Separación de fases de un sistema trifásico

Sistema formado por: arena, corcho, agua y sal.Tres fases : dos sólidas y una líquida ¿Qué métodos usaremos para separar las fases?

Una secuencia posible es:1º extracción directa para separar una de las fases sólidas (el corcho)

utilizando una pinza (fig. 18)2º filtración para separar la otra fase sólida (arena) de la fase líquida

(agua salada)

Al filtrar obtenemos la fase líquida formada por agua y sal, que es un sistema homogéneo.

¿Es posible extraer la sal del agua?Estudiaremos más adelante diferentes métodos para obtener los

componentes de un sistema homogéneo.


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Aplicaciones y problemas

1) Indica un ejemplo de sistema con: a) 2 fases y 1 constituyente c) 3 fases y 2 constituyentes b) 2 fases y 2 constituyentes d) 3 fases y 3 constituyentes

2) Un sistema está formado por arena y pequeños trozos de naftalina. Propone al menos dos métodos para separar las fases. Fundamenta la respuesta.

3) En la escuela se ha caído un paquete de agujas en el arenero donde juegan los niños más pequeños.

Aconseja a la maestra de qué manera puede separar eficazmente todas las agujas de la arena. ¿Cómo se llama el método sugerido?

4) En el recipiente que se guarda el café molido, alguien distraído co-locó lentejas. ¿Qué método de separación de fases se podrá aplicar rápidamente en la cocina? Justifica.

5) Completa el cuadro

6) a) El sistema de la figura 3 está formado por agua, querosen , are-na y cuentas.

b) Planifica la secuencia de métodos para separar las fases y detalla cómo queda el sistema en cada etapa del proceso.

7) Analiza los siguientes ejemplos: • En algunos comercios se venden centrifugadoras de vegetales.

¿En qué consisten? ¿Cómo se utilizan? • Al preparar té, ¿qué método de separación de fases se usa?

Explica.

Fig. 1. Ejercicio 2

Fig. 2. Ejercicio 3

Fig. 3. Ejercicio 6

Actividades

Sistema heterogéneo Nº de fases Métodos de separación de fases

Hielo, aceite y agua

Hierro y azufre pulverizados

Queroseno y agua

sublimación

Arena y sal

Sal fina y azufre

tamización


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Fig. 5. Ejercicio 12

Fig. 4. Ejercicio 8

8) Considera el sistema formado por yerba mate y azúcar. a) Clasifícalo según el número de fases que presenta. b) Al agregar agua al sistema se producen cambios. Indica cuáles

son los cambios y clasifica el nuevo sistema (fig. 4) c) “Tomar mate” es una costumbre rioplatense. ¿Cuál es el método

de separación de fases que se aplica al tomar mate? ¿qué función cumple la bombilla?

9) Un cocinero coloca en una olla lentejas, agua y sal. a) ¿Cuántos ingredientes hay en la olla? b) De acuerdo a la cantidad de sal colocada, analiza cuántas fases

podrán observarse. c) Cuando las lentejas están cocidas necesita separarlas del resto;

¿cómo procede? ¿cómo se llama ese método?

10) En un taller metalúrgico se cayeron pequeños municiones de acero en una barrica con aserrín.

Indica dos procedimientos para recuperar las municiones.

11) Analiza las siguientes situaciones y explica qué métodos de separa-ción de fases se utilizan en cada caso:

• un albañil debe preparar revoque y para hacerlo necesita separar la arena fina que está mezclada con otra de granos más gruesos

• un laboratorista debe separar el plasma del resto de la sangre • en un campamento se prepara café: se mezclan los granos moli-

dos con agua caliente y luego se debe separar la parte sólida de la líquida.

12) Profundicemos en el estudio del sistema formado por yodo sólido y arena (fig.5)

a) Al calentar suavemente el sistema ¿cuál de los sólidos sublima? b) Analiza cómo deben ser las fuerzas de atracción entre las par-

tículas de ambos sólidos que permita explicar el diferente com-portamiento ante el calentamiento.

c) Usando el modelo de partículas representa la separación de fa-ses de este sistema.

Competencia

13) Forma equipos con tus compañeros de clase y organiza “La competencia de separación de fases” 1º Cada equipo propone 3 sistemas y los registra en una hoja. 2º Se intercambian las hojas. 3º Al analizar los ejemplos cada equipo decidirá si corresponde o

no separar fases, qué métodos usará y qué materiales necesita. El profesor actuará como moderador y evaluará la creatividad de

la propuesta, el desarrollo del trabajo en equipo y las soluciones a cada problema.


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Investiga y reflexiona

14) La mayor parte de la ciudad de Montevideo cuenta con saneamien-to. El Colector construido en forma subterránea recoge las aguas residuales y pluviales. (fig.6).

Investiga a) ¿Por qué fue necesaria la modificación del Colector y la cons-

trucción del Emisario Subacuático? b) ¿Cuándo comenzó la obra? ¿En cuántas etapas se desarrolla? c) ¿Qué métodos de separación de fases se utilizan en la Planta de

Pretratamiento?

15) Durante el proceso de potabilización de agua se usan varios méto-dos de separación de fases.

Investiga • Etapas del proceso de potabilización y en cada una indica cuál es

el método de separación de fases usado. • ¿Qué es una UPA? (fig. 7).

16) En nuestro país la empresa Bromyros prepara la materia prima para fabricar Isocrete.

Isocrete es un “hormigón liviano” (baja densidad) que se obtiene mezclando cemento, arena, agua y perlas o picado de poliestireno expandido (fig. 8).

El mezclado puede llevarse a cabo en hormigoneras manuales o en auto-hormigoneras siguiendo las instrucciones del fabricante que varían según la aplicación.

Este hormigón se diferencia de los otros tipos de hormigón ligero por las propiedades que le aportan las partículas de poliestireno ex-pandidas (espumaplast).

a) El Isocrete; ¿es un material homogéneo o heterogéneo? Explica b) Investiga • Propiedades de este hormigón y aplicaciones • Construcciones en nuestro país donde se haya utilizado.

17) El cemento portland debe cumplir con ciertas especificaciones, una de ellas es la referida a la finura del polvo. Con ese fin se hace un análi-sis granulométrico haciendo pasar el cemento por diferentes tamices.

Investiga • ¿Por qué se llama cemento portland? • ¿Qué tamices se utilizan?

18) Al hacer el mantenimiento de un vehículo se cambian filtros de aire, aceite, nafta. Investiga qué fases se separan en cada caso.

19) a) En un alto horno de fundición se separa la escoria del arrabio. Investiga sobre el proceso que allí se realiza.

b) Durante la fabricación del papel, la pasta de celulosa debe perder el agua agregada. Investiga cómo se logra.

Fig. 6. Ejercicio 14

El Colector de Montevideo lleva las aguas residuales y pluviales de la ciudad hasta la Planta de Pretratamiento en Punta Carre-tas. Allí se retienen los sólidos gruesos, el “grit” (arenas, se-millas, fibras, etc.) y el material flotante. Luego del tratamiento el agua es bombeada a través del Emisario Subacuático para su evacuación dentro del mar. Esta obra, aún en desarrollo ha mejorado la calidad de las aguas costeras y la limpieza de las playas.

Figura 8. Ejercicio 16 Isocrete es un hor-migón liviano

Fig. 7. Ejercicio 15. Usina Potabilizadora de Agua (UPA).


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Fig. 1. Tizas pulverizadas de colores y sus mezclas

Fig. 2. Cuajo para preparar quesos.

El cuajo se vende en farmacias, tanto en forma sólida como lí-quida.Antiguamente se usaba para hacer queso el “cuajo de mamí-feros” (trozo de estómago) o al-gunos vegetales (flor de cardo).El estómago posee una enzima llamada quimiosina o renina que coagula la leche. Actual-mente esta enzima se sintetiza en el laboratorio.

Actividades experimentales sugeridas

Primera actividad. Trabajando con mezclas

a) Elige tres tizas de diferentes colores y divídelas a la mitad. b) Corta en pequeños trocitos tres de las mitades de distintos

colores. c) Pulveriza en un mortero, por separado, el resto de las tizas. d) Realiza mezclas con los trocitos de tiza, usando dos colores por

vez y observa . e) Procede de igual manera con las tizas pulverizadas. Observa a

simple vista y con una lupa binocular (fig.1). f) Clasifica las mezclas según: • su aspecto a simple vista • su aspecto usando la lupa binocular g) Elabora una explicación para las diferencias encontradas.

Segunda actividad. Elaboración artesanal de queso fresco Algunos consejos previos • Es ideal fabricar el queso con leche recién ordeñada de animales

bien sanos. Es importante hervirla y dejarla enfriar hasta 35ºC antes de agregar el cuajo (fig. 2).

• Si se utiliza leche envasada en sachet, debe ser entera común y no ultrapasteurizada.

Proceso de elaboración a) Calentar 1 litro de leche hasta 35ºC. b) Agregar 0,5 cm3 de cuajo y 3,0 g de sal. c) Revolver hasta formar una masa compacta. d) Dejar enfriar 30 minutos en el mismo recipiente. e) Cortar la cuajada en trozos para poder separar el suero. f) Forrar un recipiente cilíndrico con una tela blanca y colocar la

cuajada adentro para moldear (fig .3). g) Atar la tela con un nudo y retirar del molde. h) Prensar y dejar madurar un mes, en lugar fresco (fig. 4).

Fig. 3. Elaboracion de quesos Fig. 4. Cuajada prensada


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Ampliando el horizonte...

Luego de leer atentamente el texto responde:

• ¿Quémétodo(s)deseparacióndefasesestaráutilizandoestaempresa?• ¿Considerasquelasempresasclasificadorasdedesechossonimprescin-

dibles?Argumenta.• Loselectroimanestienenaplicacionesmuyimportantes,entreellaslos

aceleradoresdepartículas.¿Quéusostienenloselectroimanesenlavidacotidiana?Investigayaportaalgunosejemplos.

Atansólo35kilómetrosdeMadridseencuentraunaminamuypeculiardondeseextraeoro,plata,aluminio,platino,mercurio...yplástico.Lacan-teranoestáformadaporenormesmasaspétreasconmillonesdeañosdeantigüedad,sinopormontañasdebasuracibernéticaquepasanporestece-menteriodigitalparaevitarquealgúnmetalomineralcontaminanteocier-tosproductosdelaalquimiamodernadañenalaMadreTierra.

Recytelesunacompañíaquerecicladiariamentehasta20toneladasde equipos informáticos y aparatos eléctricos y electrónicos que tiranempresas y particulares. En su planta de 25.000 metros cuadrados loscomponentessonclasificados,descontaminadosydesarmadosparaob-tenermateriasprimasquepuedanserreutilizadas.

Una vez que Recytel ha logrado aislar los componentes contaminan-tesdelosequiposinformáticos,vendeelrestodematerialescomomate-riasprimasparaotrascompañías:«Elplástico,porejemplo,seutilizaparalafabricacióndecajasderefrescosoperchas.Encuantoaloro,laplatayotrosmetales,sepuedenreutilizarparalaconstruccióndenuevosequipos informáticos.Y es que las plantas de reciclaje de este tipoforman parte de la nueva minería», explicó el director general deRecytel.

Lafasedeseparacióndelosdistintosmaterialesserealizaatravésdeunelectroimánomedianteunprocedimientomanual.

«Asíseconsiguendepositarencontenedoresdiferenteslosmeta-lesférricos,losnoférricos,elplástico,loscablesylasbaterías»,apun-taeldirectorcomercialdeRecytel.

Elcompromisomedioambientaldeestaempresanosequedasoloensulabordeclasificación,descontaminaciónytrituración.Lapropiacompañíautilizafuentesdeenergíaalternativasynocontaminantes.Elsecretoestáensuinstalaciónfotovoltaica:476panelessolaresquepro-ducen57.644kilowatiosanualesyevitanlaemisiónalaatmósferadeCO

2.

LacontribucióndeRecytelalcuidadodenuestroentornoyalehagran-jeadovariosgalardonesydistinciones.EntreellosseencuentraelpremiodeMedioAmbiente2005delaComunidaddeMadrid.

LecturaextraídadeELMUNDO Madrid-Martes,26dejuliode2005


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