Separación de soluciones y mezclas
Después de un picnic del Fourth of July, Emma deja caer una gota de tinta de marcador verde sobre un papel humedecido y observa algo curioso: la mancha verde se abre en una banda amarilla y otra azul. ¿Cómo puede un papel "desarmar" un color? La respuesta está en las fuerzas entre partículas, y es la clave de todas las separaciones de este apartado.
Separar con propiedades físicas
Una mezcla se puede separar sin reacciones químicas, porque cada componente conserva sus propiedades. Solo hace falta encontrar una propiedad física que sea distinta y un método que la aproveche.
| Propiedad que difiere | Método | Ejemplo |
|---|---|---|
| Tamaño de partícula / solubilidad | Filtración | Arena y agua |
| Punto de ebullición | Destilación | Etanol y agua |
| Atracción por una fase estacionaria vs. una móvil | Cromatografía | Pigmentos de una tinta |
La filtración (filtration) separa un sólido no disuelto de un líquido: las partículas grandes quedan en el papel de filtro, y el líquido pasa. Pero una sal disuelta pasa con el agua, porque sus iones son diminutos. Para recuperar la sal hay que evaporar el agua.
Nombra una propiedad física que sea diferente entre los componentes de cada mezcla y que sirva para separarlos: (a) etanol y agua, (b) arena y sal disuelta en agua, (c)…
Nombra una propiedad física que sea diferente entre los componentes de cada mezcla y que sirva para separarlos: (a) etanol y agua, (b) arena y sal disuelta en agua, (c) los pigmentos de color de la tinta de un marcador.
Destilación
La destilación (distillation) separa líquidos miscibles con distintos puntos de ebullición. Se calienta la mezcla; el vapor, más rico en el componente más volátil, sube, pasa por un condensador refrigerado y se recoge como líquido (el destilado).
¿Cuál sale primero? El que tiene fuerzas intermoleculares más débiles, porque necesita menos energía para escapar al gas y por eso hierve a menor temperatura.
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Hexano ($\text{C}_6\text{H}_{14}$): solo fuerzas de dispersión de London.
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Etanol: dispersión, dipolo-dipolo y puentes de hidrógeno (más fuertes que en el hexano, pero menos extensos que en el agua).
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Agua: cada molécula puede formar hasta cuatro puentes de hidrógeno (dos con sus H y dos con sus pares libres del O), así que sus atracciones son más fuertes que las del etanol, que forma menos por molécula y tiene una cadena de carbono no polar. Por eso el agua hierve a 100 °C y el etanol a 78 °C.
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NaCl disuelto: enlaces iónicos muy fuertes, con punto de ebullición enorme; no destila y queda en el matraz.
Una mezcla de hexano ($\text{C}6\text{H}{14}$, no polar) y etanol ($\text{C}2\text{H}5\text{OH}$, con puentes de hidrógeno) se separa por destilación simple. ¿Cuál…
Una mezcla de hexano ($\text{C}_6\text{H}_{14}$, no polar) y etanol ($\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$, con puentes de hidrógeno) se separa por destilación simple. ¿Cuál sustancia destila primero? Explica en términos de fuerzas intermoleculares y punto de ebullición.
Una mezcla contiene agua (punto de ebullición 100 °C), etanol (78 °C) y cloruro de sodio disuelto. (a) Describe una secuencia de pasos de separación para aislar etanol…
Una mezcla contiene agua (punto de ebullición 100 °C), etanol (78 °C) y cloruro de sodio disuelto. (a) Describe una secuencia de pasos de separación para aislar etanol puro y recuperar la sal. (b) Explica, en términos de fuerzas a nivel de partículas, por qué el etanol hierve a menor temperatura que el agua y por qué la sal no destila. (c) Explica por qué una sola destilación simple de una mezcla de etanol y agua no produce etanol 100% puro.
Cromatografía y R_f
La cromatografía (chromatography) separa los componentes de una mezcla según cuánto se "pegan" a una fase estacionaria frente a cuánto se disuelven en una fase móvil.
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Fase estacionaria: no se mueve (papel, gel de sílice).
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Fase móvil: se mueve y arrastra la mezcla (el disolvente).
En la cromatografía en papel (paper chromatography), el papel es polar. El disolvente sube por capilaridad y arrastra cada componente.
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Un componente con más atracción por la fase estacionaria se queda cerca de la línea de partida.
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Un componente con más atracción por la fase móvil viaja más lejos.
Para comparar, se calcula el factor de retención:
Por qué funciona: ambas distancias se miden en el mismo papel y tiempo, así que $R_f$ depende solo de la competencia entre atracciones. Un $R_f$ cercano a 1 significa que el componente prefiere el disolvente; cercano a 0, que prefiere el papel.
En la cromatografía en papel, ¿cuáles son la fase estacionaria y la fase móvil? ¿Cuál componente de una mezcla sube más por el papel: el que tiene más atracción por el…
En la cromatografía en papel, ¿cuáles son la fase estacionaria y la fase móvil? ¿Cuál componente de una mezcla sube más por el papel: el que tiene más atracción por el papel o el que tiene más atracción por el disolvente?
En un experimento de cromatografía en papel, la mancha de un colorante recorrió 3.0 cm mientras que el frente del disolvente recorrió 6.0 cm desde la línea de partida.…
En un experimento de cromatografía en papel, la mancha de un colorante recorrió 3.0 cm mientras que el frente del disolvente recorrió 6.0 cm desde la línea de partida. Calcula el factor de retención ($R_f$) del colorante.
Emma hace un cromatograma en papel de una tinta verde. El frente del disolvente avanza 8.0 cm. El componente amarillo avanza 6.4 cm y el componente azul avanza 2.0 cm.…
Emma hace un cromatograma en papel de una tinta verde. El frente del disolvente avanza 8.0 cm. El componente amarillo avanza 6.4 cm y el componente azul avanza 2.0 cm. (a) Calcula el valor de $R_f$ de cada componente. (b) ¿Cuál componente tiene atracciones más fuertes con el papel polar? Explica.
TLC y cromatografía en columna
El mismo principio sirve con otras fases estacionarias:
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TLC (thin-layer chromatography): una placa recubierta con gel de sílice polar. Se calcula $R_f$ igual que en papel.
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Cromatografía en columna: un tubo lleno de gel de sílice por el que se hace pasar el disolvente; los compuestos salen (eluyen) a distintos tiempos.
Con sílice polar y disolvente no polar:
| Compuesto | Atracción por la sílice | Comportamiento |
|---|---|---|
| No polar | Débil (solo dispersión) | Viaja con el disolvente: $R_f$ alto, sale primero |
| Polar | Fuerte (dipolo-dipolo, puentes de H) | Se retiene: $R_f$ bajo, sale después |
Si se cambia a un disolvente más polar, este compite mejor con la sílice por los compuestos polares: todos los compuestos viajan más y los $R_f$ aumentan, sobre todo los de los compuestos polares. Se pierde separación, porque salen casi juntos.
En la cromatografía en columna, se usa una columna de gel de sílice polar para separar un compuesto no polar A de un compuesto polar B con un disolvente no polar. ¿Cuál…
En la cromatografía en columna, se usa una columna de gel de sílice polar para separar un compuesto no polar A de un compuesto polar B con un disolvente no polar. ¿Cuál compuesto sale primero de la columna? Explica y describe qué pasaría si el disolvente se cambiara por uno mucho más polar.
Un estudiante separa tres compuestos en una placa de TLC de sílice polar usando un disolvente no polar. El frente del disolvente recorre 7.5 cm. El compuesto P recorre…
Un estudiante separa tres compuestos en una placa de TLC de sílice polar usando un disolvente no polar. El frente del disolvente recorre 7.5 cm. El compuesto P recorre 6.0 cm, el compuesto Q recorre 3.0 cm y el compuesto R recorre 0.75 cm. (a) Calcula cada $R_f$. (b) Ordena los compuestos de menos polar a más polar y justifica usando fuerzas intermoleculares. (c) Predice cómo cambiarían los valores de $R_f$ si se usara un disolvente más polar y explica.
Resumen
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Una mezcla se separa aprovechando una propiedad física distinta en sus componentes.
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La filtración separa sólidos no disueltos; la destilación separa líquidos por punto de ebullición (el de fuerzas intermoleculares más débiles destila primero).
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Una destilación simple no da etanol 100% puro; la sal disuelta no destila.
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En cromatografía, el componente con más atracción por la fase móvil viaja más.
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$R_f = d_{\text{componente}}/d_{\text{disolvente}}$, entre 0 y 1; un $R_f$ bajo indica mayor atracción por la fase estacionaria polar.
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Un disolvente más polar aumenta los $R_f$ en una fase estacionaria polar.