CAPÍTULO 3 / TEMA 3

Sistemas heterogéneos

Cuando un sistema material cuenta con distintas propiedades intensivas en por lo menos dos de sus puntos, estamos hablando de un sistema heterogéneo. Un sistema de este tipo tiene dos o más fases. Generalmente, para su separación se utilizan mecanismos físicos y de menor consumo de energía.

TIPOS DE MEZCLAS HETEROGÉNEAS

Se pueden estudiar dos tipos de mezclas heterogéneas: las mezclas groseras y las mezclas finas o suspensiones.

¿Sabías qué?
El antiácido conocido como leche magnesia es una suspensión.
  • Mezclas groseras

Son mezclas heterogéneas cuyos componentes se diferencian fácilmente debido a su gran tamaño.

EL GRANITO

El piso de granito es un ejemplo de mezcla grosera, ya que a simple vista se pueden notar las partículas que lo conforman en sus diversos colores.

  • Suspensiones

Están formadas por una fase sólida con baja solubilidad que se encuentra dispersa en la fase liquida. Las fases son más difíciles de diferenciar debido al ínfimo tamaño de la partícula.

RÍO NEGRO

El río más importante de la región amazónica, conocido como río Negro, es un ejemplo de suspensión. Al llegar a zonas donde el caudal y la velocidad de la corriente disminuyen, se depositan los sedimentos que estaban dispersos en el agua.

SEPARACIÓN DE MEZCLAS

Por medio de diferentes métodos de separación de fases se puede separar una mezcla heterogénea. Algunos de ellos son: la decantación, la tamización, la filtración y la imantación. Se llaman métodos mecánicos a aquellos que no producen transformaciones en los componentes de la mezcla, es decir, que no provocan cambios de estado ni de tamaño de las partículas de cada fase.

Utilizar uno u otro método de separación depende de las propiedades físicas de los componentes de la mezcla, como la diferencia de tamaño entre sus partículas, la capacidad de ser atraídos por un imán y la densidad, entre otras.

Decantación

Cuando en una mezcla hay componentes líquidos que no se disuelven entre sí, por lo que sus fases se pueden distinguir, se usa un instrumento denominado embudo de decantación. Se deja la mezcla en reposo dentro del mismo y la sustancia más densa queda en el fondo del recipiente, luego podemos quitarla y dejar la menos densa.

 

Ampolla de decantación.

Filtración

Se recurre a este método para separar un sólido suspendido en un líquido, como el agua y la arcilla. Para esto hay que utilizar una barrera, que puede ser un material poroso como el papel de filtro, por ejemplo. Se hace pasar la mezcla por la placa que tiene poros para que el líquido se escurra y el sólido quede retenido.

Los automóviles usan el filtrado. El filtro de aceite y el de la gasolina evitan que la mecánica del vehículo se deteriore con rapidez.

Centrifugación

Es una técnica que se emplea para precipitar un sólido suspendido en un líquido. Se necesita una centrífuga, que es un instrumento que al girar genera una fuerza, la cual empuja el sólido al fondo del tubo. Al cabo de un tiempo se retiran los tubos y el líquido se puede volcar o tomar con un gotero.

PLASMA

Para obtener el plasma rico en plaquetas se usa el centrifugado. Generalmente es usado en terapias para la recuperación de fracturas y problemas en el sistema óseo.

Tamizado

Cuando las partículas de una mezcla de sólidos tienen distintos tamaños, se puede usar este método para separarlas. Se utiliza un tamiz a través del cual se pasa la mezcla. Las partículas más grandes quedarán sobre el mismo, mientras que las más pequeñas pasarán al otro lado.

El tamiz es una rejilla metálica que deja pasar los componentes más pequeños y atrapa los más grandes.

Levigación

Es el famoso procedimiento que emplean los buscadores de oro. Consiste en hacer pasar una corriente de agua por una mezcla de diferentes sólidos no solubles en ella, así, son arrastrados los componentes más livianos y quedan en el plato los de mayor peso. Una variante de esta técnica es la de utilizar viento en vez de agua, en este caso el método se denomina ventilación.

Imantación

Es usado un imán cuando una de las fases de la mezcla está compuesta por sustancias con propiedades magnéticas, con el fin de separarlo del resto. Por ejemplo, se pueden extraer limaduras de hierro mezcladas con arena, procedimiento muy utilizado para reciclar el acero.

La imantación es muy útil para reciclar materiales ferrosos.

MEZCLAS HETEROGÉNEAS EN LA VIDA COTIDIANA

En la cocina podemos destacar numerosas mezclas heterogéneas: la leche y el cereal, el agua y el aceite, el agua y la pasta, y los componentes de una ensalada. Con realizar un proceso físico podemos separar sus componentes de manera sencilla.

LA COCINA

Leche con cereal: una típica mezcla heterogénea para desayunar.

Al lavar los utensilios de cocina se mezclan el agua y los aceites.

Para la preparación del café tradicional se realiza una mezcla usando el filtrado.

Al tamizar la harina se obtienen mejores resultados en la preparación.

RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo destacado “Mezclas y soluciones”

Información complementaria para identificar los tipos de mezclas y las técnicas de separación de las mismas.

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Infografía “Técnicas de separación de mezclas”

Material gráfico que describe los métodos de separación de mezclas.

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Infografía “Mezclas homogéneas y heterogéneas”

Con este recurso podrá ampliar el conocimiento sobre las diferencias entre mezclas homogéneas y heterogéneas.

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Formas físicas en que se presenta la materia

La materia puede presentarse en dos formas distintas: homogénea y heterogénea, según que sus propiedades y su composición sean las mismas en cualquier punto o cambien al pasar de un punto a otro. La homogeneidad, tal como se entiende en química, es, pues, homogeneidad respecto a la subdivisión.

En cambio, un material heterogéneo es una mezcla en la que cada porción homogénea de la misma constituye lo que se denomina una fase. Una roca de granito, por ejemplo, es un material heterogéneo en el que se pueden observar a simple vista distintos componentes: partículas pequeñas y oscuras de mica, cristales de cuarzo duros y transparentes, y cristales oblongos y grises de feldespato. Cada fase de una mezcla presenta distintas propiedades y la separación de las mismas puede en general realizarse por medios mecánicos.

Sustancia pura y disolución

Una sustancia pura o especie química es una fase homogénea de composición constante. Si la composición de una fase homogénea puede variar se habla de disoluciones. Las disoluciones pueden ser de distintos tipos, pero las más comunes son de un sólido en un líquido; por ejemplo, de sal común en agua.

La composición de una sustancia o cuerpo puro no varía con los cambios de estado. Así, el agua tiene la misma composición en forma de hielo, de agua líquida o de vapor. Si se varía la presión, la temperatura de fusión (o solidificación) de una sustancia pura también varía, pero tampoco en este caso cambia la composición del líquido (o sólido) que se obtiene. En cambio, la composición de una disolución sí varía con los cambios de estado o con los cambios de presión y temperatura. Por ejemplo, si se enfría una disolución en agua caliente de sal común, parte de la sal precipita, ya que la sal es más soluble en agua caliente que en agua fría.

 

Una disolución puede variar su composición luego de un cambio de estado.

Elementos y compuesto químicos

El agua y el azufre, por ejemplo, son sustancias puras, pero la primera es un compuesto y la segunda es un elemento o, en otras palabras, la molécula de agua está formada por dos átomos de distinto tipo (hidrógeno y oxígeno), mientras que la molécula de azufre está formada únicamente por átomos de azufre. Si sometemos el agua a cambios de estado, su composición no varía (es una sustancia pura), pero por medios químicos podemos descomponerla en hidrógeno y oxígeno, sus elementos constituyentes. Esto puede lograrse, por ejemplo, haciendo pasar vapor de agua sobre hierro calentado al rojo: el hierro extraerá el oxígeno de las moléculas de agua dando origen a la formación de un óxido de hierro, mientras que el hidrógeno quedará libre.

Con el azufre es imposible hacer algo así: podemos calentarlo y su molécula pasará de una forma (alotrópica) a otra, pero seguirá estando formada únicamente por átomos de azufre. También podemos intentar hacerlo reaccionar con otro elemento o con un compuesto, pero siempre tendremos lo mismo: azufre que no ha entrado en combinación o bien azufre que se ha combinado con otros elementos, nunca dos componentes distintos de esa sustancia que a la que llamamos azufre, por la simple razón de que se trata realmente de un elemento químico y, por lo tanto, está constituido por un único tipo de átomos.

Disoluciones

Las disoluciones o soluciones son sistemas formados de dos componentes: el disolvente y el soluto.

Se llama disolvente al componente más abundante, y soluto al que se halla en menor cantidad; sin embargo, en la práctica, en muchos casos no queda claramente delimitado cuál de los componentes es el soluto y cuál el disolvente.

En el lenguaje corriente, cuando se habla de disoluciones se suele hacer referencia a disoluciones de un soluto sólido en un disolvente líquido (casi siempre agua, con mucho el más común de los disolventes de sustancias inorgánicas), pero de hecho hay otros ocho tipos de disoluciones, ya que tanto el soluto como el disolvente pueden estar en estado sólido, líquido o gaseoso.

En una solución solo se distingue una fase de la materia.

La mayoría de las reacciones químicas se producen con las sustancias reaccionantes disueltas, y para el reconocimiento de una sustancia o la determinación de algunas de sus características a menudo es conveniente recurrir a su disolución. De ahí la gran importancia que posee su estudio. Por ahora sólo indicaremos que conviene distinguir entre disoluciones diluidas (poco soluto), concentradas (bastante cantidad de soluto) y saturadas (aquellas en que el disolvente no puede admitir más soluto). En disolución acuosa muchos compuestos se ionizan y entonces estas disoluciones son conductoras de la electricidad.

Disolventes fundamentales para el químico son: el agua, el agua destilada, los ácidos y bases inorgánicos, la bencina, el alcohol ordinario, la acetona, el éter, el sulfuro de carbono, etcétera.

Dispersiones coloidales

La distinción entre mezcla y disolución a partir de su homogeneidad o heterogeneidad es muy precisa en el ejemplo del granito y puede asimismo ser suficientemente precisa en el caso de las suspensiones. Un ejemplo de suspensión puede ser la de arena muy finamente pulverizada mezclada en agua: a diferencia de lo que ocurriría si se tratase de una disolución, la arena acaba por depositarse, aunque lo hará tanto más lentamente cuanto menores sean las partículas. La explicación de este diferente comportamiento estriba en que en una suspensión las partículas están constituidas por agrupaciones de un número muy grande de moléculas, mientras que en una disolución las partículas son moleculares.

Un caso menos evidente es el de las dispersiones coloidales, en las que las partículas tienen un tamaño que, aun siendo considerablemente superior al de las partículas en disolución, es muy inferior al de las partículas de las suspensiones, hasta el punto de que las partículas coloidales pasan a través de todos los filtros corrientes y no se depositan ni siquiera después de un período de reposo prolongado. Para fijar ideas, se puede afirmar que si el tamaño de las partículas es mayor que 0,2 (micras, siendo 1 = 10-3 mm) nos hallamos ante una suspensión; cuando está comprendido entre 0,2 y 1 m (milimicra, 10-6 mm), se trata de una dispersión coloidal, y si es menor que 1 m, se puede hablar propiamente de disolución. En el caso de las dispersiones coloidales, se habla de fase dispersa y de medio de dispersión, conceptos equivalentes a los de soluto y disolvente usados en el caso de las disoluciones. Como en el caso de las disoluciones, existen nueve tipos distintos de dispersiones coloidales, correspondientes a los tres posibles estados de la fase dispersa y del medio dispersante.

Separación de mezclas heterogéneas

En muchas ocasiones, tanto en el laboratorio como en la industria, se plantea la necesidad de separar los distintos componentes de una mezcla. Entre las distintas técnicas que se emplean con este fin cabe mencionar las siguientes:

  • Para separar sólidos de líquidos:
  • Separación por decantación, que consiste en dejar que el sólido acabe por depositarse en el fondo de un recipiente (en ocasiones, la decantación puede acelerarse por centrifugación);
  • Separación por filtración, en la que se utiliza un material (papel de filtro, porcelana porosa, etc.) que por el tamaño de sus poros permite el paso del líquido pero no el de las partículas sólidas;
  • Separación por centrifugación, basada en que las partículas en suspensión o en dispersión resultan afectadas por la fuerza centrífuga, con lo que tienden a escapar de la masa del líquido (esta técnica se emplea, por ejemplo, en la industria azucarera).
  • Para separar sólidos de sólidos:
  • Separación magnética, utilizable para extraer, por ejemplo, partículas de hierro o de otro metal ferromagnético de una mezcla;
  • Separación por levigación, que se basa en someter la mezcla a un chorro de agua, que arrastra con mucha mayor facilidad las partículas menos densas (se usa, por ejemplo, para separar una mezcla de arena y oro, aprovechando que este último es mucho más denso);
  • Separación por disolución, que puede usarse, por ejemplo, para extraer la sal de una mezcla de arena y sal: se añade agua, con lo que la sal se disuelve, y después, tras filtrar la disolución, el agua se evapora, con lo que la sal precipita.
  • Para separar líquidos inmiscibles:
  • Separación por centrifugación, según el principio ya explicado (también se emplea para la separación de emulsiones);
  • Separación por decantación, que en este caso suele hacerse usando un embudo de decantación, el cual, al abrir su llave, permite la salida del líquido de mayor densidad.

Separación de disoluciones

La separación de los diversos componentes de una disolución es más difícil que la de los componentes de una mezcla, ya que en este caso los medios puramente mecánicos no son efectivos y es preciso recurrir al calentamiento de la disolución para llevar a cabo la separación a partir del vapor:

  • Disolución de un sólido en un líquido: separación por evaporación, que se realiza calentando la disolución en una vasija abierta y poco profunda, con lo que, al irse evaporando el líquido, la disolución se va concentrando y, si se prosigue hasta la total evaporación del líquido, se obtiene el soluto precipitado.
  • Disolución de un líquido en otro: separación por destilación simple, aplicable cuando los puntos de ebullición de los dos líquidos son notablemente diferentes y en la que se procede calentando la disolución hasta una temperatura algo superior al punto de ebullición del líquido más volátil y condensando por enfriamiento el vapor recogido.
  • Disolución de varios líquidos en otro líquido: separación por destilación fraccionada, que se basa en que cada líquido tiene un punto de ebullición distinto; puede realizarse en una sola operación mediante las llamadas columnas de fraccionamiento, tal como se hace en el caso del petróleo crudo.
Proceso de destilación simple.