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Física y Química 3.º ESO · Métodos de separación de mezclas

Cromatografía y destilación fraccionada

Objetivo: Al terminar, sabrás explicar en qué consisten la cromatografía y la destilación fraccionada, interpretar un cromatograma sencillo y diseñar la secuencia de métodos para separar todos los componentes de una mezcla.

Explicación

La cromatografía

Sirve para separar (y sobre todo identificar) sustancias que están mezcladas en muy poca cantidad, como los colorantes de una tinta o los pigmentos de una hoja.

Se pone una gota de la mezcla cerca del borde de una tira de papel de filtro (o de una tiza), que es la fase fija.
El borde del papel se mete en un disolvente (agua, alcohol…), que es la fase móvil, sin que la mancha toque el líquido.
El disolvente sube por el papel y arrastra los componentes de la mezcla. Cada componente avanza a distinta velocidad, según lo que se disuelva en el disolvente y lo que se «pegue» al papel.
Al final, cada componente queda como una mancha a distinta altura: es el cromatograma.

Si dos manchas de muestras distintas llegan a la misma altura con el mismo disolvente y tienen el mismo color, probablemente son la misma sustancia. Por eso la cromatografía se usa en los laboratorios de análisis (alimentos, control antidopaje, análisis clínicos…).

La destilación fraccionada

La destilación simple funciona bien si los líquidos tienen temperaturas de ebullición muy distintas. Si son parecidas, o hay muchos componentes, se usa la destilación fraccionada: entre el matraz y el refrigerante se coloca una columna de fraccionamiento. Los vapores suben por ella, se condensan y se vuelven a evaporar muchas veces; a lo alto de la columna llega sobre todo el componente más volátil. Así se recogen fracciones a distintas temperaturas.

Aplicaciones:

Refinerías de petróleo: en una torre de destilación se separa el petróleo en fracciones (valores aproximados):

Fracción	Temperatura de ebullición aprox.	Sale por…
Gases (propano, butano)	menos de 30 °C	lo más alto
Gasolina	30–180 °C
Queroseno (combustible de aviones)	180–250 °C
Gasóleo	250–350 °C
Fuelóleo, aceites lubricantes, asfalto	más de 350 °C	la base

Aire líquido: se enfría el aire hasta que se licúa y después se calienta poco a poco. Se separan el nitrógeno (−196 °C), el argón (−186 °C) y el oxígeno (−183 °C), que se usan en hospitales e industria.
Bebidas destiladas: separar el alcohol del agua y otros componentes en un alambique.

Separar todos los componentes de una mezcla

Muchas mezclas necesitan varios métodos seguidos. Para diseñar la secuencia:

Haz una lista de los componentes y de sus propiedades (¿es magnético?, ¿se disuelve en agua?, ¿flota?, ¿a qué temperatura hierve?).
Separa primero lo más fácil (sólidos grandes, lo magnético, los líquidos que no se mezclan).
Si un sólido es soluble y otro no, disuelve en agua y filtra.
Recupera el soluto por evaporación o cristalización, o el disolvente por destilación.

Puntos clave

Cromatografía: el disolvente (fase móvil) arrastra los componentes por el papel (fase fija) y cada uno avanza a distinta velocidad.
La cromatografía sirve para separar e identificar sustancias en muy poca cantidad.
Destilación fraccionada: líquidos con temperaturas de ebullición parecidas o muchos componentes; usa una columna de fraccionamiento.
En una torre de destilación de petróleo, las fracciones más volátiles salen arriba y las menos volátiles abajo.
Para separar mezclas complejas se encadenan métodos, eligiendo cada uno por una propiedad.

Errores frecuentes

ErrorMeter la mancha de tinta dentro del disolvente.
Cómo corregirloLa mancha debe quedar por encima del nivel del disolvente; si no, la tinta se disuelve en el vaso y no sube por el papel.
ErrorPensar que en la cromatografía el componente que más sube es el que más cantidad tiene.
Cómo corregirloSube más el que mejor se disuelve en el disolvente y menos se «pega» al papel, no el más abundante.
ErrorCreer que en la torre de petróleo los productos «pesados» suben.
Cómo corregirloArriba salen los más volátiles (temperatura de ebullición más baja, como los gases y la gasolina); abajo, los menos volátiles (asfalto, fuelóleo).

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. ¿De qué colores está hecha la tinta negra? experimental
En una tira de papel de filtro se dibuja un punto con un rotulador negro soluble en agua, a 2 cm del borde inferior. Se mete el borde en un vaso con 1 cm de agua y se espera 15 minutos. El agua sube hasta 10 cm y aparecen tres manchas: una amarilla a 8 cm, una roja a 5 cm y una azul a 3 cm. a) ¿Qué conclusión sacas? b) ¿Qué colorante es el más arrastrado por el agua? c) ¿Por qué el punto debe quedar por encima del nivel del agua?

Resolución
a) La tinta negra no es una sustancia pura: es una mezcla de al menos tres colorantes (amarillo, rojo y azul) que, juntos, se ven negros. b) El amarillo, que es el que más ha subido: es el que mejor se disuelve en el agua y menos se queda retenido en el papel. c) Si el punto quedara sumergido, la tinta se disolvería en el agua del vaso en lugar de subir por el papel, y no se separaría.
Ejemplo 2. La torre de destilación de una refinería situación real (tabla de datos)
Usando la tabla de fracciones del petróleo, responde: a) ¿Qué fracción se recoge en la parte más alta de la torre? ¿Por qué? b) Una fracción se recoge a unos 220 °C. ¿Cuál es? c) ¿Por qué no basta una destilación simple para separar el petróleo?

Resolución
a) Los gases (propano y butano): son los más volátiles (hierven por debajo de unos 30 °C), así que su vapor sube hasta arriba sin condensarse. b) A unos 220 °C (entre 180 y 250 °C) se recoge el queroseno. c) El petróleo es una mezcla de cientos de sustancias con temperaturas de ebullición muy próximas. Con una destilación simple saldrían mezcladas; en la torre se separan por fracciones, cada una con sustancias de temperaturas de ebullición parecidas.

Ejemplo 3. Arena, sal y limaduras de hierro diseño de una secuencia de separación

Tienes una mezcla de arena, sal y limaduras de hierro. Diseña cómo separarías los tres componentes y recuperarías cada uno por separado.

Resolución

Paso	Método	Qué se separa	Propiedad
1	Separación magnética (imán)	las limaduras de hierro	el hierro es magnético
2	Disolver en agua y remover	la sal se disuelve, la arena no	solubilidad en agua
3	Filtración	la arena queda en el filtro (se deja secar)	tamaño: la arena no está disuelta
4	Evaporación o cristalización del filtrado	se obtiene la sal	el agua se evapora, la sal no

Si además quisiéramos recuperar el agua, en el paso 4 destilaríamos en lugar de evaporar.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
En una cromatografía en papel: a) ¿cuál es la fase fija y cuál la fase móvil? b) ¿Por qué se separan los componentes de la mezcla? c) ¿Para qué tipo de mezclas es útil este método?

Ver solución
a) Fija: el papel; móvil: el disolvente. b) Porque cada componente avanza a distinta velocidad. c) Mezclas homogéneas con componentes en muy poca cantidad (tintas, pigmentos).
a) Fase fija: el papel (o la tiza). Fase móvil: el disolvente que sube. b) El disolvente arrastra los componentes, pero cada uno avanza a distinta velocidad según lo que se disuelva en el disolvente y lo que quede retenido por el papel, así que quedan a distintas alturas. c) Para separar e identificar componentes de mezclas homogéneas que están en muy poca cantidad: tintas, colorantes alimentarios, pigmentos vegetales…
2. Media
Se hace una cromatografía de tres rotuladores, A, B y C, y de una tinta X encontrada en una nota. Con el mismo disolvente se obtienen estas manchas (altura sobre el punto de partida):
- A: una mancha azul a 3 cm.
- B: una mancha roja a 5 cm y una amarilla a 8 cm.
- C: una mancha verde a 6 cm.
- X: una mancha azul a 3 cm, una roja a 5 cm y una amarilla a 8 cm. ¿Con qué rotulador o rotuladores pudo escribirse la nota?
Ver solución
La tinta X coincide con una mezcla de A y B (o con un rotulador que tenga esos mismos colorantes). No contiene C.
Comparamos manchas del mismo color a la misma altura:
- La mancha azul a 3 cm coincide con A.
- Las manchas roja (5 cm) y amarilla (8 cm) coinciden con B.
- No hay mancha verde a 6 cm: no hay tinta de C. La tinta X contiene los colorantes de A y de B. Puede que se usaran los dos rotuladores o un rotulador distinto con esos mismos tres colorantes.
3. Media
El aire líquido se calienta lentamente desde −200 °C. Sus principales componentes hierven a estas temperaturas: nitrógeno −196 °C, argón −186 °C, oxígeno −183 °C. a) ¿Cuál se evapora primero? ¿Y el último? b) ¿Por qué hace falta una destilación fraccionada y no basta una simple?

Ver solución
a) Primero el nitrógeno; el último, el oxígeno. b) Porque sus temperaturas de ebullición son muy próximas.
a) Se evapora primero el de menor temperatura de ebullición: nitrógeno (−196 °C); después el argón (−186 °C) y por último el oxígeno (−183 °C). b) El argón y el oxígeno hierven con solo 3 °C de diferencia (y el nitrógeno, a 10–13 °C de ellos). En una destilación simple saldrían mezclados; la columna de fraccionamiento permite separarlos.
4. Media
Con la tabla de fracciones del petróleo: a) ¿Qué fracción se recoge a unos 300 °C? b) ¿Sale más arriba o más abajo de la torre que la gasolina? ¿Por qué? c) ¿Es la gasolina una sustancia pura?

Ver solución
a) Gasóleo. b) Más abajo, porque es menos volátil. c) No, es una mezcla de muchas sustancias.
a) 300 °C está entre 250 y 350 °C: gasóleo. b) Más abajo: tiene mayor temperatura de ebullición (es menos volátil), así que se condensa antes, en una zona más baja y caliente de la torre. c) No: es una fracción, una mezcla de muchas sustancias con temperaturas de ebullición parecidas (entre unos 30 y 180 °C).
5. Difícil
Tras un pequeño vertido, se recoge en un bote una mezcla de agua de mar, arena y aceite. Diseña los pasos para obtener por separado: la arena, el aceite, la sal y agua sin sal. Indica en cada paso el método y la propiedad en que se basa.
Ver solución
Filtrar (arena); decantar con embudo de decantación (aceite); destilar el agua salada (agua destilada en el colector y sal en el matraz).
1. Filtración: la arena queda en el filtro (no está disuelta; tamaño de partícula). Pasan el agua salada y el aceite. (Antes se puede dejar reposar y decantar la arena.)
2. Decantación en embudo de decantación: el aceite, menos denso e inmiscible, queda arriba; se deja salir el agua salada por la llave (densidad).
3. Destilación del agua salada: el agua hierve, se condensa en el refrigerante y se recoge agua sin sal; la sal queda en el matraz (distinta temperatura de ebullición).

Para practicar más

1. Fácil
¿En qué se diferencian la destilación simple y la fraccionada? Pon un ejemplo de mezcla que separarías con cada una.

Ver solución
La fraccionada lleva columna de fraccionamiento y separa líquidos con temperaturas de ebullición parecidas. Simple: agua y sal (o agua y acetona); fraccionada: petróleo o aire líquido.
La simple separa líquidos con temperaturas de ebullición muy distintas, o un líquido de un sólido disuelto (por ejemplo, obtener agua destilada del agua del grifo, o separar agua y acetona). La fraccionada añade una columna de fraccionamiento y separa líquidos con temperaturas de ebullición parecidas o mezclas de muchos componentes (petróleo, aire líquido, alcohol y agua).
2. Media
El orujo y otros aguardientes se obtienen destilando en un alambique el líquido fermentado de la uva, que tiene agua (100 °C) y etanol (unos 78 °C). a) ¿Qué componente se evapora antes? b) El destilado que sale tiene mucho más etanol que el líquido de partida, pero sigue llevando agua. ¿Por qué?

Ver solución
a) El etanol. b) Porque sus temperaturas de ebullición no están muy separadas y parte del agua también se evapora.
a) El etanol, que tiene menor temperatura de ebullición. b) Las temperaturas de ebullición (78 °C y 100 °C) no están muy separadas: a la temperatura a la que hierve la mezcla, también se evapora parte del agua y pasa al destilado. Con una sola destilación simple no se obtiene etanol puro; hacen falta varias destilaciones o una destilación fraccionada.
3. Fácil
Se hace una cromatografía con un extracto de hojas de espinaca en alcohol y aparecen cuatro bandas de colores (dos verdes, una amarilla y una naranja). ¿Qué conclusión puedes sacar sobre el color verde de las hojas?

Ver solución
El verde de la hoja es una mezcla de varios pigmentos (al menos cuatro).
El extracto no es una sustancia pura: el color de la hoja se debe a una mezcla de al menos cuatro pigmentos (clorofilas verdes y otros pigmentos amarillos y anaranjados, los carotenoides). En las hojas verdes predominan las clorofilas, que tapan a los demás; en otoño, al destruirse la clorofila, se ven los amarillos y naranjas.
4. Media
Diseña cómo separarías una mezcla de arena, agua y alcohol, recuperando los tres componentes. Justifica cada paso.
Ver solución
Filtrar (arena) y después destilar (primero sale el alcohol y queda el agua).
1. Filtración: la arena no se disuelve y queda en el papel; se deja secar.
2. Destilación del filtrado (agua + alcohol, que forman una disolución): el alcohol, con menor temperatura de ebullición (unos 78 °C), se evapora antes, se condensa y se recoge; el agua queda en el matraz. Para separarlos mejor se usa una destilación fraccionada.
5. Difícil
Un alumno tiene 30 g de una mezcla de arena y sal. La echa en agua, remueve, filtra y deja secar la arena, que pesa 18 g. a) ¿Qué masa de sal debería obtener al evaporar el filtrado? b) ¿Cuál era el tanto por ciento en masa de sal en la mezcla? c) Al evaporar obtiene 11,2 g de sal. Propón una causa de la diferencia.

Ver solución
a) 12 g. b) 40 %. c) Por ejemplo, quedó sal pegada al papel o al vaso, o salpicó al evaporar.
a) $30 - 18 = 12$ g de sal. b) $\dfrac{12}{30} \cdot 100 = 40\ \%$ . c) Faltan 0,8 g. Puede que no se lavara bien el filtro y quedara disolución en el papel y en la arena, que se perdiera algo al trasvasar o que la sal salpicara al calentar demasiado rápido.