Sistemas heterogéneos: métodos de separación de fases

Al realizar actividades industriales, domésticas, agrarias, de investigación, y otras, frecuentemente nos vemos en la necesidad de separar las fases de sistemas heterogéneos.

Por ejemplo, al realizar la toma de agua del río para su potabilización, se deben separar las ramas, bolsas de nylon, las hojas, arena, etc.

En la cocina también se realiza separación de fases. Del huevo crudo separamos la clara de la yema. En la preparación de café, se separa la parte sólida de la líquida. Al preparar una torta es frecuente tamizar (cernir) los ingredientes secos.

Cerniendo harina

Existen diferentes métodos para separar las fases de un sistema heterogéneo. Estos métodos se basan 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, volatilidad, etc.

Métodos de separación de fases
Explicaremos algunos métodos de separación de fases aplicados a sistemas de dos fases (difásicos). Con estos conocimientos, es posible elegir los métodos, y el orden adecuado,  para separar las fases de sistemas polifásicos.

Tamización
Aplicación
Se aplica a sistemas formados por dos fases sólidas granuladas, donde los gránulos de una fase tienen diferente tamaño que los gránulos de la otra fase.

Ejemplo
Sistema formado por arena y pedregullo.

Materiales necesarios
Tamiz, criba o cernidor.

Tamiz

Fundamento
Los orificios del tamiz son suficientemente grandes para dejar pasar a través de ellos los gránulos de la fase sólida pulverizada, pero son lo suficientemente pequeños para retener los gránulos de mayor tamaño de la otra fase.

Tamización

 

Decantación
Aplicación
Se aplica a sistemas formados por dos fases líquidas (no miscibles).

Ejemplo
Sistema formado por agua y aceite.

Materiales necesarios
Embudo de decantación,vaso de bohemia, soporte.

Embudo de decantación

Fundamento
El embudo de decantación está diseñado para que el sistema colocado 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.

Decantación

Sedimentación
Aplicación
Se aplica a sistemas formados por una fase sólida pulverizada que se encuentra en suspensión en una fase líquida.

Ejemplo
Sistema formado por talco y agua.


Materiales necesarios
Cualquier recipiente, por ejemplo un vaso de bohemia.

Fundamento
La fase sólida finamente dividida al ser más densa que la fase líquida, se irá depositando en el fondo del recipiente debido a la fuerza de atracción gravitatoria.

Sedimentación

El 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.

Filtración
Aplicación
Se aplica a sistemas similares a los descritos en el método anterior; es decir, con una fase sólida pulverizada en suspensión en una fase líquida.

Ejemplo
Sistema formado por azufre y agua.

Materiales necesarios
Papel de filtro (u otro material poroso: algodón, tela, cerámica, vidrio sinterizado), soporte, embudo, vaso de bohemia y varilla de vidrio.

Papel de filtro

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.

Filtración

Centrifugación
Aplicación
Se aplica sistemas formados por una fase líquida y una fase sólida en suspensión.


Ejemplo
Sistema formado por talco y agua.

Materiales necesarios
Centrífuga, tubos de centrífuga.

Centrífuga

Tubos de centrífuga

Fundamento
Este método utiliza una centrífuga que acelera el proceso sedimentación. Mediante el 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 transvasa el líquido a otro recipiente. Este método se basa en el concepto de fuerza centrífuga.

Imantación
Aplicación
Se aplica a sistemas formados por dos fases sólidas, donde una de ellas tiene propiedades magnéticas.

Ejemplo
Sistema formado por arena y limaduras de hierro.

Materiales necesarios
Imán y un recipiente.


Fundamento
Se logra separar fácilmente ambas fases utilizando un imán, porque una de las fases tiene la propiedad de ser atraída por él y la otra no.

Imantación

Otros métodos de separación de fases
Con el sistema formado por yodo sólido y arena es posible analizar dos métodos más para separar sus fases.

Sublimación
Este método se fundamenta en la propiedad del yodo de sublimar (pasar del estado sólido al estado gaseoso). El yodo en forma de vapor, al encontrar una superficie a menor temperatura, se deposita en la forma de pequeños cristales. La arena queda en el fondo del recipiente.

Separación de fases por sublimación: el yodo sublima, la arena permanece en el fondo del recipiente.

Disolución selectiva
Este método se aplica para separar sistemas formados por dos sólidos con diferente solubilidad en un líquido determinado.
Por ejemplo el sistema yodo-arena.
En este caso, podemos aprovechar que el yodo tiene la propiedad de ser soluble en alcohol (etanol) y la arena no. Entonces al agregar alcohol al sistema, el yodo queda disuelto en él y la arena se deposita en el fondo del recipiente.
Luego, mediante filtración, se separa la arena de la fase líquida (yodo disuelto en alcohol) y por último se evapora el alcohol y se recupera el yodo.

Aclaración: No se confundan, el líquido que se agrega para hacer la disolución no forma parte del sistema original, es un "medio" que utilizamos para separar las fases del sistema disolviéndolas selectivamente. El líquido agregado se evapora al final para recuperar la fase sólida que se disolvió en él.

Yodo disuelto en alcohol. Como la arena no se disuelve en alcohol, queda en el fondo del recipiente.

Fuente: "Todo se transforma". Saravia, Segurola, Nassi. Editorial Contexto.

Sistemas

Para efectuar un análisis de sangre un bioquímico necesita extraer una muestra. La misma es su objeto de estudio y constituye un sistema material. Para estudiar las propiedades del agua contenida en un vaso, es suficiente tomar una muestra de la misma, la cual constituye otro sistema material. Lo mismo podemos decir de un trozo de oro, o de una botella con agua mineral, o de la propia botella.

En general:

Todo aquello que sea de nuestro interés específico, es un sistema material.

Entonces podemos decir que:

Todo cuerpo o conjunto de cuerpos que es objeto de nuestro estudio es un sistema material.

Otra manera de definir sistema material:

Sistema material: parte del universo que se aísla para su estudio y control.

Los sistemas materiales pueden clasificarse desde dos puntos de vista:

1- Según su interacción con el medio que los rodea

Sistemas abiertos:

Son aquellos que intercambian materia y energía (en general en forma de calor) con el medio que los rodea.

Ejemplo:

Un frasco abierto que contiene perfume, permite el intercambio de su vapor (masa) con el medio ambiente a través de la boca y de calor (energía) por las paredes de la botella.

Sistemas cerrados:

Son los que no intercambian materia, pero sí energía con su entorno.

Ejemplo:

Si ahora cerramos el frasco con un tapón, impedimos que los vapores de los componentes del perfume se escapen hacia el exterior. Ahora tenemos un sistema cerrado, dado que no hay intercambio de materia con el medio ambiente aunque pueda intercambiar energía en forma de calor.

Sistemas aislados:

Son aquellos que no intercambian ni materia ni energía con el medio ambiente.

Ejemplo:

Si a al frasco lo aislamos rodeándolo con una cubierta aislante, estamos en presencia de un sistema aislado. Este sería el caso de un termo.

2- Según las propiedades de la materia

Sistemas homogéneos:

Son aquellos en los que sus propiedades intensivas no cambian a lo largo de todo el sistema, es decir, cualquier porción del sistema tiene los mismos valores de sus propiedades intensivas que el resto.

Podemos decir que un sistema homogéneo es uniforme y no presenta ningún límite de separación.

Homo: significa igual o idéntico.

Ejemplo:

Supongamos que tenemos un recipiente con agua y extraemos una muestra del líquido con el objetivo de determinar su punto de ebullición normal. Al efectuar la determinación observamos que el valor obtenido es 100°C. Si hacemos lo mismo con otra muestra extraída  del mismo recipiente, también encontraremos el mismo resultado. Es evidente que cualquiera sea la muestra de agua que tomemos, el punto de ebullición es el mismo. Es más: cualquier otra propiedad intensiva que determinemos, como por ejemplo la densidad, es la misma en todo el sistema. Decimos que la muestra de agua contenida en el vaso es homogénea.

Otros ejemplos de sistemas homogéneos:

-Un trozo de oro puro.

-Una muestra de agua salada.

-El gas contenido en una garrafa.

Sistemas heterogéneos:

Son aquellos en los cuales los valores de las propiedades intensivas varían según la porción de sistema que se esté considerando.

Hetero: significa diferente o distinto.

Ejemplo:

Si al recipiente con agua del ejemplo anterior, le agregamos unas gotas de aceite, veremos que éste flota en el agua. Esto se debe a que a densidad del aceite es menor que la del agua. El sistema dejó de ser homogéneo, porque el aceite no tiene las mismas propiedades intensivas que el agua.

Otro ejemplo:

Una bebida enfriada con cubitos de hielo es otro ejemplo de un sistema heterogéneo, porque las propiedades intensivas del hielo son distintas que las de la bebida.

Los ejemplos que hemos estudiado nos muestran que los sistemas heterogéneos no son uniformes, sino que presentan partes separadas por superficies de discontinuidad bien definidas.

Cada una de esas partes que tiene iguales valores de las propiedades intensivas, constituye una fase del sistema.

Fase:

Es cada porción de un sistema material con iguales valores de sus propiedades intensivas.

Podemos afirmar que:

Todo sistema homogéneo está constituido por una sola fase (monofásico).

Todo sistema heterogéneo tiene dos o más fases (polifásico).

Es común que tu profesor te pida que clasifiques diferentes sistemas. Por eso, para terminar, te ofrecemos algunas preguntas que podrías plantearte en el momento de clasificar un sistema determinado y que  pueden servirte como guía para esa tarea.

Texto  extraído y adaptado del libro "Química básica" de Di Risio, Roverano, Vazquez.