Procesos Clave de Separación Química: Destilación, Fraccionamiento y Evaporación
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Sistemas Inmiscibles y Principios de Ebullición
La ebullición se produce cuando la suma de las tensiones de vapor de los componentes de una mezcla iguala a la presión que reina en el espacio gaseoso.
Destilación: Fundamentos y Tipos
La destilación es un proceso fundamental en química para separar componentes de una mezcla líquida basándose en sus diferentes puntos de ebullición.
Tipos de Destilación
Destilación Simple
Consiste en calentar una mezcla líquida para evaporar el componente más volátil, luego enfriar ese vapor para que vuelva a ser líquido y recogerlo por separado.
Destilación de Equilibrio o Cerrada
El líquido de una composición definida se lleva a cabo a una temperatura constante hasta que se establece el equilibrio entre las fases líquida y vapor.
Destilación Diferencial o Abierta
El líquido se calienta hasta que comienza la ebullición y el vapor producido se retira continuamente del espacio gaseoso, dirigiéndolo a un condensador separado.
Destilación a Baja Presión (Al Vacío)
La destilación al vacío se emplea para sustancias inestables a su temperatura de ebullición o con puntos de ebullición muy elevados. Puede alcanzar presiones inferiores a 1 mm Hg, logrando descender la temperatura de ebullición entre 80 y 150 ºC. Los equipos de destilación al vacío requieren uniones esmeriladas y un sellado hermético para evitar la entrada de aire.
Destilación por Arrastre de Vapor
Este método separa sustancias insolubles en agua y con alto punto de ebullición. Permite destilar a menor temperatura, evitando la descomposición de los componentes. La presión atmosférica total (Ptotal) es la suma de la presión de vapor del líquido inmiscible (Plíquido) y la presión de vapor del agua (Pagua):
Ptotal = Plíquido + Pagua
Cálculos de Rendimiento en Destilación
Las siguientes fórmulas se utilizan para calcular los porcentajes de líquido (L) y gas (G) en ciertos procesos de destilación:
L(%) = (y - xº) / (y - x) · 100
G(%) = (xº - x) / (y - x) · 100
Destilación Fraccionada o Rectificación: Separación Eficiente
La destilación fraccionada, también conocida como rectificación, es el proceso más utilizado para separar líquidos volátiles. Se realiza en una columna de rectificación, donde el vapor asciende y el líquido (reflujo) desciende, permitiendo un contacto eficiente entre ambos en contracorriente.
Componentes de una Columna de Rectificación
Existen dos tipos principales de columnas: de platos y de relleno. Un sistema de rectificación típico consta de:
- Calderín: Donde hierve la mezcla a separar.
- Columna: Aislada térmicamente para mantener el gradiente de temperatura.
- Condensador: Donde se forma el reflujo y el destilado.
Evaporación: Concentración y Recuperación de Sustancias
La evaporación consiste en eliminar los componentes volátiles no deseados de una mezcla líquida mediante calentamiento a una temperatura inferior al punto de ebullición.
Aplicaciones de la Evaporación
- Concentrar disoluciones.
- Recuperar sólidos disueltos.
- Determinar extractos secos.
El calor suele suministrarse con vapor de agua saturado.
Cálculos y Diagrama de la Evaporación
Presión de Vapor de una Disolución
Al disolver un soluto no volátil en un disolvente, la presión de vapor de la disolución disminuye. Esta disminución es directamente proporcional a la fracción molar del soluto (Ley de Raoult).
Sistemas de Evaporación en el Laboratorio
Evaporación al Aire Libre
Se utilizan recipientes anchos y poco profundos (como cápsulas o cristalizadores) para maximizar la superficie de evaporación.
Evaporación Mediante Calor
Es el método más común. La disolución se calienta suavemente con un mechero Bunsen, baño maría o baño de arena. Se recomienda cubrir los recipientes para evitar la contaminación.
Evaporación en Vacío
Es el método más rápido y eficiente, ideal para sustancias termolábiles. Reduce significativamente la temperatura de evaporación. Se puede realizar utilizando cámaras de vacío o evaporadores rotativos (rotavapor).