Metode de Separare a Componentelor Amestecurilor PDF

METODE DE SEPARARE ALE COMPONENTELOR UNOR AMESTECURI ŞI DE PURIFICARE A SUBSTANŢELOR Un sistem material este un ansamblu de particule a căror stare poate fi descrisă prin mărimi de stare (temperatură, presiune, volum, densitate) și mărimi de compoziție (concentrație, raport molar). Acestea sunt sep...

METODE DE SEPARARE ALE COMPONENTELOR UNOR AMESTECURI ŞI DE PURIFICARE A SUBSTANŢELOR Un sistem material este un ansamblu de particule a căror stare poate fi descrisă prin mărimi de stare (temperatură, presiune, volum, densitate) și mărimi de compoziție (concentrație, raport molar). Acestea sunt separate de mediu sau alte sisteme prin pereți despărțitori sau limite mentale. Faza reprezintă o regiune omogenă a unei substanțe, separată de altele prin suprafețe de separare. Faze pot fi solide, lichide sau gazoase și pot fi pure (formate dintr-o singură substanță) sau de amestec (alcătuite din mai multe substanțe). Un sistem dispers este un sistem în care o substanță (faza dispersată) este răspândită într-o altă substanță (mediu de dispersie). Clasificarea acestuia depinde de starea de agregare a fazelor și de diametrul particulelor. Un sistem omogen este constituit dintr-o singură fază, fără suprafețe de separare, în care componentele nu pot fi distinse cu ochiul liber. În schimb, un sistem eterogen conține mai multe faze, separate prin suprafețe, iar proprietățile variază în sistem. Un amestec de substanțe este format din două sau mai multe substanțe care nu reacționează între ele. O substanță pură este un element sau compus chimic cu o structură și compoziție bine definite. Aceasta are proprietăți fizice constante, denumite constante fizice, care se mențin în condiții date. Puritatea unei substanțe este relativă, în funcție de metodele de detecție și îndepărtare a impurităților. Substanțele trebuie izolate din amestecuri și purificate pentru a fi studiate. Alegerea metodelor de purificare depinde de tipul amestecului și de natura componentelor. Proprietățile fizice utilizate pentru caracterizarea substanțelor includ: temperatura de topire și fierbere, densitatea, indicele de refracție, spectrele optice (infraroșu, ultraviolet), conductibilitatea electrică, proprietăți magnetice și mecanice. I. METODE DE SEPARARE ALE COMPONENTELOR UNUI AMESTEC ETEROGEN I.1. METODE DE SEPARARE ALE COMPONENTELOR UNUI AMESTEC ETEROGEN SOLID – SOLID 1. Triajul (cu penseta): Se utilizează pentru separarea manuală a componentelor vizibile, având o dimensiune suficient de mare pentru a fi manipulate cu penseta. 2. Cernerea: ○ Se folosește pentru amestecuri cu particule de dimensiuni mai mari de 1 mm. ○ Se face cu site din materiale precum aluminiu, cupru sau mătase, care sunt standardizate după mărimea ochiurilor (numărul de ochiuri pe cm²). ○ Permite analiza granulometrică a amestecurilor, adică determinarea proporției de particule cu dimensiuni diferite. 3. Separarea pe bază de greutate specifică - Flotația: ○ Exemplu: Amestec de pilitură de fier, sulf și nisip. Fe (fierul) se separă cu ajutorul unui magnet, iar restul (sulf + nisip) este tratat cu apă. Sulful plutește la suprafața amestecului solid-lichid, iar separarea se face prin decantare. 4. Dizolvarea selectivă a unui component într-un solvent:  ○ Unul dintre componentele amestecului se dizolvă într-un solvent selectiv. Apoi, soluția este separată de faza solidă prin filtrare. 5. Sublimarea: ○ Se realizează prin trecerea unei substanțe direct din stare solidă în stare gazoasă, fără a trece prin faza lichidă, și apoi condensarea vaporilor înapoi în stare solidă (solid → gaz → solid). ○ Sublimarea se întâmplă la o temperatură specifică, numită punct de sublimare, și are loc atunci când presiunea de vapori a substanței solide este egală cu presiunea exterioară. ○ Este o metodă rar utilizată, aplicabilă doar pentru substanțe care au această proprietate (ex. iod, naftalină, cafeină, etc.). Dacă sublimarea nu are loc la presiunea obişnuită, procesul se efectuează la presiune scăzută. I.2. METODE DE SEPARARE ALE COMPONENTELOR UNUI AMESTEC ETEROGEN SOLID – LICHID Decantarea: Se utilizează pentru separarea fazei lichide (decantat) de faza solidă, în urma procesului de sedimentare. Amestecul se lasă să se stabilească, iar faza lichidă se separă prin scurgere sau sifonare. Aplicații: suspensii greu filtrabile, volume mari de fază lichidă în suspensii ușor sedimentabile, spălarea precipitatelor. Atenție: Există riscul impurificării fazei lichide cu particule solide mici, care nu au sedimentat complet; recomandat filtrarea suplimentară. Filtrarea: Se separă faza lichidă de cea solidă folosind un material filtrant care permite trecerea lichidului (filtratul) și reține solidul (reziduu). Aplicații: Prepararea soluțiilor, precipitarea, cristalizarea și spălarea substanțelor solide. Eficiența filtrării depinde de: natura fazei lichide (vâscozitate), natura și dimensiunea particulelor solide, raportul fazelor și materialul filtrant (mărimea porilor, suprafața de filtrare, etc.). Materiale filtrante comune: hârtie de filtru, vată, sticlă poroasă, fibre de sticlă, pânză, etc. Tipuri de filtrare: ○ Filtrare la presiune normală (simplă): Lenta, cu separare satisfăcătoare a fazelor; folosită pentru soluții concentrate sau cristale fierbinți. ○ Filtrare la presiune scăzută (vid): Viteză mai mare, separare completă, folosită în recristalizare, cu echipamente speciale și sursă de vid. Centrifugarea: Separarea componentelor unui amestec cu greutăți specifice diferite, sub acțiunea forței centrifuge. Se folosește pentru separarea suspensiilor și emulsilor. Tipuri de centrifuge: ○ Centrifugă de decantare: Separa fazele pe baza densității. ○ Centrifugă de separare: Separă particulele de diferite dimensiuni și greutăți specifice. ○ Centrifugă de filtrare: Separa lichidul de solid printr-un material filtrant. ○ Centrifugă verticală (turbocentrifugă): Separă lichide cu densități diferite.  ○ Ultracentrifugă: Folosită pentru separarea dispersiilor coloidale, având turații foarte mari. Tipuri de funcționare: ○ Discontinuă: Necesită oprirea și descărcarea sedimentului. ○ Continuă: Procesul se realizează fără oprirea centrifugei. II. Separarea și Purificarea Substanțelor Lichide și Solide 1. Distilarea Separarea și purificarea componentelor din amestecuri lichide pe baza diferenței de volatilitate. Distilarea simplă: se face la presiune atmosferică pentru lichide stabile sau la vid pentru substanțe cu puncte de fierbere mari (>150°C). Eficientă pentru separarea componentelor cu volatilitate diferită. Distilarea fracționată: se folosește când componentele au puncte de fierbere apropiate, fiind necesară o coloană de fracționare pentru evaporări și condensări repetate. Distilarea la presiune redusă: folosită pentru substanțe cu temperaturi de descompunere mari, unde punctul de fierbere poate fi redus prin scăderea presiunii. 2. Cristalizarea și Recristalizarea Proces de separare a substanței solide sub formă de cristale dintr-o soluție, pentru purificare. Recristalizarea implică dizolvarea substanței în solvent, filtrarea soluției fierbinți, răcirea pentru a induce cristalizarea, filtrarea cristalelor și uscarea acestora. Alegerea solventului este crucială și depinde de solubilitatea diferită a substanței la cald și rece, stabilitatea substanței, toxicitatea și inflamabilitatea solventului. 3. Extracția Metodă de transfer a unor componenți ai unei faze într-o altă fază lichidă nemiscibilă. Extracția solid-lichid: obținerea componenților dintr-un solid prin macerare, digerare sau extracție Soxhlet. Extracția lichid-lichid: separarea componentelor dintr-o fază lichidă prin folosirea unui solvent adecvat. Alegerea solventului pentru extracție depinde de proprietățile de miscibilitate, selectivitate și toxicitate ale solventului. Cilindrul gradat: Este un vas de sticlă simplu și gradat, folosit pentru măsurarea aproximativă a volumelor (precizie scăzută). Capacitatea cilindrilor gradați variază de la 5 ml până la 1000 ml. Citirea volumului se face perpendicular pe meniscul inferior al lichidului, iar ajustările de precizie se pot realiza folosind o pipetă Pasteur. Pipeta gradată și pipeta cu bulă: Pipeta gradată: Are gradații intermediare și permite măsurarea precisă a volumelor mici de lichid (precizie ridicată). Capacitățile pipetelor variază între 1 ml și 50 ml. Pipeta cu bulă: Nu are gradații intermediare și este folosită pentru măsurarea unui volum exact specificat. Volumul este aspirat până la un semn specific, iar restul lichidului este lăsat să curgă liber, fiind calibrată să nu includă ultimele picături. Pentru lichide toxice, se folosește o pară de cauciuc care permite aspirarea lichidului în pipetă fără a intra în contact direct cu acesta. Para are valve pentru controlul lichidului în pipetă. Balonul cotat: Este destinat măsurării volumelor cu mare precizie și este folosit în special pentru prepararea și diluarea soluțiilor. Capacitățile baloanelor cotate variază între 5 ml și 1000 ml. Măsurarea exactă se face asigurându-se că meniscul lichidului atinge semnul superior al balonului, evitându-se încălzirea sau folosirea lichidelor calde în acest tip de vas. Biureta: Este un recipient de sticlă cilindric, utilizat pentru măsurarea volumelor cu precizie foarte ridicată, fiind esențial în procesele de titrare. Biuretele sunt disponibile în capacități de 25 și 50 ml, iar microbiuretele, de exemplu de 10 ml, oferă o precizie și mai mare. Se utilizează montată pe un stativ și se verifică integritatea robinetului sau clemei înainte de utilizare. După clătirea biuretei cu lichidul de lucru, se umple până la zero și se ajustează astfel încât meniscul inferior să fie exact pe diviziunea de referință. Scopul modificării temperaturii Accelerarea reacțiilor chimice Menținerea unei temperaturi constante pentru reacții endotermice sau exotermice Modificarea solubilității în operații de dizolvare, decantare, cristalizare Schimbarea stării de agregare prin vaporizare, condensare Uscarea produselor Conservarea compușilor Izolarea sau purificarea substanțelor Determinarea constantelor fizice, cum ar fi punctul de topire și de fierbere. Tipuri de echipamente pentru încălzire și răcire Echipamentele pot fi individuale (utilizate pentru un singur obiect) sau colective (accesibile tuturor lucrătorilor din laborator, cum ar fi etuva sau lada frigorifică). Surse de căldură și metode de încălzire Sursa de căldură poate proveni de la arderea gazelor combustibile (ex. becuri de gaz) sau de la echipamente electrice (ex. băi de apă, reșouri electrice, cuptoare). Există două metode principale de încălzire: 1. Încălzire directă: Sursa de căldură este în contact direct sau foarte apropiată de vasul de încălzit. 2. Încălzire indirectă: Căldura este transmisă printr-un mediu intermediar (gaz, lichid sau solid). Aparate pentru încălzirea directă Becul de gaz (ex. Bunsen, Teclu, Meker): ○ Becul Bunsen este cel mai comun în laboratoare. ○ Becul Meker permite atingerea unor temperaturi mai înalte, necesare în sinteza organică. ○ Înainte de utilizare, se verifică integritatea racordurilor și absența vaporilor inflamabili în zonă. ○ Pentru încălzirea directă, obiectele pot fi: Încălzite direct în flacără (ex. eprubeta) Încălzite pe un trepied cu sită metalică (ex. paharele Berzelius, capsulele, baloanele de sticlă, flacoanele Erlenmeyer) Încălzite pe un trepied cu un triunghi de șamotă (ex. creuzetul). Tipuri de flăcări: ○ Flacăra oxidantă (de culoare albăstruie): Se obține cu un raport gaz metan : aer de 1:3 și atinge cea mai înaltă temperatură în jumătatea superioară. Aceasta este utilizată pentru încălzirea directă. ○ Flacăra reducătoare (de culoare galbenă): Apare în lipsa aerului, când arderea metanului este incompletă, flacăra devine galbenă și mai rece, fiind mai potrivită pentru operațiuni care necesită o temperatură mai joasă. În laborator, băile de încălzire permit transferul de căldură de la o sursă (flacăra unui bec de gaz sau un încălzitor electric) prin intermediul unui mediu lichid, solid sau gazos. Substanțele utilizate în băile de încălzire stabilesc temperaturile maxime la care pot ajunge aceste băi, fiind clasificate după materialul folosit: Tipuri de băi de încălzire și utilizări 1. Băi de aer: ○ Utilizează site metalice între sursa de căldură și vas, pentru operațiuni care nu necesită transfer intens de căldură. 2. Băi de abur: ○ Folosite pentru distilarea lichidelor care fierb la temperaturi de până la 80°C. ○ Pot consta din pâlnii metalice cu evacuare pentru vapori condensați și un tub lateral pentru introducerea aburului. Temperatura aburului este constantă, menținută uneori de refluxul unui lichid. 3. Băi de apă: ○ Utilizate pentru operații ce necesită temperaturi sub 100°C. ○ Dispun de un sistem de reglare automată a nivelului apei bazat pe principiul vaselor comunicante și pot fi încălzite electric sau cu gaz. 4. Băi de ulei: ○ Permit atingerea unor temperaturi de aproximativ 200°C. ○ Uleiurile siliconate sunt preferate pentru că sunt stabile și mai puțin toxice. ○ Precauții necesare: ventilație adecvată pentru evitarea vaporilor toxici, evitarea contactului soluțiilor apoase cu uleiul fierbinte, și ștergerea atentă a vaselor după folosire. 5. Băi de parafină: ○ Ating temperaturi de 150-200°C, utilizate în operațiuni care necesită astfel de intervale de temperatură. 6. Băi de săruri topite: ○ Folosite pentru temperaturi de peste 300°C, conțin amestecuri de săruri, cum ar fi nitrat de sodiu (NaNO₃) și nitrat de potasiu (KNO₃). 7. Băi de metale topite: ○ Aplicate în situațiile ce necesită temperaturi foarte înalte, utilizând metale topite pentru a transfera căldura. 8. Băi de nisip: ○ Ating până la 350°C și constau într-un strat de nisip pe o tavă sau capsulă, în care vasele sunt așezate și înconjurate de nisip pentru distribuirea căldurii. ○ Dezavantaje: încălzire neuniformă, risc de fisurare a vaselor din sticlă. Alternativ, nisipul poate fi înlocuit cu pilitură de fier pentru o conductivitate mai bună a căldurii. Etuvele Funcționează pe baza ventilației aerului cald și sunt folosite pentru uscarea substanțelor, aparatelor și veselei de laborator. Pot funcționa și la presiune redusă și sunt dotate cu sisteme de aerisire sau ventilatoare reglabile. Tipuri de termometre utilizate în laborator 1. Termometrele cu mercur: ○ Acestea sunt cele mai frecvent utilizate în laborator și pot măsura temperaturi între -39°C (punctul de solidificare al mercurului) și 357°C (punctul de fierbere al mercurului). ○ Sunt utile pentru monitorizarea temperaturii substanțelor în procese de topire, fierbere sau reacții chimice. 2. Termometrele cu alcool și toluen: ○ Utilizate pentru temperaturi mai joase decât cele acoperite de termometrele cu mercur. ○ Termometrele cu alcool pot măsura temperaturi până la -70°C, iar cele cu toluen până la -100°C, fiind potrivite pentru lucrul cu substanțe sau reacții la temperaturi scăzute. 3. Termometrele cu eter de petrol sau pentan: ○ Se folosesc în situații ce necesită măsurarea temperaturilor extrem de scăzute, putând atinge temperaturi de până la -190°C. 4. Termometrele umplute cu gaz inert: ○ Umplute de obicei cu azot, sunt potrivite pentru măsurarea temperaturilor înalte, de peste 360°C, acolo unde termometrele cu mercur nu sunt eficiente sau sigure. Termocuplurile Pentru măsurarea temperaturilor foarte înalte sau în situațiile în care se dorește un dispozitiv de măsurare cu răspuns rapid, se utilizează termocuplurile. Termocuplurile constau în două plăci metalice formate din metale diferite, sudate sau nituite. Datorită fenomenului Seebeck, atunci când punctul de îmbinare al celor două metale este expus la căldură, se produce o diferență de potențial electric proporțională cu temperatura. Nu măsoară temperatura direct, ci intensitatea curentului electric generat, cu ajutorul unui galvanometru. Exemple de materiale utilizate în termocupluri sunt: Fe-Cu, Cu-Cr, Pt-Rh și Pt-Ir, fiecare tip fiind potrivit pentru un anumit interval de temperatură. Agenți de răcire 1. Aerul rece: ○ Folosit pentru a aduce un corp încălzit la temperatura camerei. Răcirea cu aer are o viteză destul de redusă și este utilizată în procese care nu necesită o răcire rapidă sau la temperaturi foarte joase. 2. Apa rece: ○ Utilizată prin intermediul băilor de apă sau refrigerentelor, apa rece este eficientă pentru răcirea la temperatura ambiantă și pentru controlul reacțiilor exoterme. Apa rece ajută la disiparea căldurii generate de reacție, menținând un control mai bun asupra temperaturii reacțiilor. 3. Băi de gheață: ○ Prin amestecarea gheții cu apă, se poate obține o baie de răcire care atinge 0°C. Apa este esențială în acest amestec, deoarece îmbunătățește contactul între gheață și recipientul de răcit. ○ Pentru a atinge temperaturi mai scăzute, se pot adăuga săruri ce reduc punctul de topire al gheții, precum NaCl, KCl sau CaCl₂ · 6H₂O. De exemplu: Un amestec de 3 părți gheață și 1 parte NaCl poate ajunge la -20°C. Un amestec de 4 părți gheață și 5 părți CaCl₂ · 6H₂O poate atinge -50°C. 4. Lichide cu punct de fierbere scăzut: ○ Amoniacul lichid (p.f. -33,4°C), dioxidul de sulf lichid (p.f. -10°C), clorura de metil (CH₃Cl) și freonul (CCl₂F₂) sunt utilizate în laborator pentru răcire. Prin evaporare, aceste lichide absorb căldură, răcind mediul înconjurător. ○ Lichidele cu puncte de fierbere scăzute sunt de asemenea utilizate în aparate frigorifice și pot asigura temperaturi constante și scăzute în diferite procese de laborator. 5. Dioxidul de carbon solid (zăpadă carbonică): ○ Comercializat sub formă de bucăți solide, CO₂ solid este utilizat frecvent pentru obținerea de temperaturi foarte scăzute. În combinație cu solvenți precum etanolul sau acetona, se pot obține temperaturi de până la -80°C. ○ Manipularea zăpezii carbonice necesită precauții speciale deoarece poate provoca arsuri severe pe piele și ochi. Aparatură frigorifică 1. Lăzi frigorifice: ○ Utilizate pentru menținerea compușilor stabili la temperaturi mai scăzute decât cea a camerei și pentru stocarea substanțelor volatile. 2. Refrigerente: ○ Aparatele de tip refrigerent permit recircularea unui agent de răcire (de obicei apă) printr-un sistem de tuburi, fiind utile în răcirea lichidelor volatile și a sistemelor de reacție. 3. Congelatoare și etuve pentru răcire: ○ Folosite pentru realizarea de reacții sau procese chimice care necesită temperaturi foarte scăzute, cum ar fi cristalizarea. Eficiente pentru păstrarea probelor instabile sau foarte reactive la temperatura mediului. Parametrii principali ai balanțelor 1. Precizia: Capacitatea balanței de a obține valori foarte apropiate de valoarea reală a masei. 2. Exactitatea: Gradul în care măsurătorile respectă valoarea reală. 3. Sensibilitatea: Capacitatea balanței de a detecta și măsura mici variații de masă. 4. Fidelitatea: Repetabilitatea măsurătorilor efectuate cu aceeași balanță, în aceleași condiții. Tipuri de balanțe în funcție de sensibilitate 1. Balanțe tehnice: Cu o sensibilitate de până la 10−210^{-2}10−2 g, sunt utilizate pentru măsurători grosiere. 2. Balanțe farmaceutice: Sensibilitatea lor este de până la 10−310^{-3}10−3 g, utile în măsurători mai precise, de obicei în prepararea rețetelor farmaceutice. 3. Balanțe semimicroanalitice: Cu o sensibilitate de până la 10−510^{-5}10−5 g, pentru determinări chimice precise. 4. Balanțe analitice: Sensibilitate între 10−410^{-4}10−4 și 10−510^{-5}10−5 g, folosite pentru analiza chimică cantitativă. 5. Balanțe microanalitice: Cu sensibilitate de până la 10−610^{-6}10−6 g, pentru măsurători extrem de precise. 6. Balanțe ultramicroanalitice: Cele mai sensibile, atingând sensibilități de până la 10−710^{-7}10−7 g. Tipuri de balanțe utilizate în laborator 1. Balanța tehnică (mecanică): ○ Construită cu talere suspendate de o pârghie montată pe un suport deschis. Este folosită pentru cântăriri de substanțe cu mase între 1 g și 1 kg, oferind o precizie moderată, de ordinul gramelor. 2. Balanța electrică: ○ Balanță cu un singur platan, având greutățile în interior, selectabile manual. Sensibilitatea și precizia sunt variabile, în funcție de model. 3. Balanța analitică: ○ Proiectată pentru cântăriri precise de sub 100 g, folosită în analiza cantitativă. Este adesea plasată într-o cutie din sticlă pentru a preveni interferențele cauzate de curenții de aer. 4. Balanța electronică: ○ Poate înregistra variațiile de masă în timp real, fiind ideală pentru procese care necesită monitorizarea continuă a masei. Reguli de bază la cântărire 1. Cântărirea ar trebui, ori de câte ori este posibil, să se realizeze direct în recipientul în care va fi utilizată substanța, pentru a evita pierderile prin transfer. 2. Dacă este necesar transferul, recipientul trebuie clătit bine, iar substanța reziduală trebuie adăugată în soluția finală, ceea ce implică utilizarea cântăririi prin diferență. 3. Pentru determinarea masei unui lichid cu densitate cunoscută, măsurarea volumului este de preferat cântăririi, pentru rezultate mai precise. O soluție este un sistem omogen format din două sau mai multe componente, în care faza dispersată este fin dispersată la nivel molecular sau ionic. Componentele unei soluții sunt: 1. Solventul: Substanța în care se dizolvă cel puțin o altă substanță, fiind componentul predominant în soluție și își menține starea fizică după procesul de dizolvare. Cel mai cunoscut solvent anorganic este apa. 2. Solutul: Substanța dizolvată în solvent, prezentă sub formă de ioni sau molecule solvatați. În cazul apei ca solvent, solutul este hidratat, formând soluții acvatice. Dizolvarea Dizolvarea este procesul fizico-chimic prin care o substanță (solut) trece în soluție, realizându-se o amestecare omogenă cu solventul, rezultând o soluție stabilă. Concentrația soluțiilor se referă la cantitatea de substanță dizolvată într-o anumită cantitate de soluție sau solvent, reprezentând gradul de diluție sau concentrație al soluției. Tipuri de soluții în funcție de concentrație 1. Soluție diluată: Conține o cantitate mică de substanță dizolvată comparativ cu cantitatea totală de soluție. 2. Soluție concentrată: Conține o cantitate mare de substanță dizolvată în raport cu volumul soluției. 3. Soluție saturată: Este soluția cu concentrația maximă posibilă pentru un anumit solut, în condiții date (presiune, temperatură). În cazul unei soluții saturate de substanțe ionice, se stabilește un echilibru dinamic între ionii dizolvați și cei care se recristalizează, menținându-se o concentrație constantă. 4. Soluție nesaturată: Conține o concentrație mai mică decât cea a soluției saturate și poate dizolva suplimentar o cantitate de solut. 5. Soluție suprasaturată: Conține o cantitate de solut mai mare decât cea permisă de solubilitate, în condițiile date, fiind un sistem instabil. Relația dintre temperatură și concentrație De obicei, solubilitatea solutului în solvent crește odată cu temperatura, astfel încât o soluție saturată la o temperatură mai mică devine nesaturată când temperatura crește. La scăderea temperaturii, se poate produce cristalizarea, procesul invers dizolvării, în care ionii din soluție se rearanjează pentru a forma cristale solide, restabilind echilibrul inițial.