En esta lección
Llévatelo
- Diapositivas de la lección (en inglés) (PDF)
- Hoja de práctica (próximamente)
Pregunta esencial
¿Cómo nos ayudan las fuerzas intermoleculares a separar una solución?
Al terminar esta lección, deberías poder explicar por qué la filtración no puede separar una solución y usar las diferencias en las fuerzas intermoleculares para explicar los resultados de la cromatografía y la destilación.
El video está en inglés. ¿El video no carga? Míralo en YouTube.
Los límites de la filtración
- La filtración solo retira los sólidos no disueltos, como la arena en el agua.
- Las partículas disueltas, como los iones de la sal o las moléculas de azúcar, son mucho más pequeñas que los agujeros del papel filtro, así que lo atraviesan sin problema.
- Para separar las partes de una solución, necesitamos métodos basados en las diferencias en las fuerzas intermoleculares (FIM).
Los granos de arena nunca se disolvieron, así que quedan atrapados en el papel filtro. Todo lo que se disolvió está repartido en partículas individuales y pasa junto con el agua.
Métodos de separación
La filtración separa según el tamaño de las partículas, así que solo funciona con mezclas heterogéneas. En una solución, la cromatografía separa los componentes según qué tan fuerte los atraen dos fases distintas, y la destilación los separa según su punto de ebullición. Las dos se reducen a diferencias en las FIM.
Montaje de la cromatografía
- Fase estacionaria: se queda en su lugar. En la cromatografía en papel, es el papel.
- Fase móvil: el disolvente, que sube por el papel por acción capilar y arrastra la muestra consigo.
- Frente del disolvente: la línea donde el disolvente deja de avanzar.
Dos detalles de laboratorio son importantes. Dibuja la línea de salida con lápiz, porque la tinta de pluma también se separaría. Mantén el nivel del disolvente por debajo de la línea de salida, o la muestra se disolverá en el vaso en lugar de subir por el papel.
Separación por cromatografía
Cada componente de la mezcla es atraído por las dos fases, como en un jaloneo de cuerda. La fase móvil arrastra a cada componente y la fase estacionaria lo retiene.
- Atraído con más fuerza por la fase móvil → recorre más distancia
- Atraído con más fuerza por la fase estacionaria → se queda cerca de la salida
- Distintas intensidades de FIM dan distintas distancias, y así es como se separa la mezcla.
Polaridad y distancia
El papel de cromatografía está hecho de celulosa, que tiene muchos grupos O-H, así que el papel es polar. Los componentes polares se pegan a él mediante fuerzas dipolo-dipolo y puentes de hidrógeno.
| Fase estacionaria | Fase móvil | Recorre más distancia |
|---|---|---|
| Polar (papel) | Disolvente menos polar | Componente menos polar |
| Recubrimiento no polar | Disolvente polar (agua) | Componente más polar |
Lo semejante atrae a lo semejante: el componente más parecido a la fase móvil es el que recorre más distancia. Un cromatograma sirve para deducir las polaridades relativas de los componentes de una mezcla.
Tipos de cromatografía
- En papel: la fase estacionaria es el papel.
- En capa fina (CCF): una placa de vidrio o plástico cubierta con una capa delgada de sólido, casi siempre sílice.
- En columna: un tubo relleno de sólido. El disolvente se vierte por arriba y cada componente se puede recoger cuando sale por abajo.
Distinto equipo, la misma idea: los componentes se separan según su atracción hacia la fase estacionaria frente a la fase móvil.
Factor de retención (Rf)
Rf = distancia recorrida por la mancha ÷ distancia recorrida por el disolvente
- Mide las dos distancias desde la línea de salida.
- El Rf siempre está entre 0 y 1 y no tiene unidades, porque los centímetros se cancelan.
- Rf más alto → más atraído por la fase móvil. Rf más bajo → más atraído por la fase estacionaria.
Destilación
- Separa líquidos con distintos puntos de ebullición.
- Se calienta la mezcla: el componente con el punto de ebullición más bajo se evapora primero.
- El condensador, enfriado con agua corriente, convierte el vapor de nuevo en líquido, llamado destilado.
El termómetro de arriba mide la temperatura del vapor que sale del matraz, así que puedes saber qué componente está pasando.
Destilación y FIM
- FIM más débiles → mayor presión de vapor → punto de ebullición más bajo
- El componente con las FIM más débiles es el primero que hierve.
- El etanol (78 °C) se destila antes que el agua (100 °C).
El etanol y el agua forman puentes de hidrógeno, pero el agua puede formar más puentes de hidrógeno por molécula, así que en total sus FIM son más fuertes. El etanol pasa al vapor con más facilidad, así que el vapor sobre la mezcla es sobre todo etanol. El primer destilado es rico en etanol, pero no será perfectamente puro.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Cálculo del Rf
En un experimento de cromatografía en papel, el frente del disolvente avanzó 8.0 cm desde la línea de salida. Un colorante rojo avanzó 2.4 cm. ¿Cuál es el valor de Rf del colorante rojo?
Mostrar la solución
- Datos: distancia recorrida por el disolvente = 8.0 cm, distancia recorrida por la mancha = 2.4 cm. Se busca Rf.
- Ecuación: Rf = distancia recorrida por la mancha ÷ distancia recorrida por el disolvente
- Sustituye: Rf = 2.4 cm ÷ 8.0 cm. Los centímetros se cancelan, así que no hay unidades.
- Resuelve: 2.4 ÷ 8.0 = 0.30
- Respuesta: Rf = 0.30 (2 cifras significativas, sin unidades)
Revisión: 0.30 está entre 0 y 1, así que tiene sentido. Como el Rf es bajo, el colorante rojo es más atraído por el papel que por el disolvente.
Ejemplo 2: Lectura de un cromatograma
Se separaron tres colorantes en papel polar con un disolvente no polar. ¿Cuál colorante es el más polar? Justifica tu respuesta con fuerzas intermoleculares.
Mostrar la solución
- Identifica las fases: la fase estacionaria (papel) es polar. La fase móvil (disolvente) es no polar.
- Compara las distancias desde la línea de salida: A recorrió la mayor distancia, C una distancia media y B la menor.
- Conecta con las FIM: B se quedó más cerca de la salida, así que tiene la atracción más fuerte hacia el papel polar, mediante fuerzas dipolo-dipolo o puentes de hidrógeno.
- Respuesta: El colorante B es el más polar. Recorrió la menor distancia, lo que muestra que tiene las atracciones intermoleculares más fuertes hacia el papel polar.
Extra: El colorante A es el menos polar. Fue el más atraído por el disolvente no polar, así que recorrió la mayor distancia.
Ejemplo 3: Predicción del orden de destilación
Se destila una mezcla de pentano (C5H12) y hexano (C6H14). ¿Cuál compuesto se recoge primero en el matraz receptor? Justifica tu respuesta con fuerzas intermoleculares.
Mostrar la solución
- Identifica las FIM: los dos son hidrocarburos, así que los dos son no polares. Su única FIM son las fuerzas de dispersión de London (FDL).
- Compara los tamaños: el hexano tiene un carbono más, así que tiene más electrones y una nube de electrones más grande y más polarizable. El pentano tiene FDL más débiles.
- Conecta con el punto de ebullición: FDL más débiles → mayor presión de vapor → punto de ebullición más bajo. El pentano hierve a unos 36 °C y el hexano a unos 69 °C.
- Respuesta: El pentano se recoge primero. Tiene una nube de electrones más pequeña, así que tiene fuerzas de dispersión de London más débiles, una presión de vapor mayor y un punto de ebullición más bajo que el hexano.
Ejemplo 4: Elección de un método
Elige el mejor método para separar cada mezcla y explica tu elección: (a) arena y agua, (b) etanol y agua, (c) los colorantes de la tinta negra.
Mostrar la solución
- (a) Arena y agua: filtración. La arena no se disuelve, así que queda atrapada en el papel filtro mientras el agua pasa.
- (b) Etanol y agua: destilación. Forman una solución, así que la filtración no funciona. Tienen FIM de distinta intensidad y distintos puntos de ebullición, así que el etanol hierve primero.
- (c) Colorantes de la tinta negra: cromatografía. Los colorantes están disueltos y tienen distintas polaridades, así que son atraídos de manera distinta por la fase estacionaria y la fase móvil y se reparten en manchas separadas.
Práctica
La hoja de práctica llegará pronto.
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- La filtración solo separa sólidos no disueltos. No puede separar las partes de una solución.
- La cromatografía separa los componentes según su atracción hacia la fase estacionaria frente a la fase móvil.
- Rf = distancia recorrida por la mancha ÷ distancia recorrida por el disolvente, siempre entre 0 y 1.
- En la destilación, el componente con FIM más débiles tiene mayor presión de vapor y es el primero que hierve.
Consejo para el examen: en las preguntas de respuesta libre, no te quedes en “es más polar”. Nombra la FIM y di por cuál fase es más atraído el componente. También pueden pedirte que identifiques o dibujes un montaje de laboratorio, así que aprende las partes de un montaje de cromatografía y de un aparato de destilación.
De vuelta a la pregunta esencial: las fuerzas intermoleculares nos permiten separar una solución porque los componentes con FIM de distinta intensidad recorren distancias distintas en la cromatografía y hierven a temperaturas distintas en la destilación. A continuación, el Tema 3.10 explica por qué unas sustancias se disuelven y otras no.
Alineación con AP
Esta lección cubre el Tema 3.9, Separación de soluciones y mezclas, de la Unidad 3 (Propiedades de sustancias y mezclas) de la Descripción del curso y del examen (CED, por sus siglas en inglés) de AP Chemistry del College Board. Objetivo de aprendizaje:
- 3.9.A: Explicar los resultados de un experimento de separación con base en las interacciones intermoleculares.
Conocimiento esencial: 3.9.A.1
Habilidad sugerida: 2.C Pregunta y método. Identificar procedimientos experimentales que correspondan con la pregunta (lo que puede incluir un dibujo de un montaje de laboratorio).