Operaciones Físico-Químicas

Tema 3: Operaciones Físico−Químicas Básicas
• Filtración:
Es un proceso mediante el cual se separa dos o más sustancias que se encuentran mezcladas y para realizar la
operación de filtrado, se usan embudos sobre los que colocaremos papeles de filtro donde nos quedara
retenida la parte sólida.
Los filtros tienen un tamaño de foro determinado, pudiéndose en algunos casos calcular el tamaño de la
partícula retenida. Nuestro papel de filtro es de celulosa con un 20% de H2O absorbido, y el tamaño del poro
será más o menos grande según el tamaño del sólido a separar.
Los papeles del filtro van numeradas y las numeraciones según aumente el tamaño del poro es menor. El filtro
puede ser de pliegues que se utiliza para filtraciones más rápidas y filtros lisos que se utilizan para filtrajes
más lentos.
• Centrifugación:
En este proceso se logra separar de un liquido una parte sólida por medio de la fuerza centrífuga para ello se
utilizan aparatos que son las centrífugas y en anatomía se utilizan las citocentrífugas. En las centrifugas
normales lo que se introducen son tubos y en las citocentrífugas lo que introducimos son portaobjetos con un
dispositivo especial, con el fin de obtener restos celulares que están contenidos en un líquido. Se someten en
las muestras a un movimiento de rotación y es importante que las muestras estén equilibradas en el aparato,
una frente a otra.
• Decantación:
Es la separación de dos gases por acción de la gravedad, generalmente un sólido mezclado con un líquido o
dos líquidos de distinta densidad, se dejan reposar y se hace un vertido directo del líquido superior o bien se
elimina con una pipeta.
• Medidas de Volumen y Capacidad.
Para medir un volumen utilizaremos el menos recipiente capaz de medir.
Cuando hablamos de volumen nos referimos a sólidos y cuando hablamos de capacidad nos referimos a
líquidos. Sin embargo los confundimos y hablamos de volúmenes refiriéndonos a líquidos.
Para medir capacidades los recipientes que usaremos serán recipientes de boca ancha como vasos de
precipitados, erlenmeyer para medir de forma aproximada, aunque en realidad todo habría que medirlo con
matraces aforados, para llenarlos, cualquier recipiente, ser hará de forma rápida al principio y según aumenta
el volumen por el cuello del recipiente pararemos acabaremos enrasando gota a gota con una pipeta.
Enrasar: Es hacer que el extremo del menisco que forma un líquido cuando está contenido en un tubo
estrecho sea tangente a la línea de enrase siempre medido a la altura de los ojos, para evitar lo que se
denomina error de PARALELAJE. Esto es el desplazamiento aparente de un objeto cuando se mira desde
diferentes puntos, al leer un volumen nuestro ojo debe estar al mismo nivel que el menisco si se observa por
arriba el volumen que mediremos será menor y si se hace por abajo el volumen que medimos será mayor.
El menisco: es la curva que se forma en el borde del líquido con las paredes del recipiente en el que se
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encuentra debido a la diferencia en la tensión superficial. El menisco sea mas curvo cuanto mas estrecho sea
el diámetro del recipiente.
También podremos medir con otros recipientes más estrechos como la probeta y la pipeta.
¿Cómo se pipetea? Tipos de pipeta.
Las pipetas graduadas se denominan así porque tienen una graduación para medir cantidades exactas del
líquido. Generalmente en las pipetas graduadas en la parte de arriba llevan dos números. El de arriba es la
capacidad total en mililitros y el de abajo es el mínimo volumen que es capaz de apreciar y puede ser en forma
de decimal o en forma de quebrado. Existen pipetas de distinto tamaño, 10, 5, 2, 1, 0.2, 0.1 ml y también
existe lo que se denominan micropipetas.
Hay dos formas:
−1º) se introduce la pipeta en el líquido se aspira y se enrasa a 0 lo llevamos al tubo donde queremos echar esa
cantidad y lo dejamos caer resbalando por las paredes la cantidad deseada. El resto o se tira o se devuelve al
recipiente inicial.
−2º) Se introduce la pipeta en el líquido, se aspira y se enrasa en un punto determinado de la pipeta calculando
previamente restando al volumen total de la pipeta el volumen requerido, por ejemplo si necesitamos 3ml y
utilizamos una pipeta de 5ml enrasaremos en dos y sacaremos esa cantidad y no nos quedará nada.
5. Métodos de pesada − Medidas de Peso:
Aunque ambos conceptos están íntimamente relacionados y a veces se utilizan indistintamente, existen
diferencias entre ellos.
La masa nos mide la cantidad de materia de un objeto y es invariable.
Peso es el valor de la fuerza por la que es atraído un objeto hacia el centro de la tierra debido a que la fuerza
de atracción difiere con la altitud y con la latitud. El peso de un objeto es variable. (P = Masa · Gravedad
(9.8)). En el laboratorio nos vamos a basar en la masa para evitar que los resultados varíen según la situación
geográfica.
La masa se va a determinar con las balanzas (la cual el peso de un objeto se comprara con el conjuntos de
masas patrón (pesas)).
Debido a que la gravedad afecta igual al peso problema que a la masa patrón una igualdad de pesos indica una
igualdad de masas.
En la práctica terminológica no hay diferencias entre masa y peso ya que llamamos pesada a la comparación
de masas y peso a los objetos de masa conocido.
• Propiedades de la balanza:
Exactitud: es la aproximación de una serie de pesadas al valor verdadero.
Precisión: también llamado en el caso de algunas balanzas fidelidad. Es la propiedad más importante de una
balanza y se corresponde con la reproducibilidad de la pesada, es decir, si se repite varias veces una misma
pesada debe obtenerse siempre el mismo valor.
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Sensibilidad: Se define como la capacidad de la balanza de detectar una sobre carga, es decir, variación de
masa más pequeña que una balanza puede medir o detectar.
Capacidad de Carga: Máxima carga que una balanza puede medir.
• Tipos de balanza: Se pueden clasificar según
1. Su sensibilidad:
− Balanzas de precisión: con sensibilidad desde 0.1 a 0.001 gr.
− Balanzas analíticas: cuya sensibilidad es igual o mayor de 0.0001 gr.
2. Según su construcción:
−Balanzas mecánicas:
− Granatarios: tenían dos platillos
− De 3 vigas: con platillo único.
− Mohrs Wespal: obtener densidad de líquidos.
− Mecánica analítico: mas capacidad de carga, precisión y sensibilidad puede tener 1 o 2 platillos.
− Balanzas electrónicas: Son las que actualmente se utilizan en los laboratorios de investigación y
actualmente se utiliza la monoplano de carga superior. Se pesa depositando los objetos sobre el plato y se lee
en la pantalla el resultado. Si para pesar una sustancia u objeto, tenemos que hacer uso de un recipiente que lo
contenga. P. ej. Vaso de precipitado o un vidrio de reloj, debemos conocer el peso del mismo. Podemos
tararlo poniendo en el platillo y pulsando la tecla tara.
Los objetos o sustancias podremos pesarlos después.
• Reglas para utilizar una balanza:
Debe evitarse o estar exento de vibraciones radiaciones de calor, exceso de humedad, corrientes de aire, deben
colocarse en una mesa de pesada especial.
Las balanzas mecánicas, mientras no se utilizan deben estar bloqueadas.
Se debe centrar la carga en el platillo o en el plato y nunca se colocará las sustancias sobre el plato, se
depositará sobre un objeto de vidrio, material inerte o plástico, la balanza debe estar escrupulosamente limpia
y si la balanza tuviera pesos, estos se cogerían con pinzas, nunca con la mano.
• Agua:
El agua se utiliza como medio de limpieza de material, preparación de reactivos lleva gran número de
impurezas orgánicas e inorgánicas. Puede suponer errores en el laboratorio. Es necesario utilizar agua pura
actualmente la calidad del agua se indica por grado−reactivos sucesivos.
El CNP reconoce 3 niveles de pureza del agua en el laboratorio en función de la conductividad específica de
la resistencia específica de los silicatos o de los metales pesados.
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El agua de tipo 1: debe utilizarse en procedimientos cuantitativos así, como en la preparación de controles
patrones, etc.
El agua de tipo 2: se utilizará en técnicas cuantitativas así como en microbiología, inmunología y
hematología.
El agua de tipo 3: se puede utilizar como materia prima para obtener agua de tipo 1 o 2 según el uso posterior
que se le dé al mismo.
Métodos de purificación del agua: pueden clasificarse en: Destilación, Desionización, Ósmosis Inversa,
Filtración y adsorción. Ninguno de ellos se puede considerar como método de elección.
Destilación: mejor método para obtener agua puta, es un proceso en el cual el agua se calienta hasta evaporar
condensándose a continuación con lo que obtenemos agua exenta de aguas extrañas que contengan material
orgánico, no volátil, impurezas inorgánicas, bacterias y muy baja conductividad. Para obtenerlo se utilizan los
destiladores, a partir de esa agua destilada se puede obtener el agua bidestilada, mediante una 2º destilación en
presencia de un agente oxidante como el permanganato potásico que destruye la materia orgánica que pudiera
existir después del primer proceso. Tiene una serie de inconvenientes:
−No se eliminan impurezas como el amoniaco, dióxido de carbono, cloro, etc. (NH3, CO2, CL2)
−Se acumulan en el destilador los materiales no volátiles, lo que implica una limpieza periódica, con el se
obtiene agua de tipo 1 ó 2.
−Se limpia con una solución de HCl al 10% durante 2 horas.
Desionización: es un método de purificación en el cual el agua pasa a través de una resina de intercambio
iónico ácido o básico o mixta. Se encuentra en una columna, estas resinas son capaces de eliminar impurezas
cargadas positiva o negativamente. La vida de esta columna es limitada y hay que cambiarle periódicamente.
Pero también tiene algunos inconvenientes como son:
−No elimina componentes orgánicos ni microorganismos y es necesario realizar una purificación preliminar
para poder obtener agua de tipo 1 por este procedimiento hay que realizar un tratamiento posterior con
carbono activado o bien filtros para eliminar microorganismos y compuestos orgánicos.
Ósmosis inversa: Consiste en el paso del agua bajo presión a través de una membrana semipermeable que
detiene el paso de las partículas disueltas tanto orgánicas como inorgánicas. Con este método se obtiene agua
de tipo 3 con lo que no es muy adecuado para obtener agua del laboratorio. Se suele utilizar como sistema
preliminar de purificación de agua antes de pasar por una unidad desionizadora.
Filtración: consiste en hacer pasar el agua a través de membranas semipermeables, la calidad de a filtración
es inversamente proporcional al tamaño del poro del filtro.
Adsorción: Se utiliza como agentes absorbentes el carbón vegetal, anillos y silicatos se logra principalmente
la eliminación de impurezas orgánicas. Actualmente los sistemas de purificación suelen estar formada por una
unidad de Ósmosis inversa una unidad de carbón vegetal que elimina materia orgánica unidades de
desionización mixtas para eliminar material inorgánico y filtros para eliminar partículas disueltas y bacterias.
• Disoluciones:
Se llama disolución a la mezcla homogénea de moléculas, átomos o iones de dos o más sustancias diferentes.
Los componentes se llaman soluto y disolvente. Siempre que la disolución tenga el mismo estado físico que
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uno de los componentes se la llama disolvente.
Si los dos componentes tienen el mismo estado físico que la designación soluto−disolvente es arbitraria
aunque normalmente se le llamó soluto al que está en menos proporción.
Tanto el soluto como el disolvente, pueden tener, un estado físico u otro y así tendremos diferentes tipos de
disoluciones.
De todas estas disoluciones las que más vamos a utilizar son las de sólido en líquido y la de líquido en líquido.
Las disoluciones cuyo disolvente es el agua se les denominan acuosas y las disoluciones el disolvente es
alcohol se denomina alcohólica.
Se llama solubilidad de una sustancia en un determinado disolvente a la máxima concentración que se puede
conseguir en una disolución de esa sustancia en un disolvente determinada y a una determinada temperatura.
La solubilidad depende de la naturaleza del soluto, disolvente y temperatura para identificar una disolución
hay que indicar, no solo los campos que la forman sino también la concentración en que se encuentra cada
componente. La proporción que hay entre soluto y disolvente se llama concentración. Según la cantidad de
soluto una disolución puede ser saturada cuando no admite mas soluto la disolución de manera que si se añade
más se queda en el fondo.
Sobresaturado: cuando la cantidad de soluto es superior a la que corresponde a esa temperatura se puede
lograr disolviendo el soluto cuando la disolución se encuentra a mayor temperatura. Luego se enfriara
lentamente y se dejaría en reposo.
Estas disoluciones son inestables tienden a separarse. También las disoluciones pueden ser diluidas: cantidad
soluto es pequeña paso determinado cantidad de disolvente. U concentrada cuando se haya cerca de la
saturación. Porque la cantidad de soluto es grande para una determinada cantidad de disolvente.
Concentración: Indica la composición en función de las cantidades que hay de soluto y disolvente o
disolución. Pueden ser:
−Unidades químicas (cómo la molaridad, normalidad, molalidad y la fracción molar)
−Unidades físicas (gr. /l), %, % peso, % volumen, % peso−volumen): se expresa el número de gramos de
soluto contenidos en un litro de disolución se representa por g/l.
−% p: expresa el número de gramos de soluto contenidos en 100 gramos de disolución se representa por %
p/p. Generalmente la riqueza o pureza de los reactivos viene expresados en % p/p.
−% v: expresa el número de centímetros cúbicos o mililitros de soluto contenidos en 100 centímetros cúbicos
o mililitros de disolución.
−% p/v: expresa el número de gramos de soluto en 100 centímetros cúbicos o mililitros de disolución.
−Se puede expresar parte por millón: indica el número de gramos de soluto por cada millón de gramos de
disolución.
1.− Calcular la cantidad de soluto y disolvente que hay en 400 gramos de una disolución al 6% p/p y en 56
gramos de disolución al 30% p/p.
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400gr (400·6)/100 = 2400/100 = 24
De una disolución de 400 gramos, 376 gramos es el disolvente (agua) y el 24 es el soluto.
56gr (56·30)/100 = 1680/100 = 16,8 de 56 gramos, 16,8 son los gramos de soluto mientras que el resto: 39,2
son los gramos de disolvente (agua)
2.− Calcula las concentraciones de las disoluciones siguientes expresadas en %
−20 gramos de azúcar en 300 gramos de agua
En 300 hay 20 en 100 habrá X. X= (100·20)/300 = 2000/300 = 6,67% p/p
−6 gramos de sal en 80 gramos de agua
En 80 hay 6 en 100 habrá X. X= (100·6)/80 = 600/80 = 7,5% p/p
−20 mililitros de alcohol etílico en 40 gramos de agua.
20 ml son 0.02gr. En 40 hay 0.02 en 100 habrá X. X= (100·0.02)/40 = 2/40 = 0.05% p/p
% p/p = gr. soluto/gr. disolvente · 100
% p/v = gr. soluto/ml. disolvente · 100
% v/v = ml soluto/ml disolución · 100
3.− ¿Cómo prepararías 50 gr. de una disolución de Na(OH). Sabiendo que la riqueza del reactivo comercial es
del 98% cuanto hidróxido de sodio cogerías.
10% = gramos de soluto entre gramos de disolución · 100 10%= gr. soluto/50 gr.= 5gr de soluto de Na(OH)
Si la pureza de Na(OH) es del 98% para usar 5 gr. de Na(OH) tenemos que coger 5,10 gr.
100·5 =5,1020 gr.
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4.− Preparar 100 ml de una disolución de NaCl al 5% p/v. Sabiendo que la riqueza del reactivo comercial es
del 99%. Indique cómo lo haría.
5% = (gr. Sol)/100 ml gr. De NaCl = 5
(5·100)/99 = 5,05 gr. Habría que coger para usar puros 5 gr. De NaCl y mezclaríamos con agua hasta llegar a
100 ml
5.− Tenemos una disolución al 25 % p/v de Na(OH) ¿Cuantos gr. De soluto tenemos en 250 cm3 de esa
disolución
25%= (gr. soluto · 100)/250 ml gr. 25·250/100=62,5 gr. De Na(OH) y después se mezcla con H2O hasta
llegara los 250 ml
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6.− Vais a preparar 75 ml de una disolución de Na(OH) al 2%. Sabiendo que la riqueza del reactivo comercial
es del 97%.
2%=(gr. Soluto · 100)/75ml gr. 2·75/100 = 1,5 gr.
Molaridad: Se representa por M y se define como numero de moles de soluto entre litros de disolución
7.− Calcular los grs. De soluto que se necesitan para preparar 250 cm3 de una disolución 0.1M de nitrato de
plata. Pesos atómicos: N=14; O=16; Ag=108
N2O5 + H2O = H2N2O6 = HNO3 Ag(NO3) M= (gr./p.a.)/L 0.1= (gr./170)/0.25 0.1· 0.25= gr./170
V= 250ml =0.25L gr.= 4.25
M=0.1
Gr.=¿? 4,25gr. De soluto de Ag(NO3)
p.a. = 108+(14+16·3) = 108+(14+48) = 108 + 62 = 170
8.− Calcular la molaridad de una disolución que contiene 25 gr. De NaCl en 1300 cm3
M= ¿? M = (25/58.5)/1.3 = 0.328M
V= 1300cm3 = 1300ml = 1.3L
p.a.= 23 + 35.5 = 58.5
gr.= 25 gr.
9.− Calcular gr. soluto para preparar 100 cm3 de una disolución 0.4M de Carbonato de Hierro III.
Carbonato de Hierro III C2O7 + H2O H2CO4 Fe(CO4)3
P.a. del carbonato de hierro = 55.8 + 3(12+64) = 283.8
Gr.=¿? 0.4= (gr./283.8)/0.1 gr.= 11.352 de Fe(CO4)3
V=100ml=0.1L
M=0.4
10.− Calcular la molaridad de una disolución que contiene 10gr. De HgCl2 en 300 cm3 de disolución
Cloruro de Mercurio (II) HgCl2 Hg= 200.5 Cl= 35.5
M= ¿? M=(10/271.5)/0.3 M=0.122
Gr=10
V=300ml=0.3L
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p.a. = 200.5+2·35.5 = 271.5
11.− se ha preparado una disolución de etanol en agua, para ello se disolvieron 92 gr. De éste alcohol en 90 de
agua, el peso molecular del etanol es 46 y el del agua 18. La densidad de ésta disolución es 1.018 gr./cm3
Calcular los moles de etanol, la molaridad (M), los gr./L. Se podrá calcular el % p/p
D=1.018 gr/cm3 = 1.1018 gr/ml
Volumen= 92gr. De C2H6O + 90gr. H2O = 182 gr.
• mol de etanol mol = gr. / p.a. mol= 92/46 = 2 moles de C2H6O
• Molaridad = Mol de disolución/L de disolución = (gr./p.a)/L (182/64)/182 = 2.84/182= 0.0156 M
• Gr./L ¿? d= 0.1018gr/ml · 1000 ml/L = 1018 gr/L = densidad
• % p/p gr.soluto/gr. Disolvente ·100 % p/p = 92/90 · 100 = 102.2% p/p (90/92 ·100 = 97.82% p/p)
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