filtración, centrifugación - Experimentación Básica en Química

PRÁCTICA 8
MÉTODOS DE SEPARACIÓN: FILTRACIÓN, CENTRIFUGACIÓN Y CROMATOGRAFÍA EN
PAPEL
OBJETIVOS
• Utilizar una serie de métodos de separación comúnmente empleados en un
laboratorio de Química.
• Conocer el fundamento físico-químico de esos métodos de separación.
• Adquirir la capacidad para decidir, en un momento determinado, cuál de ellos es el
más adecuado para proceder a realizar una separación en el curso de un proceso de
análisis o de síntesis.
FUNDAMENTO TEÓRICO
En el laboratorio de Química muchas veces es necesario separar sustancias
presentes en una fase líquida, que pueden encontrarse disueltas o en suspensión. Para ello
se recurre a una serie de técnicas conocidas con el nombre genérico de métodos de
separación. Entre ellos pueden distinguirse dos grandes grupos:
-
Métodos que permiten separar partículas sólidas que se encuentran en suspensión,
entre los que se encuentran la filtración y la centrifugación.
-
Métodos que permiten separar sustancias disueltas en una fase líquida, uno de los
cuales es la cromatografía en papel.
La aparición de sólidos en suspensión en una fase líquida puede ser debida a varias
causas. Así, puede tratarse de sólidos que se están sometiendo a extracción de alguno de
sus constituyentes, bien de un sólido que aparece como consecuencia de una reacción
química en el seno de la fase líquida, bien de la aparición de un sólido por la concentración
del líquido. Las dos últimas situaciones son las más corrientes en experimentación básica, y
los dos métodos comúnmente utilizados para separar el precipitado del líquido en que se
encuentra se denominan filtración y centrifugación.
La filtración es una técnica que permite separar los sólidos presentes en una fase
fluida en función de su tamaño de partícula, haciendo pasar ésta a través de un medio
poroso (denominado medio filtrante) que permite separar dichos sólidos, y que se dispone
sobre un dispositivo conocido como soporte de filtración, siendo el más elemental un
embudo de filtración. La separación se realiza gracias a que los poros del medio filtrante
son más pequeños que las partículas a separar, de forma que en el medio filtrante queda
retenido el sólido que se desea separar del líquido que lo atraviesa, que se denomina
filtrado. En la práctica corriente de un laboratorio de Química se emplean tres medios
porosos: papel de filtro, placas filtrantes de material cerámico, y membranas de filtración. El
paso del líquido a través del medio filtrante se consigue por acción de la gravedad, o bien
aplicando vacío mediante una bomba por debajo del filtro, de forma que se facilite el paso
del fluido a través del medio filtrante. En este caso, la técnica se denomina filtración a
vacío, colocándose el medio filtrante sobre un embudo de porcelana agujereada, conocido
como embudo de Büchner, procediéndose tal como se indicó en la práctica 4.
La filtración puede utilizarse para separar cualquier tipo de sólidos, con
independencia de cuál sea su densidad con respecto a la del fluido. Es especialmente útil si
se desea separar sólidos que se encuentran en pequeña cantidad y que producen turbidez,
si se precisa realizar una determinación cuantitativa de un ión presente en disolución por
precipitación con un reactivo, o si se desea utilizar una de las fases para una operación
posterior.
En un laboratorio básico de Química es muy frecuente utilizar como medio filtrante
papel de filtro, pudiendo distinguirse dos tipos de filtros:
-
filtros cónicos, empleando como soporte de filtración un embudo cónico.
filtros planos, utilizando como soporte de filtración un embudo de Büchner.
Los filtros cónicos pueden ser lisos o de pliegues. Los primeros se emplean si se
desea utilizar posteriormente la fase sólida, mientras que los segundos se emplean cuando
se desea utilizar posteriormente el filtrado. Unos y otros de puede construir con facilidad en
el laboratorio.
Para construir un filtro cónico liso (Figura 1) se parte de un círculo de papel cuyo
radio sea, aproximadamente, 2/3 de la longitud de la generatriz del cono del embudo. Este
círculo se dobla por la mitad (a), y a continuación de nuevo por la mitad (b). Finalmente, se
abre el lado que no se dobló (c) y se ajusta el papel a las paredes del embudo,
humedeciéndolo. Estos filtros son los que se emplean para análisis gravimétrico por
calcinación del precipitado, para lo que debe utilizarse papel libre de cenizas.
(a)
(b)
(c)
Figura 1.- Construcción de un filtro cónico liso
La construcción de un filtro cónico de pliegues, que es más laboriosa, se ha descrito
en la práctica 4.
La centrifugación es una técnica que permite separar los sólidos presentes en una
fase fluida gracias a la acción de la fuerza centrífuga, para lo cual es necesario que el
precipitado sea más denso que el fluido. Para separar sólidos por centrifugación, es
necesario utilizar un aparato denominado centrífuga o centrifugadora, que consta de un
motor capaz de hacer girar a alta velocidad una pieza denominada rotor, que se coloca en
el eje del motor, y en el que existen una serie de senos en los que se pueden colocar unos
tubos de vidrio o de plástico denominados tubos de centrífuga. Para centrifugar una
muestra, se coloca en un tubo de centrífuga el líquido en cuyo seno está el sólido que se
desea separar, y en otro tubo gemelo se coloca agua, de forma que ambos tubos tengan
igual masa, colocándose uno y otro tubo en senos del rotor diametralmente opuestos. Al
finalizar la centrifugación, aparecerá el sólido que se desea separar en el fondo del tubo
(precipitado), quedando sobre él el fluido, que recibe el nombre genérico de sobrenadante.
Este puede sacarse del tubo por simple decantación, si el precipitado es suficientemente
consistente, o con ayuda de una pipeta o de un cuentagotas en cuyo extremo se coloca un
trozo de algodón, de no serlo. La centrifugación se utiliza a menudo si el precipitado es
abundante, si con facilidad colmata los filtros, o si es preciso recuperar tanto la fase sólida
como la fase líquida para operaciones posteriores.
Para separar sustancias disueltas en un fluido se utilizan una serie de métodos
conocidos como técnicas cromatográficas. La primera separación cromatográfica fue
llevada a cabo por el botánico ruso Mikhail Tswett en 1906, utilizando una columna de vidrio
rellena de sulfato cálcico finamente dividido, en cuya parte superior colocó un extracto de
pigmentos vegetales, que consiguió separar añadiendo éter de petróleo. En las técnicas
cromatográficas la separación se produce gracias a que las sustancias a separar se
distribuyen entre dos fases: una fase que permanece inmóvil, que puede ser un sólido o un
líquido, generalmente retenido en un soporte sólido, conocida como fase estacionaria, y
otra fase que fluye, que puede ser líquida o gaseosa, y que se denomina fase móvil. Las
técnicas cromatográficas más habituales pueden dividirse en dos grandes grupos:
-
-
cromatografía de reparto, si la separación es debida a la distinta solubilidad de las
sustancias a separar entre la fase móvil y la fase estacionaria, de forma que se
establece un reparto. En este caso, la fase estacionaria es un líquido, generalmente
retenido en un soporte sólido, y la fase móvil es un líquido o un gas. Una de las técnicas
de cromatografía de reparto es la cromatografía en papel.
cromatografía de adsorción, si al separación es debida a las diferencias existentes en
la adsorción y desorción sobre un sólido de las sustancias a separar, que se encuentran
disueltas en la fase móvil (líquida o gaseosa).
La cromatografía en papel permite separar con facilidad multitud de sustancias
presentes en una muestra. La separación se establece por la distinta solubilidad de esas
sustancias entre la fase estacionaria (que es el agua de hidratación de las fibras de
celulosa) y la fase móvil. Para unas condiciones dadas, el movimiento relativo de un
compuesto con respecto al frente de la fase móvil es una propiedad característica y
reproducible, que se puede expresar a través del Rf, que se define como el cociente entre la
distancia recorrida por el compuesto y la distancia recorrida por la fase móvil. De esta forma
es posible identificar los compuestos separados, si se dispone de patrones.
MATERIAL Y REACTIVOS
1er ensayo. Filtración de un precipitado de sulfato de bario
Material
Dos embudos de vidrio cónicos
Dos soportes
Dos aros metálicos y dos pinzas
Cuatro vasos de precipitados de 50 mL
Papel de filtro
Reactivos
BaCl2 0,1 M
H2SO4 0,1 M
2º ensayo. Centrifugación de un precipitado de hidróxido férrico
Material
Centrífuga
Tubos de centrífuga
Tubos de ensayo
Pipetas de 10 mL y de 5 mL
Vaso de precipitados de 25 mL
Cuentagotas
Gradilla
Reactivos
FeCl3 0,1 M
NaOH 0,1 M
3er ensayo. Separación de pigmentos vegetales por cromatografía en papel
Material
Reactivos
Caja de Petri
Fase móvil: mezcla de éter de petróleo y de
Tubos capilares
acetona al 90% en proporción 100:12 en volumen
Pinzas
Extracto de hojas verdes
Probeta de 10 mL
Discos de papel para cromatografía Whatman nº 1
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1er ensayo. Filtración de un precipitado de sulfato de bario
En primer lugar, se construyen dos filtros de papel: un filtro cónico liso y un filtro
cónico de pliegues. A continuación, cada filtro se coloca en un embudo, apoyado en un aro
metálico, de forma que el vástago del embudo se sitúe en el interior de un vaso de
precipitados de 50 mL.
En dos vasos de precipitados de 50 mL se añaden 10 mL de BaCl2 0,1 M y 10 mL de
H2SO4 0,1 M. Se observará que el líquido queda turbio y que comienza a aparecer un
precipitado. A continuación, el líquido de uno de los vasos, suspendiendo el precipitado
mediante agitación, se filtrará a través del filtro cónico liso, mientras que el del segundo vaso
se filtrará a través del filtro de pliegues. Se observará la velocidad a la que se produce la
filtración en cada caso.
Precauciones de seguridad
Los filtrados obtenidos se eliminarán como disoluciones ácidas de metales en el
recipiente destinado a ello. Los filtros se depositarán en el recipiente de sólidos
contaminados.
2º ensayo. Centrifugación de un precipitado de hidróxido férrico
En un tubo de ensayo se añaden 3 mL de FeCl3 0,1 M y 10 mL de NaOH 0,1 M.
Agitar fuertemente. A continuación, dividir el contenido del tubo en dos partes. Una de ellas
se coloca en un tubo de centrífuga, mientras que la otra permanece en el tubo de ensayo,
que se coloca en la gradilla para que se produzca la sedimentación.
El tubo de centrífuga con la muestra se pesa en una balanza, con precisión de 0,01
g, colocándolo en un vaso de precipitados tarado, y anotando su masa. A continuación, se
pesa otro tubo de centrífuga (en un vaso de precipitados tarado), en el que previamente se
ha colocado agua destilada hasta una altura algo inferior a la del tubo de centrífuga con la
muestra, y se equilibra su masa con la del primer tubo añadiendo agua destilada gota a gota
con ayuda de un cuentagotas. Una vez equilibrados los tubos, se colocan en el rotor de la
centrífuga en posiciones opuestas. A continuación, se cierra la tapa de la centrífuga y se
procede a centrifugar durante 1 minuto a 2000 rpm.
Una vez realizada la centrifugación, se procede a comparar la separación de las
fases sólida y líquida en el tubo sometido a centrifugación y en aquel en que se ha
producido sedimentación del precipitado.
Precauciones de seguridad
Los sobrenadantes obtenidos se eliminarán como disoluciones básicas de metales
en el recipiente dispuesto para ello. Los precipitados se resuspenderán en agua destilada y
se eliminarán como disoluciones básicas de metales en el recipiente adecuado.
3er ensayo. Separación de pigmentos vegetales por cromatografía en papel
En un disco de papel para cromatografía con diámetro ligeramente superior al de
placa Petri se marca el punto central con ayuda de un lápiz. En este punto se traza una
recta de 0,5 cm de longitud (0,25 cm a cada lado del punto), y en los extremos de esa recta,
dos rectas paralelas hasta un borde del papel (a). A un cm del centro se traza una
perpendicular entre ambas paralelas (b) Se recorta el papel, de forma que quede una
lengüeta de 1 cm de longitud, que se dobla cuidadosamente (c). Todo esto se indica en la
Figura 2.
(a)
(b)
(c)
Figura 2.- Preparación del papel de cromatografía.
El disco se apoya sobre la tapa de la caja de Petri, y se aplica el extracto de hojas en
el punto central del papel, con ayuda de un tubo capilar. La aplicación debe realizarse poco
a poco, de forma que la mancha sea lo menor posible, dejando que el disolvente se evapore
por completo antes de aplicar la siguiente gota.
En la caja de Petri se coloca el volumen necesario de la fase móvil con ayuda de una
probeta, de forma que su altura sea unos 3 mm. A continuación, se coloca el disco de papel
sobre la placa de Petri, con la lengüeta sumergida en la fase móvil, y se coloca sobre el
conjunto la tapa de la caja de Petri. Cuando la fase móvil alcance el borde del disco de
papel, se da por concluida la separación cromatográfica. En ese momento, y con ayuda de
unas pinzas, el disco de papel se coloca en el interior de la tapa de la caja de Petri, y se
lleva a una vitrina de extracción de gases, hasta que se seque por completo. Finalmente, y
sobre la mesa del laboratorio, se observan las distintas bandas concéntricas de color que
aparecen, se apuntan sus características, y se calcula el Rf de cada una de ellas. Debe
considerarse que pueden aparecer las bandas que se indican en al tabla 1, desde el frente
de la fase móvil al origen:
Precauciones de seguridad
La fase móvil y el extracto vegetal se eliminarán como disolventes orgánicos no
clorados. La fase estacionaria, una vez seca, se eliminará como residuo biológico en el
recipiente destinado a ello.
Tabla 1.- Bandas que pueden aparecer en la separación cromatográfica.
Frente de la fase móvil
Origen
Color de la banda
Amarillo
Amarillo grisáceo
Amarillo pardo
Verde azulado
Verde
Verde
Identidad
Carotenos
Feofitina
Xantofila
Clorofila A
Clorofila B
Clorofilida A
RESULTADOS Y CUESTIONES
1. Describir brevemente los procedimientos experimentales utilizados en la práctica.
2. Escribir y ajustar las reacciones moleculares que se producen en los ensayos de filtración
y de centrifugación.
3. ¿Cómo se determinaría si ha precipitado por completo el ión bario presente en la
disolución de partida utilizada en el ensayo de filtración?
4. Si se entrega una disolución de BaCl2 de concentración desconocida, ¿sería posible
utilizar la centrifugación o la filtración del precipitado para determinarla? Razonar la
respuesta.
5. ¿Qué método de separación se utilizaría si el objetivo de una separación sólido-líquido es
la extracción de constituyentes del sólido mediante el empleo de distintos disolventes de
forma sucesiva? Razonar la respuesta.
6. Determinar el Rf de las distintas sustancias separadas por cromatografía en papel.
7. Teniendo en cuenta cuáles son las bases físico-químicas de la cromatografía en papel,
indicar cuál es el orden de solubilidad en agua de las sustancias separadas, asumiendo que
la interacción con la fase estacionaria es la misma.
BIBLIOGRAFÍA
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Alonso Rodrigo, M. Técnicas Básicas en el Laboratorio de Química. Capítulo V.4. Ed.
Universidad de Valladolid, 1996.
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Petrucci, R.H., Harwood, W.S., Herring, F.G. Química General. 8ª ed. Capítulo 19. Ed.
Prentice Hall, 2003.
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Roberts, J., Whitehouse, D.G. Practical Plant Physiology. Capítulo 6. Ed. Longman,
1976.
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Smith, I., Feinberg, J.G. Cromatografía sobre papel y capa fina. Electroforesis. Ed.
Alhambra, 1979.