Separar un sólido de un líquido se encuentra entre las operaciones más comunes en toda la química aplicada. Las plantas de tratamiento de agua dejan que los sedimentos se decanten del agua bruta antes de filtrar lo que queda; las operaciones mineras decantan y filtran volúmenes enormes para recuperar minerales valiosos; y en la industria farmacéutica, casi todas las síntesis terminan con un precipitado que debe separarse limpiamente de la solución que lo produjo. Las dos técnicas utilizadas en todas partes para esta tarea son las de este laboratorio: la decantación y la filtración.
Ambos métodos aprovechan las diferencias físicas entre las fases de una mezcla heterogénea, por lo que ninguno de ellos altera la identidad química de ningún componente. La decantación se basa en la densidad: un sólido en suspensión más denso que el líquido se deposita por gravedad y, una vez que se ha acumulado en el fondo, el líquido que queda encima —el sobrenadante— puede simplemente verterse. La filtración se basa en el tamaño de las partículas: las moléculas del líquido pasan libremente a través de los poros microscópicos de un filtro de papel, mientras que las partículas sólidas, mucho más grandes, quedan retenidas.
En este laboratorio separará una mezcla de hidróxido de cobalto (II) y agua en dos etapas —primero decantando la mezcla sedimentada, luego filtrando el depósito restante— y comprobará por sí mismo por qué se utilizan ambos métodos en secuencia en lugar de por separado.
Objetivos Educativos
Familiarización con el entorno del laboratorio
- Identifica la disposición y el material del laboratorio de separación, incluidos los vasos de precipitados, el embudo y el filtro, y el matraz de Erlenmeyer de 250 ml.
Manipulación cuidadosa de líquidos y suspensiones
- Vierte el sobrenadante con cuidado y de forma continua, sin inclinar el vaso de precipitados en exceso para que no se arrastren los sólidos sedimentados.
- Vierte la mezcla sobre un filtro con la lentitud suficiente para que no se desborde ni pase por encima del papel.
Dominio del vocabulario de la separación
- Utiliza correctamente los términos «mezcla heterogénea», «sedimento», «sobrenadante», «filtrado» y «residuo», asociando cada uno de ellos a lo observado en el experimento.
Comprender el principio detrás de cada técnica
- Explica el proceso de decantación en términos de densidad y sedimentación, y el de filtración en términos de la diferencia entre el tamaño de las moléculas y el de las partículas.
- Explica por qué ninguna de las dos técnicas funcionaría en una sustancia disuelta y menciona el tipo de técnica que sí lo haría.
Métodos de separación para la secuenciación
- Justifica por qué se realiza primero la decantación y después la filtración, y evalúa qué residuos habría dejado cada método por separado.
Protocolo
El propósito de este laboratorio es separar los constituyentes de una mezcla de hidróxido de cobalto (II) y agua.
PARTE 1: Decantación
Este método permite realizar una primera separación, ya que el hidróxido de cobalto (II) (Co(OH)2) no es soluble en agua.
- Una solución acuosa con un depósito de hidróxido de cobalto (II) ha estado en reposo durante al menos 5 minutos (vaso de precipitados Co(OH)2).
- Vierte suavemente la parte líquida (agua) de la mezcla en un segundo vaso de precipitados (vaso de precipitados 2).
No inclines el vaso de precipitados en exceso para evitar que partículas sólidas terminen en el vaso de precipitados 2.
- Deje el vaso de precipitados Co(OH)2 contener el hidróxido de cobalto para que repose sobre la encimera. El agua residual puede evaporarse.
Este es el primer método de separación (decantación).
PARTE 2: Filtración
- Llena el vaso de precipitados Co(OH)2 que contiene el depósito de hidróxido de cobalto (II) hasta 100 mL con agua destilada.
- Acople el embudo en la parte superior del matraz Erlenmeyer de 250 mL.
- Inserte el filtro en el embudo.
- Vierte lentamente la mezcla contenida en el vaso de precipitados Co(OH)2 hacia la parte gruesa del filtro.
- Deja pasar la mezcla por el filtro.
- El líquido obtenido se llama filtrado
- La parte sólida que queda en el filtro es el residuo
- Este es un segundo método de separación (filtración)
Resultados esperados
Resultados esperados. La mezcla se separa claramente en sus dos componentes: agua, que se recupera primero como sobrenadante decantado y después como filtrado, e hidróxido de cobalto (II) sólido, que se recupera como el residuo de color rosa sobre el papel de filtro.
| Técnica | Propiedad física aprovechada | Lo que debes observar | Limitación |
|---|---|---|---|
| Decantación | densidad — el sólido se sedimenta debajo del líquido | la mayor parte del agua se escurre clara, dejando atrás el depósito rosado | Algunas partículas finas pasan al vaso de precipitados n.º 2; parte del agua permanece junto al sólido. |
| Filtración | tamaño de partícula — el sólido no puede pasar por los poros del filtro | En el matraz de Erlenmeyer se recoge un filtrado transparente; el residuo de color rosa queda en el papel. | lento en el caso de grandes volúmenes; el residuo retiene un poco de líquido hasta que se seca |
Por qué la mezcla se puede separar en absoluto. Hidróxido de cobalto (II), Co(OH)2, es prácticamente insoluble en agua: su solubilidad de equilibrio es del orden de un miligramo por litro. Por lo tanto, prácticamente todo él permanece en forma de partículas sólidas discretas suspendidas en el agua, pero no disueltas en ella: una mezcla heterogénea. Dado que las dos fases conservan su propia identidad, las diferencias físicas entre ellas —densidad, tamaño de las partículas— pueden utilizarse para separarlas. No interviene ninguna reacción química y no se forma ninguna sustancia nueva en ningún momento.
Por qué funciona la decantación y por qué es imperfecta. Las partículas sólidas son más densas que el agua, por lo que, por efecto de la gravedad, se depositan en el fondo del vaso de precipitados; el reposo de cinco minutos previsto en el protocolo sirve precisamente para darles tiempo a hacerlo. A continuación, se puede verter el líquido transparente que queda en la parte superior. Pero la sedimentación nunca es perfecta: las partículas más finas se hunden muy lentamente, ya que la resistencia que experimenta una partícula aumenta en relación con su peso a medida que se hace más pequeña. Además, si se inclina demasiado el vaso de precipitados, se remueve el sedimento. Por lo tanto, la decantación elimina la mayor parte del líquido de forma rápida y económica, a costa de una separación imperfecta entre las fases.
Por qué la filtración termina el trabajo. Un filtro de papel es una lámina de fibras de celulosa cuyos poros tienen un diámetro de unos pocos micrómetros. Las moléculas de agua, miles de veces más pequeñas, lo atraviesan sin obstáculos, mientras que las partículas sólidas quedan retenidas. El líquido que lo atraviesa se denomina filtrar; el sólido retenido en el papel es el residuo. La filtración permite una separación mucho más nítida que la decantación, pero es más lenta; por eso, el protocolo indica que primero se decante y solo se filtre el residuo concentrado.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
- Enfoque: Las mezclas pueden separarse en función de sus propiedades físicas, y el vocabulario relacionado con la separación.
- Actividades Realiza la decantación y la filtración siguiendo el protocolo; identifica el sedimento, el sobrenadante, el filtrado y el residuo por su nombre a medida que vayan apareciendo; indica qué componente de la mezcla representa cada fracción recuperada; describe qué ha quedado atrás tras cada método.
Undécimo grado
- Enfoque: los principios físicos —densidad, sedimentación y tamaño de partícula— detrás de las técnicas.
- Actividades Explica por qué la mezcla debe reposar antes de decantarla y por qué las partículas finas se sedimentan lentamente; explica el proceso de filtración en función del tamaño de los poros en relación con el tamaño de las partículas; justifica el orden de las dos operaciones; predice qué ocurriría si la mezcla se filtrara directamente sin decantarla.
12.º curso / Nivel universitario
- Enfoque: selección y evaluación de métodos de separación.
- Actividades Clasifica la mezcla y justifica por qué se aplica la separación física, haciendo referencia a la insolubilidad del Co(OH)2; evaluar la pureza de cada fracción recuperada e identificar dónde se producen las pérdidas; proponer cómo se podría secar el sólido recuperado y cómo se podría comprobar el balance de masas; determinar qué técnicas de separación serían necesarias si el sólido fuera soluble, y por qué.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Vasos de precipitados (100 ml)
- Erlenmeyer (250 ml)
- Embudo
- Filtro embudo
Productos
- Hidróxido de cobalto (II)
- Agua destilada