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. Figura 1.- Construcción de un filtro cónico liso (a) (b) (c) 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 R f, 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 1 er 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 BaCl 2 0,1 M H 2 SO 4 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 FeCl 3 0,1 M NaOH 0,1 M
3 er 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 1 er 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 BaCl 2 0,1 M y 10 ml de H 2 SO 4 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. 2 º ensayo. Centrifugación de un precipitado de hidróxido férrico En un tubo de ensayo se añaden 3 ml de FeCl 3 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. 3 er 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 R f 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. Color de la banda Identidad Frente de la fase móvil Amarillo Carotenos Amarillo grisáceo Feofitina Amarillo pardo Xantofila Verde azulado Clorofila A Verde Clorofila B Origen Verde 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 BaCl 2 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 R f 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 Alonso Rodrigo, M. Técnicas Básicas en el Laboratorio de Química. Capítulo V.4. Ed. Universidad de Valladolid, 1996. Petrucci, R.H., Harwood, W.S., Herring, F.G. Química General. 8ª ed. Capítulo 19. Ed. Prentice Hall, 2003. Roberts, J., Whitehouse, D.G. Practical Plant Physiology. Capítulo 6. Ed. Longman, 1976. Smith, I., Feinberg, J.G. Cromatografía sobre papel y capa fina. Electroforesis. Ed. Alhambra, 1979.