::: GUÍA DE CONTENIDOS: DUREZA DEL AGUA Y TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS :::

Estimado IºC:

Les dejo la guía resumen con los contenidos que serán incluidos en nuestra tercera y ultima prueba (dureza y técnicas de separación de mezclas)

Chic@s, en ningun caso esta guia incluye tooodo lo que se preguntará en al prueba, considerenlo como un cmplemento a sus apuntes...es fundamental que revisen los laboratorios y demostraciones experimentales realizadas en el laboratorio, cuyos resultados tambien forman parte del temario de la prueba

recuerden, este miercoles 26 de noviembre el repaso es a las 16!
saludos para todos!
Profe luis



PARTE I: DUREZA DEL AGUA
1.- Origen de la dureza del agua

Como ya sabemos, el agua presente en el planeta tierra se distribuye en los océanos, las masas de hielo presente en los polos, los ríos, lagos, arroyos superficiales y las fuentes de agua subterráneas.
Gracias a la acción del sol, grandes masas de agua se evaporan constantemente de la superficie de océanos, ríos, lagos, suelos, etc. Este vapor de agua pasa a la atmósfera, en donde se condensa, formando nubes y, posteriormente, regresa a la tierra en forma de lluvias, granizo y nieve, completando el llamado ciclo del agua.

Durante esta última etapa, las gotas de lluvia “capturan” ciertas moléculas de gas presente en la atmósfera (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono, entre otros) Si bien estos gases son muy poco solubles en agua, tienen la capacidad de interactuar con las moléculas del líquido, formando especies químicas solubles (para conocer detalles revisar punta a en anexo).

Cuando el agua corre sobre la tierra o por debajo de ella, disuelve otras sustancias, originadas de la descomposición de vegetales y/o animales muertos, además de diversos minerales presentes en rocas y suelo.

Los minerales presentes en el suelo están formados por sales iónicas, es decir, compuestos formados por elementos metálicos y no metálicos. Estas sustancias aportan una cantidad importante de iones positivos y negativos que se disolverán en el agua.

En el caso del agua oceánica, los principales iones presente con el sodio (Na +) y el cloruro (Cl -) los cuales le confieren su sabor característico.

En el caso de aguas dulces, el mineral conocido como piedra caliza, formado por el carbonato de calcio (CaCO3), se disuelve parcialmente en agua (para conocer detalles, ver punto b. en anexo ), generando iones calcio (Ca 2+) La dolomita, mineral formado por carbonato de magnesio (MgCO3) aporta iones magnesio (Mg 2+).

Principales iones disueltos en aguas naturales




Cuando el agua presenta altas concentraciones de iones calcio (Ca 2+) o iones magnesio (Mg 2+) se denomina agua dura. Cuando el agua esta prácticamente libre de estos iones, se denomina agua blanda.

2.- Efectos negativos de la dureza del agua

Aunque la existencia de altas concentraciones de iones calcio y magnesio en el agua potable no representa una amenaza para la salud del ser humano, su presencia hace que el agua sea inadecuada para ciertos usos domésticos e industriales.

Por ejemplo, los iones responsables de la dureza del agua interaccionan con las moléculas de jabón, formando compuestos insolubles, que dificultan la acción limpiadora de todo tipo de detergentes, impidiendo la formación de espuma.

Por otra parte, cuando se calienta el agua dura, el ion bicarbonato (HCO3 -) tiende a formar dióxido de carbono gaseoso, el cual se “escapa “a la atmósfera (para conocer detalles, ver punto c. en anexo).Este fenómeno provoca que los iones calcio y magnesio disueltos en el agua formen un precipitado insoluble de color amarillento (el clásico “sarro”).
Este sólido se acumula en las superficies metálicas de artefactos eléctricos de uso doméstico (planchas, hervidores), así como en calderas industriales, formando una capa que obstaculiza la transferencia de calor de dichos aparatos, disminuyendo su eficiencia.

Otro efecto negativo de las aguas duras dice relación con la acumulación de incrustaciones no solubles en las paredes internas de tuberías de agua.
Dichas paredes presentan cierta rugosidad, en la cual se depositan iones calcio y magnesio. Como ya sabemos, estos cationes metálicos forman incrustaciones insolubles (sarro) cuando interactúan con iones carbonato, fenómeno que disminuye el volumen de agua que fluye por el interior de la cañería.

3.- Formas de ablandar el agua

El proceso de eliminación de los iones solubles responsables de la dureza del agua se conoce como ablandamiento. Existen múltiples procedimientos para eliminar los iones calcio y magnesio del agua. Uno de ellos fue visto en el punto anterior y dice relación con calentar (hervir) el agua dura, favoreciendo la eliminación de iones calcio disueltos, por abandono de CO2(g) y posterior formación de sarro.

Otro tratamiento común consiste en la adición con agentes precipitantes al agua, tales como carbonato de sodio (Na2CO3 (ac)), que hace precipitar al ion calcio; o bien, hidróxido de calcio (Ca(OH)2 (ac)), que precipita al ion magnesio (ver detalles en anexo I).


PARTE II: TÉCNICAS DE SEPARACIÓN DE MEZCLAS

Las técnicas de separación de mezclas son procedimientos mecánicos (cambios físicos) que separan los componentes que forman una mezcla, considerando sus propiedades específicas y/o el tamaño de las partículas que los componen.

Las técnicas de separación que se conocerán en el curso son:

1) Decantación
2) Sedimentación
3) Filtración
4) Tamizado
5) Destilación
6) Cromatografía

Decantación

Esta técnica se ocupa para separar mezclas de líquidos insolubles, los cuales, debido a sus diferencias de densidad, se ubican en diferentes capas, quedando el de mayor densidad en el fondo del recipiente.

Para llevar a cabo la separación, se utiliza un material de laboratorio llamado embudo de decantación, el cual está provisto de una llave de paso en su extremo inferior, ello permite controlar la extracción del líquido de mayor densidad y posteriormente el de menor densidad.

Cabe destacar que esta técnica sólo será aplicable en el caso de mezclas formadas por líquidos inmiscibles (insolubles entre sí) que presenten una diferencia importante en su valor de densidad. (ej: H2O (d= 1g/ml) y tetracloruro de carbono (d=1,59 g/ml))



Sedimentación (sedimento = residuo, precipitado)

Esta técnica se utiliza para separar partículas de un componente sólido insoluble, dispersas en un solvente o solución líquida.

Su procedimiento es bastante sencillo, puesto que consiste únicamente en dejar en reposo la mezcla, de tal modo que las partículas más pesadas de sólido se depositen en el fondo del recipiente, por acción de la gravedad (Esta técnica es utilizada en una de las etapas del proceso de potabilización de agua).

Cabe destacar que, en algunos casos, la sedimentación puede ser acelerada colocando la muestra en una centrífuga, artefacto que posee un rotor que gira a alta velocidad, sometiendo la mezcla a una fuerza centrífuga que acelera la precipitación de partículas sólidas en el fondo del recipiente.

Filtración

Técnica ampliamente utilizada en laboratorio, permite la separación de una sustancia sólida presente en un solvente o solución líquida.
El procedimiento consiste en hacer pasar pequeñas cantidades de la mezcla a través de un papel filtro plegado y colocado previamente en un embudo.
El papel atrapará las partículas del sólido, dejando pasar las moléculas del líquido (que son más pequeñas) a través de sus poros.

Tamizado

Técnica usada para separar mezclas de sólidos de distinto tamaño. Consiste en hacer pasar la mezcla por tamices o rejillas con aberturas de distinto diámetro, de tal manera de obtener distintas porciones de la mezcla con un tamaño de partículas determinado.
El tamizado también puede ser usado para eliminar componentes sólidos de gran tamaño presentes en una mezcla heterogénea acuosa.


Destilación

Esta técnica complementa dos cambios de estado y se utiliza para extraer un componente líquido presente en una mezcla mediante su evaporación y posterior condensación. De esta forma se puede separar un líquido de una mezcla de dos líquidos que presenten una diferencia importante de sus puntos de ebullición (ej: agua y acetona), o bien, un líquido mezclado con ciertos sólidos solubles o insolubles en él.(ej: salmuera, petróleo, agua de mar)

Mediante la destilación de agua potable se obtiene el agua destilada usada en laboratorio.

Cabe destacar que el cambio de estado conocido como evaporación es, en sí mismo, un método de separación de soluciones. En ocasiones se desea separar un compuesto iónico disuelto en agua, en tal caso, se deja evaporar el solvente muy lentamente (a temperatura ambiente, por ejemplo), obteniéndose cristales del sólido. Este proceso se conoce con el nombre de cristalización.

Cromatografía

Si bien en el laboratorio utilizamos la cromatografía para separar los componentes colorantes de una mancha de tinta, también es usada para separar componentes sólido, gaseosos o líquidos disueltos en una solución (mezcla homogénea)

Su procedimiento consiste en someter la mezcla en un solvente apropiado (en laboratorio se uso una solución cromatográfica de acetona-alcohol), la cual se desplaza a través de un superficie absorbente y porosa (por ejemplo un papel filtro).

Los componentes colorantes presentes en la mancha de tinta se distribuirán a lo largo del papel debido a sus diferencias de solubilidad y/o afinidad con la solución cromatográfica.


ANEXO I

a. Acidificación del agua por efecto del dióxido de carbono atmosférico

Como ya se dijo, el agua en contacto con el aire captura ciertas moléculas de CO2(g).Este gas reacciona con el agua para formar el acido carbónico (H2CO3), el cual acidifica el agua, originalmente neutra.

CO2 (g) + H2O (l) → H2CO3 (ac)

Esta condición de acidez del agua es clave para poder disolver el carbonato de calcio (CaCO3 (s)) proveniente del mineral de piedra caliza, proceso que producirá iones calcio en solución, responsables de la dureza del agua.

b. Disolución de carbonato de calcio en agua (formación de agua dura)

Si bien el CaCO3 (carbonato de calcio, proveniente de la piedra caliza) es insoluble en agua, gracias a la presencia de dióxido de carbono gaseoso (CO2), formará bicarbonato de calcio ( Ca(HCO3)2 ), el cual sí es soluble y se disocia en sus respectivos iones (Ca2+ (ac) ; 2HCO3 - (ac)), según el siguiente proceso:

CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l) → Ca2+ (ac) + 2HCO3 - (ac)



Estos iones calcio disueltos son responsables de la dureza del agua.

c. Formación de sarro (por precipitación de carbonato de calcio) – ablandamiento de agua por calentamiento

Cuando se calienta el agua dura, parte del dióxido de carbono disuelto en ella “tiende a escapar”. Su ausencia provoca una alteración en el grado de acidez del agua, situación que favorece que el ion calcio disuelto en ella forme sarro, es decir, carbonato de calcio insoluble (CaCO3 (s) ), sustancia que se puede eliminar posteriormente, mediante filtración.

Ca2+ (ac) + 2HCO3 - (ac) → CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O (l)


d. Ablandamiento de agua por acción de agente precipitante

Cabe destacar que este tipo de ablandamiento se utiliza para eliminar iones calcio y magnesio que provienen de otras sales, distintas del carbonato, y que, no pueden eliminarse mediante calentamiento.

• Ablandamiento por precipitación de ion calcio:

Ca2+ (ac) + Na2CO3 (ac) → CaCO3 (s) + 2Na+ (ac)


• Ablandamiento por precipitación de ion magnesio:

Mg2+ (ac) + Ca(OH)2 (ac) → Mg(OH)2 (s) + 2Ca+2 (ac)

(*) Si deseas conocer algo más respecto de otros procesos de ablandamiento, investiga el uso de “resinas de intercambio iónico”

(**) Fuentes bibliograficas:
- Manuel de Preparación PSU química; 6ta edición, Ed. U. Católica de Chile.
- Ciencias Químicas I; 1era edición, Ed. Pearson educación.