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40 40 40 40 40 As misturas fazem parte do nosso cotidiano a todo instante, desde o ar que respiramos até os objetos que utilizamos nas tarefas diárias, nos alimentos, nos líquidos que ingerimos, inclusive na água, em que estão misturados diversos sais minerais e gases. De maneira geral, é difícil encontrar substâncias isoladas disponíveis na natureza, normalmente, tais substâncias estão unidas a outras formando uma mistura. O processo de separação de misturas é muito relevante, pois a maioria dos materiais encontrados na natureza não é substância pura, ou seja, não é constituída de um único tipo de partículas ou moléculas; mas, na verdade, trata-se de misturas compostas de duas ou mais substâncias diferentes. A água é frequentemente utilizada como modelo de substância. Mas não é encontrada pura na ou natureza, ou seja, sempre existem outras substâncias misturadas a ela. Mas a separação dos componentes dessas misturas ou o fracionamento delas são importantes para vários aspectos de nossa vida, como para separar os poluentes da água e torná-la própria para consumo, na produção de metais e de componentes especiais que são usados para produzir medicamentos, alimentos, bebidas, produtos de higiene e limpeza; na obtenção do sal de cozinha, na análise dos componentes do sangue nos laboratórios, para separar os componentes do lixo e destiná-los ao tratamento correto ou para reciclagem e assim por diante. Neste capítulo estudaremos os seguintes tópicos; 1. Estudo dos sistemas 2. Análise química 2.1 Separação das misturas heterogêneas 2.2 Separação das misturas homogêneas 3. Aplicações das técnicas de separação no cotidiano A natureza apresenta grande diversidade de matérias. É preciso analisar a composição e as propriedades desses materiais para que eles possam ser utilizados ou transformados nos mais diversos objetos. Para a análise dos materiais, os cientistas delimitam uma porção do universo que será o foco da análise e receberá o nome de sistema. “Sistema é qualquer porção limitada de matéria que vai ser submetida a um estudo” Exemplificando, se vamos estudar uma amostra de chá (Sua cor, sabor, densidade, etc.), dizemos que o conteúdo chá é o sistema em estudo, e todo o universo fora dessa barra passa a ser chamado de meio ambiente ou vizinhança (Ou ambiente exterior, ou simplesmente ambiente). É importante saber que entre o sistema e o meio ambiente existam fronteiras de separação bem definidas. Os sistemas podem ser classificados de acordo com o tipo de relações com a exterior: ✓ Sistemas abertos – Existe troca de matéria e de energia com o exterior. ✓ Sistemas fechados – Existe troca de energia com o exterior, mas não há troca de matéria. ✓ Sistemas isolados – Não há troca de energia nem de matéria com o exterior. CAPÍTULO 02 – ESTUDO DAS MISTURAS E SEUS MÉTODOS DE SEPARAÇÃO 1. INTRODUÇÃO 1.0 – ESTUDO DOS SISTEMAS MATRIZ ENEM C3: H8 C5: H18 C5: H19 C7: H25 MATRIZ BNCC EM13CNT104 EM13CNT301 EM13CNT306 EM13CNT309 EM13CNT305 EM13CNT310 https://mundoeducacao.uol.com.br/biologia/agua.htm https://mundoeducacao.uol.com.br/biologia/sais-minerais.htm https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/conceito-caracteristicas-dos-gases.htm https://mundoeducacao.uol.com.br/quimica/substancias-misturas.htm 41 41 Um sistema pode ser classificado como homogêneo ou heterogêneo, dependendo do seu aspecto. Uma porção de água filtrada apresenta um único aspecto em todos os seus pontos e, por isso, corresponde a um sistema homogêneo. Um pedaço de granito não apresenta aspecto uniforme em sua extensão e correspondo a um sistema heterogêneo. Cada um dos diferentes aspectos observados em um sistema é chamado de fase. “Fase é uma porção do sistema que apresenta as mesmas características em todos os seus pontos, sendo, portanto, de aspecto uniforme mesmo quando observado ao microscópico comum.” O sistema água/óleo/areia apresenta três fases, sendo duas fases líquidas e uma sólida, portanto trata-se de um sistema trifásico. Verificamos nesse sistema um exemplo de fase contínua. Já o granito tem três fases sólidas fragmentadas (O conjunto das regiões brilhantes, o conjunto das regiões escuras e a massa acinzentada), portanto trata-se também de um sistema trifásico. O sistema homogêneo apresenta aspecto uniforme e as mesmas características em toda sua extensão. Esse sistema é monofásico (Constituído por uma única fase). Os sistemas homogêneos podem ser constituídos de substâncias puras ou compostas; por exemplo, se observarmos a água pura veremos que ela apresenta uma única fase, portanto ela é um sistema homogêneo. Se observarmos também uma mistura de água com açúcar, também não notaremos diferença alguma; sendo este também um sistema homogêneo, sendo chamado comumente de mistura homogênea. Já o sistema heterogêneo apresenta aspectos e características diferentes em sua extensão, ou seja, apresenta mais e uma fase. De acordo o número de fases temos; Duas fases (Sistema bifásico), por três (Sistema trifásico) ou mais (Sistema polifásico).É de importância destacar que os sistemas heterogêneos também podem ser constituídos de substâncias puras. Por exemplo, água + gelo: os componentes são os mesmos, mas, por estarem em estados físicos diferentes, apresentam aspecto heterogêneo. Apesar de a classificação visual ser da maior importância para definir se um sistema e homogêneo ou heterogêneo, a observação a olho nu nem sempre é confiável. O leite, por 42 42 42 42 42 exemplo, tem uma aparência homogênea a olho nu, mas microscopicamente apresenta pequenas porções de gordura dispersas no líquido, tratando-se, portanto, de um sistema heterogêneo. Da mesma forma temos também o sangue, maionese, tintas, neblina, fumaça, geleia, dentre outras. Essas misturas nas quais existem pequenas partículas suspensas são denominadas coloides. É muito importante não confundir as fases com os componentes existentes em um sistema. A fase pode ser definida de forma simples como o aspecto visual da mistura, já componente é justamente do que é constituída a amostra presente naquele sistema, ou seja, cada substância presente em um determinado sistema teremos um componente. Exemplos: Em que consiste a descoberta de novas teorias, novos elementos e até mesmo novos produtos? Tudo parte de um lugar em comum: análises em laboratório. Afinal, esse ambiente já era conhecido pelos antigos alquimistas, na verdade não foi preciso um laboratório moderno para a ciência chegar ao que é hoje: as condições precárias não impediram um avanço significativo nas análises químicas. O laboratório pode ser definido como sendo o recinto apropriado para a execução de experimentos, é indispensável que tenha água em abundância, ser bem iluminado, provido de eletricidade, enfim, que permita a execução de análises químicas de forma correta, dentro dos padrões exigidos. Análise química é o conjunto de técnicas de laboratório utilizadas na identificação das espécies químicas envolvidas em uma reação, como também a quantidade dessas espécies. As análises químicas podem ser realizadas de três diferentes formas: quantitativamente, qualitativamente ou apenas imediata. 1) Análise imediata: Consiste em isolar as espécies que constituem o material, esse isolamento pode ser feito manualmente. Por exemplo, se queremos analisar uma amostra sólida e se esta estiver inserida em um meio líquido, é preciso retirar este sólido do meio aquoso; 2) Análise qualitativa: Essa etapa identifica a composição do material, é preciso instrumentos apropriados para executar este procedimento. 3) Análise quantitativa: É a análise mais criteriosa, além de saber do que se trata o material ainda é preciso saber a quantidade do componenteem questão dentro da amostra. Foi seguindo esses passos básicos que a ciência evoluiu e chegou ao que é hoje: essencial na descoberta de curas de doenças, na tecnologia, entre outros benefícios. PROCESSO DE SEPARAÇÃO DOS COMPONENTES PRESENTES EM UMA MISTURA Para a separação dos componentes de uma mistura, ou seja, para a obtenção em separada de cada uma das substâncias puras que formam uma mistura, utilizamos um conjunto de processos físicos e mecânicos denominada análise imediata. A escolha dos melhores métodos para a separação de misturas exige um conhecimento de algumas das propriedades das substâncias present4es na mistura, tais como homogeneidade e heterogeneidade, temperatura de fusão e ebulição, densidade e solubilidade. Assim, a separação dos grãos de feijão das pedrinhas, fases que formam uma mistura heterogênea de sólidos, pode ser feita por catação, mas esse processo é inadequado para separar o sal e água da água salgada, que é uma mistura homogênea de componentes sólido (NaCl) e líquido (H2O) Na separação de misturas heterogêneas, costuma-se utilizar em grande escala métodos mecânicos, ou seja, métodos que não são necessários a ocorrência de um fenômeno físico. Veremos a seguir exemplos de separação de misturas cujos componentes estão nos estados líquido, e sólido, sólido e gasoso, todos no estado líquido ou todos no sólido. 1) MISTURAS HETEROGÊNEAS COM TODAS AS FASES SÓLIDAS; 1) CATAÇÃO: É um processo mecânico simples baseado na diferença de tamanho e aspecto das partículas de uma 2.0 – ANÁLISE QUÍMICA 2.1 – SEPARAÇÃO DE MISTURAS HETEROGÊNEAS 43 43 mistura de sólidos granulados. Utilizamos as mãos ou pinças na separação dos componentes. Exemplo: Separação dos grãos de feijão. 2) VENTILAÇÃO ou ABANAÇÃO: Consiste em separar os componentes da mistura por uma corrente de ar, que arrasta o componente mais leve. Exemplo: Separação dos grãos do café de suas cascas. 3) LEVIGAÇÃO: É um processo mecânico que consiste em separar sólidos de densidades muito diferentes, passando por eles um líquido que não dissolva nenhuma das fases. A fase mais leve é arrastada pelo líquido, enquanto a mais pesada permanece no recipiente. Um exemplo é a separação da mistura ouro e areia com cascalho. O equipamento utilizado é a bateia, uma espécie de bacia de metal. Quando o garimpeiro, com movimentos circulares, faz passar a água pela bateia, a areia é arrastada, e o ouro, mais denso, fica retido no centro do equipamento. 4) FLUTUAÇÃO: Utiliza-se um líquido, normalmente a água, como elemento de separação de dois sólidos em que um deles possui densidade menor que a desse líquido. Isso faz com que o sólido menos denso fique sobrenadando. Vale lembrar que esses sólidos não podem ser solúveis nesse líquido. Esse método também é denominado por alguns autores como flotação ou sedimentação fracionada. Separação da serragem da areia 5) PENEIRAÇÃO OU TAMISAÇÃO: É usada para separar componentes de misturas de sólidos de tamanhos diferentes; passa-se a mistura por uma peneira. Exemplo: Separação da areia dos pedregulhos. 6) IMANTAÇÃO OU SEPARAÇÃO MAGNÉTICA: A imantação ou separação magnética é o método usado para separar dois sólidos. Um deles precisa sofrer atração de um ímã, ou seja, um dos dois componentes da mistura deve ser um material magnético. A imantação é feita aproximando-se um ímã da mistura em questão e atraindo o material magnético, separando-o do outro componente. A imagem a seguir pode representar o processo de separação magnética entre a areia e raspas de ferro: 7) DISSOLUÇÃO FRACIONANDA OU EXTRAÇÃO POR SOLVENTE: Nesse processo físico de separação de misturas, os sólidos têm solubilidade diferentes em determinado líquido, que será acrescentado à mistura de sólidos. Um dos sólidos é dissolvidos no líquido, e o outro, não. Forma-se, então, um sistema difásico. Logo após, faz-se a separação das fases obtendo um dos sólidos. O sólido seguinte será obtido por meio da evaporação do solvente. Um exemplo é a separação de cloreto de sódio (NaCl) da areia. Acrescenta-se água à mistura e obtêm-se água salgada e areia. Em seguida, faz-se a filtração do sistema e obtém-se a areia; depois, evapora-se a água e obtém-se o sal. 44 44 44 44 44 2) MISTURAS HETEROGÊNEAS COM, PELO MENOS, UMA FASE NÃO SÓLIDA; 1) COAGULAÇÃO: O processo de coagulação, trata-se de método no qual uma substância é adicionada a uma mistura com o intuito de se unir à componentes sólidos que estejam em suspensão em um líquido. Um dos exemplos mais clássicos encontra-se nas estações de tratamento de água a qual adiciona-se sulfato de alumínio para promover uma desestabilização nas partículas de impurezas (Coloides) presentes na água. A coagulação e a floculação (Próximo método a ser estudado) desempenham um papel dominante na cadeia de processos de tratamento de água. O sucesso dos outros processos que são realizados na estação depende, portanto, de uma coagulação bem-sucedida. Em uma acepção abrangente, coagulação é a alteração físico-química de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação, usualmente a flotação ou sedimentação. 2) FLOCUÇÃO: Processo físico que promove a aglutinação das partículas já coaguladas, facilitando o choque entre as mesmas devido à agitação lenta imposta ao escoamento da água. A formação de flocos de impurezas facilitam sua posterior remoção que poderá ser feita por sedimentação (sob ação da gravidade) e posterior decantação, flotação ou filtração. 3) SEDIMENTAÇÃO: A sedimentação bem como a coagulação e floculação, trata-se de um processo que antecede uma etapa de separação propriamente dita. É um processo em que a mistura de um sólido suspenso num líquido é deixada em repouso e a fase mais densa, por ação da gravidade deposita-se no fundo do recipiente, ou seja, sedimenta. 4) FLOTAÇÃO: Como alternativa para a sedimentação existe o processo de flotação. Neste caso, os agregados formados na etapa de floculação são forçados a flutuarem, ao invés de sedimentarem. A separação corre por meio da adição de bolhas de ar que aderem aos sólidos e, devido à baixa densidade, arrastam-nos para a superfície do líquido, formando uma espuma que pode ser facilmente removida. 5) DECANTAÇÃO: A decantação é usada para separar misturas do tipo sólido-líquido e líquido-líquido, baseando-se na diferença de densidade e na solubilidade de seus componentes. Se tivermos uma mistura heterogênea de sólido disperso num líquido, como água e areia, basta deixar o recipiente contendo a mistura em repouso. Com o tempo, a areia vai se depositando no fundo do recipiente pela ação da gravidade, que é o processo de sedimentação. Depois que todo o sólido se sedimentou, separamos cuidadosamente a água da areia, https://pt.wikipedia.org/wiki/Processo_de_separa%C3%A7%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Mistura https://pt.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido https://pt.wikipedia.org/wiki/Suspens%C3%A3o https://pt.wikipedia.org/wiki/Fases_da_mat%C3%A9ria https://pt.wikipedia.org/wiki/Densidade https://pt.wikipedia.org/wiki/Gravidade 45 45 inclinando o recipiente e transferindo para outro (decantação). Alguns usam também a sifonação no lugar da decantação para separar a parte líquida após a sedimentação, que é feita colocando-se um sifão (um tubo plástico) e iniciando o fluxo por sucção. Agora, se tivermos uma mistura do tipo líquido-líquido imiscível, como água e óleo, no laboratório, costuma-se utilizar um funil de decantação, também chamado de funil de bromo e de funil de separação. A mistura é deixada nesse funil por certo tempo, então, o líquido mais denso irá ficar na partede baixo pela ação da gravidade. Quando os líquidos estiverem totalmente separados, abre-se a torneira do funil deixando escoar o líquido mais denso para outro recipiente. Entretanto, além das misturas citadas, existe também outro tipo de mistura heterogênea, que são os coloides ou dispersões coloidais. O tamanho médio das partículas suspensas nas soluções coloidais varia de 1 a 1000 nm, ou seja, a olho nu parece ser uma mistura homogênea, mas que na realidade, quando olhamos no microscópio, vemos que é heterogênea. Elas não se sedimentam pela ação da gravidade, por isso usam-se aparelhos chamados de centrífugas. 6) CENTRIFUGAÇÃO: Consiste em colocar a mistura em um aparelho chamado centrífuga, que acelera a decantação, usando a força centrífuga. 7) FILTRAÇÃO: É um método de separação de misturas heterogêneas sólido-líquido ou gases-sólidos que se baseia na passagem da mistura por um filtro. Existem dois tipos de filtração: a comum e a vácuo. A filtração comum é a simples passagem da mistura por um funil com papel de filtro a vácuo onde os sólidos ficam retidos. Já a filtração a vácuo é feita usando-se um funil de Buchner acoplado a um kitassato, que, por sua vez, está acoplado a uma trompa de água que arrasta o ar de dentro do kitassato, causando uma região de pressão baixa. Essa diferença de pressão leva à sucção do líquido da mistura e acelera o processo de filtração. FILTRAÇÃO COM CARVÃO ATIVADO O carvão ativado é usado para filtrar soluções impuras, sabe por quê? Ele apresenta muitos poros em sua superfície de contato, que proporcionam uma grande área efetiva. Os poros retêm partículas em seu interior. O carvão ativado funciona como adsorvente: retira as impurezas de um meio sem que estas interfiram em sua composição. Tratamento de água com carvão ativado: esta etapa de purificação consiste na passagem do líquido entre camadas de carvão ativado, de modo que todas as partículas indesejáveis presentes (impurezas de origem orgânica) 46 46 46 46 46 fiquem presas (fixadas) aos poros do adsorvente. Como o carvão ativado tem a capacidade de coletar até mesmo gases, a água sai desta etapa livre de odores. Vejamos o corte esquemático que mostra a diferença na estrutura física do carvão comum e do carvão ativado: As partículas dispersas em misturas homogêneas ou soluções não podem ser filtradas, decantadas ou vistas, sejam quais forem as técnicas utilizadas. A seguir, vamos estudar alguns métodos empregados em laboratório e na indústria e tentar compreender seus princípios. 1) CRISTALIZAÇÃO FRACIONADA: Trata-se de um método físico utilizado para separar sólidos de solubilidades diferentes em determinada solvente. Nesse caso, adiciona-se um líquido que dissolva todos os sólidos que compõem a mistura. Após a dissolução, promove-se a evaporação do solvente, e os componentes cristalizam-se na ordem crescente dos seus coeficientes de solubilidade. Do menor para o maior. A cristalização fracionada é usada, por exemplo, nas salinas para a obtenção de sais a partir da água do mar. A evaporação da água permite a cristalização de diferentes sais, sendo que o último a ser obtido é o cloreto de sódio (NaCl), devido a sua maior solubilidade em água. 2) FUSÃO FRACIONADA: É um processo físico de separação de sólidos em que a mistura é aquecida até que ocorra a fusão (Derretimento) da fase de menor ponto de ebulição Se possuirmos dois sólidos com pontos de fusão diferentes e soubermos qual é o ponto de fusão de cada uma das substâncias, fica relativamente fácil de separá- las: podemos aquecê-los e fazer com que uma delas escoe. O estanho funde-se a 231 °C; o chumbo, a 327 °C; o ferro, a 1536 °C. Podemos derreter (fundir) primeiro o estanho, depois o chumbo e, por último, o ferro. Cada elemento, ao derreter-se, é separado dos demais. Esse processo também é utilizado para separar enxofre e areia no processo de obtenção de enxofre de depósitos subterrâneos. Existem misturas que não podem ser separadas pela fusão fracionada, por causa da maneira que se comportam durante o processo de fusão ou ebulição. Vejamos o porquê: Mistura eutética: é o tipo de mistura que se comporta como uma substância pura durante a fusão, sendo assim, não pode ser separada por fusão fracionada, pois tem o ponto de fusão constante. A separação dos componentes de misturas eutéticas é feita por destilação. Exemplo: mistura de estanho e bismuto. 3) SUBLIMAÇÃO: Esse processo pode ser utilizado quando um dos sólidos, por meio de aquecimento, sublima (passa direto da fase sólida para a de vapor, sem derreter-se, sem sofrer fusão), enquanto que o outro permanece sólido. Um exemplo típico consiste na mistura entre o sal e iodo ou areia e iodo, onde o iodo sólido sofre sublimação em temperaturas levemente elevadas. Também a sublimação pode ser empregada na separação de substâncias contendo a naftalina (naftaleno). 4) EVAPORAÇÃO: é usada para separação de misturas homogêneas constituída de um componente sólido e o outro líquido. A evaporação é usada para separar misturas, quando apenas a fase sólida é de interesse. O sal de cozinha é extraído da água do mar por evaporação. A água do mar é represada em grandes tanques, de pequena profundidade, construídos na areia, chamados de salinas. Sob a ação do sol e dos ventos a água do mar represada nas salinas sofre evaporação e o sal de cozinha e outros componentes sólidos vão se depositando no fundo dos tanques. O sal de cozinha é extraído da água do mar por evaporação. A água do mar é represada em grandes tanques, de pequena profundidade, construídos na areia, chamados de salinas. Sob a ação do sol e dos ventos a água do mar represada nas salinas sofre evaporação e o sal de cozinha e 2.2 – SEPARAÇÃO DE MISTURAS HOMOGÊNEAS https://brasilescola.uol.com.br/quimica/ponto-fusao-ebulicaopropriedades-periodicas.htm https://brasilescola.uol.com.br/quimica/mistura-eutetica.htm https://brasilescola.uol.com.br/quimica/tipos-misturas.htm 47 47 outros componentes sólidos vão se depositando no fundo dos tanques. 5) DESTILAÇÃO SIMPLES: é usada para separar misturas homogêneas quando um dos componentes é sólido e o outro líquido. A destilação simples é utilizada quando há interesse nas duas fases. Este processo consiste em aquecer a mistura em uma aparelhagem apropriada, como a esquematizada abaixo, até que o líquido entre em ebulição. Como o vapor do líquido é menos denso, sairá pela parte superior do balão de destilação chegando ao condensador, que é refrigerado com água, entra em contato com as paredes frias, se condensa, voltando novamente ao estado líquido. Em seguida, é recolhido em um recipiente adequado, e o sólido permanece no balão de destilação. 6) DESTILAÇÃO FRACIONADA: A destilação, de uma forma geral, é um dos métodos mais utilizados para separar os componentes de misturas homogêneas que apresentam líquido com sólido ou apenas líquidos em sua composição. A chamada destilação fracionada é utilizada exclusivamente para separar os componentes de uma mistura que apresente dois ou mais líquidos em sua constituição, como uma mistura de água e acetona. É importante que os líquidos que compõem a mistura não apresentem pontos de ebulição muito próximos ou ainda que a mistura não seja azeotrópica (mistura homogênea formada apenas por líquidos que apresenta ponto de ebulição constante). Nesses dois casos, são necessários métodos químicos para que a separação seja realizada. O funcionamento de uma destilação fracionada baseia-se na diferença de ponto de ebulição entre os líquidos que formam a mistura. Vamos utilizar o exemplo da água (ponto de ebulição igual a 100 oC) e acetona (ponto de ebulição igual a 58 oC) para entendermos como esse processo funciona. Inicialmente adicionamos a mistura no balão de vidro. Em seguida, ligamos o bico de bunsenou a chapa de aquecimento para aquecer a mistura. A partir daí, os dois líquidos começam a transformar-se em vapor e deslocam-se em direção à coluna de fracionamento, onde competem por um mesmo espaço. Como a coluna de fracionamento é um obstáculo, por conter várias bolinhas e pouco espaço livre, apenas um dos vapores consegue atravessá-la. Atravessa a coluna de fracionamento apenas o vapor do líquido que apresentar o menor ponto de ebulição, já que, quanto menor o ponto de ebulição, menor é a densidade do vapor. Após atravessar a coluna de fracionamento, o vapor do líquido de menor ponto de ebulição entra no condensador e sofre o fenômeno da condensação, retornando para o estado líquido. Por fim, o líquido condensado é recolhido no frasco coletor. A imagem a seguir apresenta um esquema de destilação fracionada: Ilustração de destilação fracionada Como no exemplo utilizado a acetona tem o menor ponto de ebulição, é ela que consegue atravessar a coluna de fracionamento, sendo condensada e recolhida no frasco coletor. Observação: Para evitar que o vapor de água também atravesse a coluna de fracionamento, é importante sempre ficar de olho no termômetro e não permitir que a temperatura de aquecimento ultrapasse o valor do menor ponto de ebulição. 7) LIQUEFAÇÃO FRACIONADA é um método de separação de misturas utilizado exclusivamente para misturas homogêneas que apresentem todos os seus componentes no estado gasoso. A mistura em que esse método é mais empregado é o ar atmosférico. https://brasilescola.uol.com.br/quimica/separacao-misturas-homogeneas.htm https://educador.brasilescola.uol.com.br/estrategias-ensino/ponto-ebulicao.htm https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/metodos-separacao-misturas.htm https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/metodos-separacao-misturas.htm 48 48 48 48 48 No ar atmosférico, temos a presença de diversos gases, mas durante a realização do método, apenas oxigênio, nitrogênio e argônio são obtidos. Como a liquefação fracionada é realizada? No processo de liquefação fracionada, a mistura é submetida a resfriamento (em torno de -200oC) em um equipamento especial. Caso não seja possível realizar o resfriamento até essa temperatura, pode-se realizar a liquefação submetendo o ar a uma compressão até que seus componentes passem para o estado líquido. Depois que todos os componentes do ar estão no estado líquido, a mistura (agora homogênea e líquida) deve ser submetida ao processo de destilação fracionada. Cada uma das substâncias presentes na mistura apresenta pontos de ebulição diferentes. Na destilação fracionada, a mistura é colocada em uma torre de destilação, onde é submetida a regiões com diferentes temperaturas, nas quais ocorrem aquecimento e resfriamento, fazendo com que os componentes passem para o estado gasoso. Esquema demonstrando como ocorre a destilação fracionada dos componentes do ar Com o passar do tempo, os componentes gasosos são recolhidos em regiões superiores, enquanto os componentes líquidos são recolhidos em regiões inferiores da coluna de fracionamento. 8) OSMOSE REVERSA: A osmose reversa ou inversa é um processo de separação de substâncias através de uma membrana que retém o soluto. Nesse caso, o solvente flui do meio mais concentrado para o menos concentrado e isola-se do soluto, por uma membrana que permite a sua passagem. Na osmose reversa, o soluto é forçado a passar para o meio menos concentrado. Isso só é possível graças à pressão exercida, fazendo com que a membrana semipermeável permita apenas a passagem da água, retendo o soluto. Porém, para que isso aconteça é necessária a aplicação de uma pressão maior do que a pressão osmótica natural. Esquema do processo de osmose reversa Durante a osmose reversa, até 99% dos solutos de baixo peso molecular como os sais ou moléculas orgânicas simples são retidos. Também podem ser isoladas bactérias, vírus e outros tipos de sólidos dissolvidos, purificando a água. 9) EXTRAÇÃO POR SOLVENTES: Usa-se algum líquido para extrair um ou mais componentes da mistura. Por exemplo, se adicionarmos uma solução aquosa de cloreto de sódio em uma mistura de gasolina e álcool, agitarmos e depois colocarmos em repouso, veremos que a água separará o álcool da gasolina. 10) CROMATOGRAFIA EM PAPEL: A cromatografia em papel é um método de separação usado para verificar a composição de algumas amostras orgânicas usando uma fase móvel, como um reagente orgânico e uma fase estacionária, como papel. Princípio da cromatografia em papel O princípio desse método envolve a cromatografia de partição ou cromatografia de adsorção. Cromatografia de partição pois as substâncias são particionadas ou distribuídas entre as fases líquidas, sendo que as duas fases https://www.manualdaquimica.com/quimica-geral/destilacao.htm 49 49 são a água retida nos poros do papel de filtro e a outra fase é uma fase móvel que passa através do papel. Quando essa fase móvel se movimenta (Esse movimento é devido a capilaridade nos poros do papel), a separação da mistura ocorre e os compostos da mistura se separam com base nas diferenças de afinidade com os solventes das fases estacionária e, móvel sob a ação capilar dos poros no papel. Nessa hora, ocorreu a cromatografia de adsorção entre as fases sólida e líquida, em que a superfície sólida do papel é a fase estacionária e, a fase líquida é a fase móvel. Funcionamento desse método de separação O papel usado na cromatografia consiste de celulose praticamente pura, em forma de papel de filtro especial, que deve ser de elevada pureza e uniformidade. As várias qualidades de papel se diferem em espessura e poder de aspiração de líquidos. Como fase estacionaria, geralmente se utiliza a água (ou outro solvente como óleo de silicone, óleo de parafina, derivados do petróleo, etc ) para embebedar o papel. Para realizar o experimento, coloca-se a substancia num certo ponto do papel e, mergulha-se esse ponto do papel no solvente. A separação se da durante a passagem da fase estacionaria e a fase móvel em movimento no papel. Os componentes que tem capacidade de formar ligações (ou pontes) de hidrogênio migram mais lentamente. Executa se cromatografia em papel em câmaras fechadas, cuja atmosfera está saturada com todos os componentes dos sistemas de solventes utilizados. Papel de filtro após experimento cromatográfico feito para a identificação da mistura que foi utilizada para a obtenção de certos tipos de tinta de canetas hidrográficas 50 50 50 50 50 Para que possamos utilizar produtos de limpeza, cozinhar alimentos, realizar a assepsia, dentre outras ações que utilizem água de forma tranquila, a água destinada ao consumo humano deve preencher condições mínimas para que possa ser ingerida ou utilizada para fins higiênicos, o que se consegue através dos processos de uma estação de tratamento. Em resumo: 1 – Captação: A água passa por um sistema de grades que impede a entrada de elementos macroscópicos grosseiros (animais mortos, folhas, etc.) no sistema. Parte das partículas está em suspensão fina, em estado coloidal ou em solução, e por ter dimensões muito reduzidas (como a argila, por exemplo), não se depositam, dificultando a remoção. 3.0 – APLICAÇÕES DAS TÉCNICAS DE SEPARAÇÃO NO COTIDIANO 3.1 – ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA 51 51 2 – Coagulação: O processo de coagulação, usado na maioria das estações de tratamento, envolve a aplicação de produtos químicos para precipitação de compostos em solução e desestabilização de suspensões coloidais de partículas sólidas, que, de outra maneira, não poderiam ser removidas por sedimentação, flotação ou filtração.A coagulação e a floculação desempenham um papel dominante na cadeia de processos de tratamento de água, principalmente na preparação da decantação ou da flotação e, assim, na filtração que se segue. O sucesso dos outros processos depende, portanto, de uma coagulação bem sucedida. Em uma acepção abrangente, coagulação é a alteração físico-química de partículas coloidais de uma água, caracterizada principalmente por cor e turbidez, produzindo partículas que possam ser removidas em seguida por um processo físico de separação, usualmente a flotação ou sedimentação. A coagulação pode ser considerada como um Processo constituído de duas subsequentes: ✓ Primeira: A coagulação, propriamente dita – envolve a adição de coagulantes químicos(Geralmente o Al2SO4) com a finalidade de reduzir as forças que mantêm separadas as partículas em suspensão. ✓ Segunda fase da coagulação – a floculação – 3 – Floculação: Processo físico que promove a aglutinação das partículas já coaguladas, facilitando o choque entre as mesmas devido à agitação lenta imposta ao escoamento da água. A formação de flocos de impurezas facilita sua posterior remoção que poderá ser feita por sedimentação (sob ação da gravidade) e posterior decantação, flotação ou filtração. A floculação pode ocorrer por processos hidráulicos ou mecanizados. O sulfato de alumínio gera os seguintes íons na água: Al2(SO4)3 → 2 Al3+ + 3 SO42- Uma menor parte dos cátions Al3+ neutraliza as cargas negativas das impurezas presentes na água, e a maior parte deles interage com os íons hidroxila (OH-) da água, formando o hidróxido de alumínio: Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3 +6H+ + 3SO42- Esse hidróxido de alumínio é um coloide carregado positivamente que neutraliza as impurezas coloidais carregadas negativamente que estiverem na água. Observe que há um excesso de H+, o que torna o meio ácido e pode impedir a formação do hidróxido de alumínio. Por isso, com o coagulante é adicionado à água também algum composto que aumente o pH (a alcalinidade) do meio, tais como as bases hidróxido de cálcio (Ca(OH)2) (cal). 52 52 52 52 52 4- Decantação, a água não é mais agitada e os flocos vão se depositando no fundo, separando-se da água. O lodo do fundo é conduzido para tanques de depuração. O ideal é que ele seja transformado em adubo, em um biodigestor. A água mais limpa vai para o filtro de areia. 5- Filtração. A água já decantada passa por um filtro de cascalho/areia/antracito (carvão mineral), onde vai se livrando dos flocos que não foram decantados na fase anterior e de alguns microrganismos. 6- Cloração. A água filtrada está limpa, mas ainda pode conter microrganismos causadores de doenças. Por isso, ela recebe um produto que contém cloro, que mata os microrganismos. Na água, o cloro age de duas formas principais: a) como desinfetante, destruindo ou inativando os microrganismos patogênicos, algas e bactérias de vida livre; e b) como oxidante de compostos orgânicos e inorgânicos presentes. Quando o cloro é adicionado a uma água isenta de impurezas, ocorre a seguinte reação: Dependendo do pH da água, o ácido hipocloroso (HClO) se ioniza, formando o íon hipoclorito (ClO–), segundo a reação a seguir: Ambos os compostos possuem ação desinfetante e oxidante; porém, o ácido hipocloroso é mais eficiente do que o íon hipoclorito na destruição dos microrganismos em geral. 6 – Fluoretação. Nas grandes cidades brasileiras a água tratada ainda recebe o flúor, que ajuda a prevenir a cárie dentária. 7 – Reservação. A água tratada é armazenada em grandes reservatórios, antes da distribuição. Esses reservatórios sempre são instalados nos locais mais altos das cidades. 8 – Distribuição. A água tratada é distribuída para as residências, comércio e indústria a partir dos reservatórios de água potável. * A correção de PH é feita quando se coloca cal hidratada ou carbonato de sódio, corrigindo uma possível alcalinidade da água (PH). Este procedimento também previne uma possível corrosão futura da rede de encanamento que irá distribuir a água tratada. 3.2) CRAQUEAMENTO DO PETRÓLEO O petróleo bruto é extraído de jazidas subterrâneas que estão localizadas na terra ou no mar. É um fluído de coloração variável de amarela a preta, viscoso, composto por uma mistura de hidrocarbonetos e contaminantes diversos. Trata-se de um composto de origem fóssil, que leva milhões de anos para se formar sob temperatura e pressão. Para que sejam produzidos os subprodutos originados a partir deste composto, o fluído viscoso passa por um processo de destilação fracionada em refinarias. Este processo é chamado craqueamento do petróleo. O petróleo pode ser classificado em leve, médio ou pesado, por meio do grau de densidade API e de acordo com a sua origem e compostos que estão presentes na mistura. O petróleo leve, como o próprio nome diz, contém uma maior fração de produtos leves, como gás natural, naftas e óleo diesel. Já o petróleo pesado possui maior quantidade de compostos pesados, como óleos combustíveis e asfalto. Há processos específicos que ocorrem após a destilação do petróleo bruto que convertem essas frações pesadas em produtos mais leves, como podemos citar o processo de craqueamento catalítico, coqueamento retardado e hidrocraqueamento por exemplo Quando o petróleo é extraído, ele vem cheio de impurezas, que são então separadas por meio de processos físicos. Por exemplo, a decantação é utilizada para separar o petróleo da água salgada. Visto que a água é mais densa que o petróleo, ela fica na parte de baixo e o petróleo fica na parte de cima, podendo ser separados. Utiliza-se também da filtração para remover impurezas maiores, tais como areia, argila e pedaços de rochas. 1ª PROCESSO: https://www.infoescola.com/quimica/petroleo/ https://www.infoescola.com/quimica-organica/hidrocarbonetos/ https://www.infoescola.com/quimica/destilacao-fracionada/ https://www.infoescola.com/quimica/destilacao-fracionada/ https://www.infoescola.com/quimica/refinaria-de-petroleo/ https://www.infoescola.com/quimica/gas-natural/ https://www.infoescola.com/compostos-quimicos/nafta-petroquimica/ https://www.infoescola.com/quimica/diesel/ https://www.infoescola.com/quimica/asfalto/ https://www.infoescola.com/reacoes-quimicas/pirolise-ou-craqueamento-catalitico/ https://esquadraodoconhecimento.files.wordpress.com/2012/10/rec1.png https://esquadraodoconhecimento.files.wordpress.com/2012/10/rec2.png 53 53 O primeiro método utilizado para isso é a DESTILAÇÃO FRACIONADA, que se baseia na diferença das faixas das temperaturas de ebulição das frações do petróleo. Para tal, utiliza-se uma torre de destilação com uma fornalha na parte inferior, onde o combustível é aquecido. A torre possui até 50 pratos ou bandejas, sendo que cada uma apresenta uma temperatura diferente que vai diminuindo à medida que a altura aumenta. Quando o petróleo é aquecido na fornalha, seus componentes vão passando para o estado gasoso, sendo que os mais pesados (de maior massa molar) não sobem, mas ficam líquidos na parte inferior e são separados. As demais frações no estado gasoso sobem pela torre, e quando uma dessas frações atinge uma bandeja com uma temperatura menor que seu ponto de ebulição, ela liquefaz-se e é coletada nesta altura da torre. As demais frações que ainda permanecem no estado gasoso passam para a próxima bandeja e esse processo vai se repetindo. Desse modo, cada uma das frações liquefaz-se em um dos pratos e são coletadas separadamente. 54 54 54 54 54 2ª PROCESSO: O resíduo líquido que ficou no fundo da coluna é levado para outra coluna, que apresenta pressão inferior à atmosférica, processo esse chamado de DESTILAÇÃO A VÁCUO. Isso faz com que frações mais pesadas entrem em ebulição em temperaturas mais baixas que o seu ponto de ebulição. 3ª PROCESSO Cracking (ou craqueamento ou pirólise) — O termo vem do inglêsto crack (“quebrar”) e representa a quebra de frações mais pesadas (moléculas maiores) do petróleo, que são transformadas em “frações mais leves” (moléculas menores) por aquecimento (cracking térmico) ou por aquecimento e catalisadores (cracking catalítico). Por exemplo: O cracking é um processo complexo, pois a quebra de um alcano de molécula grande produz vários compostos de moléculas menores — alcanos, alcenos e, inclusive, carbono e hidrogênio — que são separados posteriormente. Trata-se de um processo importantíssimo, pois permite aumentar a quantidade e melhorar a qualidade da gasolina produzida. Além disso, dele se originam inúmeros produtos que servem como matéria-prima para outras indústrias (por exemplo, com o CH2 = CH2 é fabricado o polietileno, um dos plásticos mais usados no mundo atual). Reforming (ou reforma catalítica) — Por meio de aquecimento e catalisadores apropriados, o processo denominado reforming permite transformar hidrocarbonetos de cadeia normal em hidrocarbonetos ramificados, cíclicos e aromáticos, contendo em geral o mesmo número de átomos de carbono. Por exemplo: Esse processo é muito importante para melhorar a qualidade da gasolina, pois hidrocarbonetos ramificados, cíclicos e aromáticos melhoram o desempenho da gasolina nos motores dos automóveis. É importante relembrar que o progresso obtido no processamento do petróleo e de suas frações, no século XX, deve-se, em grande parte, ao extraordinário desenvolvimento dos catalisadores (substâncias que aumentam a velocidade de uma reação, sem serem consumidas durante o processo). 55 55