3.métodos físicos de separação - nautilus home...

Actividades Envolvendo os pais no Ensino da Química: Uma experiência no 7º Ano.

Mestrado em Química para o Ensino 55

3.Métodos Físicos de Separação



3.Métodos Físicos de Separação

3.1. Substâncias e Misturas de Substâncias

A classificação da matéria é uma primeira etapa para se perceber em que medida o

tipo de matéria vai condicionar a sua aplicação e utilização no quotidiano, inclusivamente

nos processos físicos de separação. Para os químicos, a classificação dos materiais tendo

em conta a sua composição é muito importante. O esquema representado na figura 3.1

resume, de modo geral, a classificação da matéria de acordo com a composição química.

Fig 3. 1-Classificação da matéria

(adaptado de: Reger Daniel et. al, Química: Princípios e Aplicações; 1997)

Sim

Matéria

É uniforme

Pode ser separada

por processos

físicos?

Substância pura Mistura homogénea

Não

Substância

Composta

Mistura

heterogénea

Pode ser decomposta

em componentes mais

simples por processos

químicos?

Não Sim

Substância

Elementar

Sim Não



Tal como se observa na Figura 2.5, a matéria divide-se em substâncias puras e

misturas. A grande maioria dos materiais que nos rodeiam são misturas de substâncias.

Uma mistura é então a matéria que é constituída por duas ou mais substâncias em

proporções que podem variar e sem que entre essas substâncias exista qualquer tipo de

interacção química. As misturas são constituídas por componentes com propriedades

físicas distintas, podendo, deste modo, proceder-se à sua separação. É frequente que

quando duas substâncias entram em contacto possam reagir quimicamente. Quando tal

acontece, o resultado não é uma mistura, mas uma nova substância que se formou por

reacção química, que apresentará novas características, perdendo as suas características

iniciais.

Um outro conceito que surge em oposição às misturas é substância. Habitualmente

designa-se por substância uma amostra que não pode ser separada nos seus diversos

constituintes por processos físicos. Em química a utilização do conceito substância está

associado a pureza.

Em determinados casos é fácil identificar e classificar uma amostra como sendo

uma mistura. No entanto, em outros casos é necessário recorrer a equipamentos por

vezes “complexos” e a um “exame” cuidadoso de modo a classificar a amostra em

substância. (Reger; Goode; Mercer; 1997)

3.1.1. Classificação de misturas

A maior parte da matéria que encontramos no nosso dia-a-dia é composta por uma

mistura de substâncias. É importante referir que os componentes das misturas assumem

uma variedade de dimensões e como tal é possível efectuar a distinção entre misturas

homogéneas e heterogéneas, figura 2.6, de acordo com a uniformidade ou não, em toda a

sua extensão.

Fig 3. 2- Classificação das misturas

Misturas de substâncias

Heterogéneas Homogéneas



Uma mistura homogénea é aquela que apresenta o mesmo aspecto (“homo” =

“igual”) não sendo possível efectuar a distinção dos seus componentes existindo uma

única fase. Uma mistura heterogénea é uma mistura que apresenta aspecto diferente ao

longo da sua extensão (“hetero” = “diferente”) sendo possível distinguir alguns ou até

mesmo todos os componentes de uma mistura à vista desarmada. Os componentes

encontram-se em pelo menos duas fases. É possível identificar ainda um outro tipo de

mistura que se designa por mistura coloidal. Esta mistura é por vezes confundida com as

misturas homogéneas, no entanto a sua observação detalhada ao microscópio permite

inseri-la mais proximamente das misturas heterogéneas. São misturas que estão no limite

entre o homogéneo e o heterogéneo.

Por vezes não é fácil determinar se uma amostra é ou não uma mistura e como tal

a identificação e análise é uma sequência de testes baseados nas propriedades que as

substâncias apresentam. Estas propriedades são divididas em três grandes grupos:

propriedades organolépticas, físicas e químicas.

Propriedades organolépticas – são aquelas que impressionam os sentidos,

como a cor, odor, sabor, aspecto sentido pelo tacto e timbre (estas duas

últimas propriedades são pouco significativas para a identificação).

Propriedades físicas – são aquelas que envolvem interacções da matéria

com a energia, sendo específicas (características de um único tipo de

matéria) desde que o material seja puro. As propriedades físicas podem ser:

ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade, calor especifico e dureza.

Propriedades químicas – relativas às transformações da matéria:

neutralização, fotólise, solubilidade, pirólise, oxidação-redução, acção sobre

indicadores.

A observação dos componentes de uma mistura pode ser efectuada de maneiras

distintas tais como a observação ao microscópio ou à vista desarmada. A utilização de

processos indirectos é também muitas vezes utilizada, através de vários procedimentos

experimentais. Estes procedimentos permitem distinguir misturas de substâncias puras.

Um procedimento comum diz respeito às substâncias puras, que apresentam pontos de

fusão e de ebulição constantes. No entanto, é necessário cuidado pois existem casos de

misturas em que os mesmos também se verificam, como é o caso das misturas eutéticas

(ponto de fusão constante) ou misturas azeotrópicas (ponto de ebulição constante).



3.1.2. Classificação de substâncias.

As substâncias puras podem ainda dividir-se em substâncias compostas e

elementares. As substâncias compostas são constituídas por mais do que uma espécie

química como é o caso da água, cuja constituição é o hidrogénio e o oxigénio. As

substâncias elementares têm na sua constituição uma única espécie química, tal como o

caso do oxigénio.

Fig 3. 3- Classificação de substâncias

Substâncias

Elementares Compostas

Apresentam unidades estruturais:

átomos ou moléculas que em conjunto com

outras iguais formam a substância.

Compostos moleculares: unidade

estrutural é a molécula, e resulta da

combinação química de elementos

diferentes, e em conjunto com outras

formam a substância

Compostos iónicos: a unidade estrutural é

o menor conjunto de iões, electricamente

neutro.



3.2. Técnicas de Separação e Purificação

Muitas das substâncias puras que existem na natureza só se encontram sob a

forma de misturas e como tal é necessário proceder à sua separação, pois a obtenção de

substâncias com grau de pureza elevado é muito importante. Existe uma grande variedade

de métodos que permitem realizar a separação dos componentes de uma mistura

homogénea e heterogénea. A seguir apresentam-se os métodos de separação mais

utilizados e de que modo são aplicados a misturas.

A utilização de cada uma destas técnicas envolve a manutenção das propriedades

que caracterizam as substâncias. A escolha da técnica depende das características e do

estado físico dos constituintes que fazem parte da mistura (Reger; Goode; Mercer; 1997).

Relativamente às separações de misturas heterogéneas deve-se ter em atenção

que estas misturas têm várias fases que podem estar em diferentes estados físicos. Se a

mistura que se pretende separar for constituída por uma ou mais fases sólidas as técnicas

devem estar de acordo com as características dos componentes. É importante ter em

atenção também a finalidade da separação.

3.2.1. Misturas heterogéneas

Para estas misturas as técnicas de separação são específicas e como tal

descrevem-se seguidamente:

I – Separação de componentes sólidos de uma mistura sólida

Caso o componente que constitui a mistura tenha propriedades magnéticas pode

utilizar-se para efectuar uma separação magnética (Fig 3.4). Esta técnica permite separar

materiais que são atraídos por ímanes.

Este tipo de técnica é frequentemente utilizado na indústria química para separar o

ferro de outros metais.



Fig 3. 4- Separação magnética

(Extraído de Nunes; Cruz; Acção (Re) Acção; 2006)

Uma outra técnica que permite separar componentes sólidos é a peneiração. Este

procedimento tem em consideração as dimensões do material sólido. É possível utilizando

peneiras cuja estrutura é uma rede fina com malhas que variam de acordo com o tamanho

do produto a separar. Uma das aplicações desta técnica ressalta no dia-a-dia na

construção civil e na indústria da panificação.

Uma outra técnica frequentemente utilizada é a sublimação que apenas é possível

quando um dos componentes da mistura sublima facilmente como é o caso do iodo, gelo

seco ou naftaleno.

II – Separação de um sólido insolúvel de uma mistura sólido – líquido

Decantação é a técnica frequentemente utilizada para se separar um sólido

depositado no fundo de um recipiente que contém um líquido. O sólido é denominado

sedimento. O líquido é cuidadosa e lentamente transferido para um outro copo com a

ajuda de uma vareta, tal como é possível observar na figura 3.5.



Fig 3. 5- Decantação

(Extraído de Nunes, N.; Cruz.A.C.; Acção (Re) Acção; 2006)

III – Separação de partículas sólidas insolúveis num líquido ou numa solução

A separação de partículas em suspensão pode ser efectuada recorrendo a uma

filtração. Das várias técnicas de filtração é de referir a filtração por gravidade e a filtração

a pressão reduzida.

Filtração por gravidade

Este tipo de filtração ocorre devido ao efeito da gravidade sobre a mistura que se

pretende separar. A mistura deve ser constituída por uma fase sólida e uma fase líquida.

Deve fazer-se passar a mistura por uma “barreira porosa” que habitualmente é o papel de

filtro (mas também podendo ser utilizados outros materiais que permitam reter as

partículas sólidas). O filtro servirá para reter as partículas sólidas. Estas partículas

adquirem o nome de resíduo, enquanto que a mistura líquida que contém partículas de

menor dimensão atravessa o papel de filtro formando o filtrado. Um dos problemas desta

técnica é a obstrução do filtro pelas pequenas partículas bem como a elevada viscosidade

(Reger; Goode; Mercer; 1997).

Nesta técnica é importante a preparação do papel de filtro. O tamanho do filtro deve

ser o mais adequado à quantidade de sólido que se pretende separar, não devendo ocupar

mais de 1/3 da capacidade do papel de filtro, para que seja possível efectuar a lavagem do

mesmo posteriormente.

Os filtros preparados podem ser de pregas ou lisos. Os filtros de pregas são os

mais indicados quando se pretende recolher o líquido, pois têm maior área e maior



velocidade de filtração. Os filtros lisos são mais utilizados quando pretendemos recolher o

resíduo sólido. Após a preparação o papel deve adaptar-se ao funil, devendo molhar-se

com o solvente. Este procedimento permite a minimização das perdas e maior aderência

do papel ao funil.

Filtração a pressão reduzida

Este tipo de filtração é utilizada quando se pretende efectuar uma filtração mais

rápida que a anterior ou então quando as partículas sólidas da mistura apresentam

dimensões muito pequenas. Para a realização desta filtração é necessário utilizar um

Kitasato, um funil de Büchner e uma bomba de vácuo. Deverá colocar-se entre a trompa

de vácuo e o recipiente de recolha de filtrado um segundo Kitasato como segurança,

evitando a entrada de água no filtrado caso ocorram variações de pressão. Após efectuado

o vácuo no sistema, o sistema aspira a mistura, “obrigando” o líquido a passar através do

filtro. As partículas sólidas ficam retidas no papel de filtro. Deve ter-se o cuidado de só

desligar o sistema de vácuo quando se fizer entrar ar no sistema através do Kitasato de

segurança.

Centrifugação

Tal como foi dito anteriormente, depois de se efectuar uma filtração ficam partículas

de pequenas dimensões em solução, que devem ser separadas utilizando para tal uma

outra técnica que se denomina centrifugação.

O processo baseia-se na utilização de uma centrifugadora (manual ou mais

sofisticada) onde se colocam vários tubos de ensaio, que rodam a alta velocidade (Fig

3.6). A separação é efectuada entre partículas de massa diferente. Formam-se depósitos

de sólidos no fundo dos tubos de ensaio, separando-se o líquido por decantação. Este

processo pode também ser utilizado para separar componentes de misturas coloidais.



Fig 3. 6- Centrifugação


IV – Separação de líquidos imiscíveis

A técnica que permite a separação de dois ou mais líquidos imiscíveis designa-se

decantação em funil. A mistura é colocada num funil de decantação, de modo que as

diferentes camadas se separem. Inicialmente é recolhido o líquido que apresenta maior

densidade (que é o líquido da camada inferior) para um gobelé. Um exemplo comum em

que pode ser utilizado este tipo de separação é a mistura água / azeite (Fig 3.7).

Fig 3. 7- Decantação em funil




3.2.2. Misturas homogéneas

I – Separação de um soluto de uma solução

Para a recuperação de um sólido (soluto) que se encontra dissolvido numa solução

pode recorrer-se à ebulição do solvente, que consiste em levar à ebulição o solvente,

passando este para o estado gasoso. A sua utilização pode ser por exemplo para separar

o cloreto de sódio de uma solução aquosa de cloreto de sódio.

Uma outra técnica de separação de um sólido dissolvido numa solução saturada é

a cristalização. Esta técnica consiste em deixar evaporar lentamente o solvente à

temperatura ambiente, obtendo-se os cristais do sólido que se pretende recuperar. É uma

técnica habitualmente utilizada nas salinas para obtenção do sal a partir da água do mar.

II – Separação de diferentes solutos de uma solução

Existem técnicas que se baseiam nas diferenças de afinidade para outros materiais,

essas diferenças manifestam-se no dia-a-dia por exemplo nas manchas na roupa

provocadas pelos diversos alimentos (Reger, D., Goode, S., Mercer, E.; 1997). Estas

manchas são removíveis com níveis de dificuldade diferentes, dependendo da constituição

do alimento. O princípio de remoção assenta na técnica de separação designada por

cromatografia. A cromatografia surge no mundo da química como uma poderosa técnica

e é frequentemente utilizada. Esta técnica utiliza dois materiais: um estacionário e o outro

em movimento, designados respectivamente por fase estacionária e fase móvel. A

fundamentação da técnica assenta na migração diferencial dos componentes de uma

mistura, como consequência da interacção das duas fases imiscíveis. A cromatografia

pode ser utilizada na identificação de compostos, efectuando comparação com outros

padrões, ou para purificação de compostos, separando os componentes de misturas.

Existem diversos tipos de cromatografia, podendo esta ser em papel, cromatografia

em camada fina (CCD), cromatografia gasosa (CG) e cromatografia líquida de alta

eficiência (HPLC). A escolha do tipo de cromatografia depende do material que se

pretende separar.



De entre todos os tipos de cromatografia o mais simples é a cromatografia em

papel. O papel representará a fase estacionária (aquosa, uma vez que o papel apresenta

na sua constituição moléculas de celulose) e a fase móvel é o solvente orgânico. A mistura

é colocada na zona inferior do pedaço de papel e a extremidade por sua vez imersa na

fase líquida móvel. À medida que a fase móvel se desloca sobre a fase estacionária os

componentes serão arrastados de acordo com a afinidade, tal como se observa na figura

3.8, ou seja, os componentes que não são fortemente atraídos para o papel são arrastados

com o líquido enquanto que os que são fortemente atraídos pelo papel movem-se mais

lentamente o que provocará a separação (Ibid, 1997, p.27).

Fig 3. 8- Cromatografia em papel

(Extraído de Reger Daniel et. al, Química: Princípios e Aplicações; 1997)

III – Separação de componentes de uma mistura de dois ou mais líquidos ou

de um sólido dissolvido num líquido

A destilação é utilizada para separar soluções de líquidos com pontos de ebulição

diferentes (com pelo menos 25 ºC de diferença) ou soluções líquidas em que um dos

componentes é volátil.

A operação decorre quando a solução é submetida a um aumento de temperatura

ou diminuição da pressão. É a combinação destes dois factores que facilita a ocorrência da

destilação. Reconhecem-se dois tipos de destilação: a destilação simples e a destilação

fraccionada.



Fig 3. 9-Destilação simples

(Extraído de Reger Daniel et. al, Química: Princípios e Aplicações, 1997)

Destilação Simples

É sabido que as substâncias puras apresentam pontos de ebulição bem definidos,

mas o mesmo não se pode dizer das substâncias impuras. Com base neste conhecimento

é possível separar e caracterizar determinados componentes de uma mistura, que

apresentem diferentes volatilidades. A separação dos vários componentes de uma mistura

líquida (ou mistura de um sólido dissolvido num liquido), pode ser efectuada utilizando a

montagem apresentada na figura 3.9. Na destilação simples de uma mistura de dois ou

mais líquidos com pontos de ebulição diferentes, o primeiro líquido recolhido será mais rico

no componente que apresenta menor ponto de ebulição (ou seja o mais volátil). Este é

arrefecido no condensador, que é percorrido externamente por água, condensando. No

entanto, o vapor irá conter uma certa quantidade dos restantes componentes da mistura. O

líquido recolhido pode ser novamente destilado caso se pretenda, obtendo-se nesse caso

um líquido mais enriquecido no componente mais volátil (ibid, 1997, p.25).

Destilação Fraccionada

Após a destilação simples de uma mistura líquida o destilado irá conter sempre

uma percentagem dos outros componentes mesmo que em pequena quantidade. Para que

se obtenham substâncias puras pode recorrer-se à destilação fraccionada.

A destilação fraccionada é relativamente diferente da destilação simples, neste

caso o vapor proveniente do balão de destilação é encaminhado para uma coluna de

grande comprimento, entre o balão de destilação e o condensador, denominada coluna de



fraccionamento, onde em ciclos sucessivos condensa e evapora (refluxo). Os vapores que

atingem o topo da coluna são enriquecidos no componente mais volátil, que por

arrefecimento da coluna vão condensar. (ibid, 1997, p.25)

Uma vez que o trajecto percorrido é maior que na destilação simples, verifica-se

uma sucessão de estados de equilíbrio condensação /vaporização. Tal permite aumentar a

eficácia da separação. Numa primeira etapa o vapor do líquido mais volátil atinge o topo da

coluna de fraccionamento, predominando nas primeiras fracções de destilado que se

recolhe. Durante esta etapa a temperatura permanece constante. Após a destilação

completa do componente a temperatura deverá subir e quando se mantiver constante de

novo, verificar-se-á a destilação do segundo componente. Este procedimento repete-se até

que todos os componentes sejam extraídos da mistura.

Cuidados a ter antes de iniciar a destilação

Antes de iniciar qualquer destilação, seja ela simples ou fraccionada, é necessário tomar

algumas precauções tais como:

Verificar o ajuste de todos os esmerilados das ligações.

Verificar o sentido de circulação da água no condensador, que deve ser

contrário ao sentido de circulação do destilado.

Adicionar reguladores de ebulição, podendo ser pedaços de porcelana ou

esferas de vidro, de modo a evitar uma ebulição tumultuosa ou o

sobreaquecimento da mistura.

Confirmar a quantidade de liquido que se colocou no balão, não devendo

ultrapassar metade da capacidade do balão evitando-se assim a projecção

de líquido.

A velocidade do aquecimento deverá ser lenta, uma vez que só se

consegue um bom equilíbrio entre o líquido e o vapor quando existe um

contacto prolongado entre as duas fases.



A tabela 3.1 resume todos os processos físicos mais utilizados para realizar as

separações.

Misturas homogéneas

Misturas heterogéneas

Métodos

Cristalização Separação magnética

Ebulição do solvente Sublimação

Destilação simples Peneiração

Destilação fraccionada Extracção por solvente

Evaporação Decantação

Cromatografia

Filtração

Centrifugação

Decantação em ampola

Tabela3. 1-Processos físicos de separação



3.3. Separações de Substâncias e a Integração nos Currículos

3.3.1. Princípios orientadores do ensino básico

Os princípios orientadores da disciplina de Ciências Físico-Químicas para o ensino

básico surgem como a “integração no projecto educativo de cada escola” previsto pelo

Ministério da Educação em 2001. A proposta destas orientações curriculares prende-se

com a intenção de criar novas formas de dinamizar as aulas, implementando novas

experiências educativas. Segundo as recomendações do Conselho Nacional de Educação

(CNE) (parecer nº2/2000) “A autonomia pedagógica, nomeadamente através de projectos

educativos é também condição de flexibilização curricular, para que os professores ajam

mais como produtores do que como consumidores de currículo”. Com estes novos

currículos pretende-se sensibilizar os alunos para questões do mundo actual, estimulando

o interesse dos alunos para o estudo das ciências.

As orientações curriculares surgem como proposta que engloba duas disciplinas: as

Ciências Físico-Químicas e as Ciências Naturais, existindo entre ambas uma

interdisciplinaridade de saberes.

Considera-se importante a implementação de um currículo que pretende

desenvolver competências específicas para a literacia científica. Ao nível do ensino básico

sugere-se as seguintes competências:

1. Conhecimento (substantivo, processual ou metodológico, epistemológico)

2. Raciocínio

3. Comunicação

4. Atitudes

Organização Geral do Programa

De acordo com o sugerido pelo Ministério da Educação (adiante M.E.) os princípios

orientadores do ensino básico englobam todos os níveis de ensino, 7º, 8º e 9º ano. Nas

orientações curriculares para os três ciclos do Ensino Básico propõe-se a organização em

temas gerais tais como:



Terra no Espaço

Terra em transformação

Sustentabilidade na Terra

Viver melhor na Terra.

A visão e abordagem destes temas incide sobretudo numa perspectiva Ciência-

Tecnologia-Sociedade-Ambiente (adiante CTS-A) e tal como mencionado nas orientações

curriculares “possibilita alargar os horizontes da aprendizagem, proporcionando aos alunos

não só o acesso aos produtos da ciência mas também aos seus processos, através das

potencialidades e limites da ciência e das suas aplicações Tecnológicas na Sociedade”.

Os temas apresentam seguimento. Embora incidindo sobre aspectos diferentes,

todos promovem a aplicação das ciências e em particular das Ciências Físico-Químicas a

situações concretas do quotidiano, na resolução de questões que só são devidamente

explicadas com conteúdos científicos.

A abordagem do tema Separações Físicas surge inserido no tema “Terra em

Transformação”, mais especificamente na “constituição do mundo material”, tal como se

verifica na figura 3.10.



Fig 3. 10- Organização dos temas gerais do Ensino Básico

(adaptado do ministério da Educação, 2001)

A abordagem do estudo das separações de substâncias de uma mistura, centra-se

na questão ”Como é constituído o mundo material?”.

Associado a este tema de separações físicas, encontram-se outros conceitos tais

como: substâncias, mistura de substâncias e propriedades físicas das substâncias cujo

estudo é necessário para a compreensão do processo de separações. Destacam-se para

este tema objectivos específicos tais como (M.E; 2001):

Compreensão da existência de diferentes materiais, propriedades distintas e de

diferentes utilizações;

Distinção entre substância e mistura de substâncias;

Utilização das diferentes técnicas de separação a casos concretos de misturas.



3.3.2. Princípios orientadores do ensino secundário.

O tema “Processos Físicos de Separação” é aplicado especificamente ao nível do

ensino básico. No entanto, os processos físicos de separação são abordados novamente

no 10º ano de escolaridade. Esta TIPS (ou uma adaptação mais exigente) também pode

ser aplicada ao nível do ensino secundário no intuito de efectuar uma breve revisão de

conceitos e, como tal, explicita-se seguidamente como se poderia enquadrar no programa

do Ensino Secundário.

Como resultado da “Revisão Curricular do Ensino Secundário” surge a

homologação do programa de Física e Química A em 2001. No Ensino Secundário o tema

em questão enquadra-se no módulo inicial: “Materiais: diversidade e constituição”,

pretendendo-se a “explicação do mundo material e artificialmente construído” (M.E, 2001),

reforçando a ideia que se estabeleceu no ensino básico de que o mundo à nossa volta é

constituído por substâncias. O principal objectivo deste módulo é a consolidação de

conhecimentos que, embora adquiridos no ensino básico, são fundamentais para a

aprendizagem de posteriores conceitos

Os objectivos de aprendizagem para este tema, iniciado com as questões:

“Materiais: Qual a origem?; Que constituição e composição?; Como se separam

constituintes?”, são (M.E.; 2001):

Utilização do conceito de substância para descrever o mundo material,

podendo existir isoladamente ou com a formação de misturas;

Caracterização de misturas e de substâncias;

Explicitação dos diversos passos de modo a dar resposta a questões

resolúveis experimentalmente;

Relacionar a técnica com o princípio subjacente;

Aplicar técnicas adequadas à separação de misturas e princípios

subjacentes;

Percepção das limitações das técnicas, enquanto processos de

componentes de misturas;

Ao nível do ensino secundário é fundamentalmente privilegiado o trabalho laboratorial. O

seguinte esquema permite identificar de que modo os processos físicos de separação

estão integrados na reestruturação dos novos temas.



Fig3. 1- Contextualização dos conceitos relacionados com os processos físicos de separação (adaptado do Ministério da Educação, 2001).

Fig 3. 11-Organização dos temas gerais Fisica-Química A

(adaptado do ministério da Educação, 2001)

3.métodos físicos de separação - nautilus home...

Documents