Separação de misturas

A separação de misturas é um processo que ocorre por meio de diferentes técnicas experimentais que levam em consideração a composição da mistura. Dessa forma, os métodos de separação são divididos, em dois grupos, com base na classificação das misturas, que podem ser homogêneas ou heterogêneas.

A separação de uma mistura é realizada considerando-se algumas propriedades dos componentes que a constituem, como os estados físicos (sólido, líquido e gasoso), a solubilidade, a densidade, além de ponto de fusão (PF) e ponto de ebulição (PE). Todas essas propriedades são definidas pela intensidade das forças intermoleculares que atuam sobre as moléculas dos componentes da mistura, sendo imprescindíveis para a determinação do método mais eficaz para cada tipo de mistura.

Leia também: Quais são os tipos de misturas?

Resumo sobre a separação de misturas

• A separação de misturas é realizada por meio de diferentes processos experimentais que têm como finalidade separar as substâncias que compõem uma mistura homogênea ou heterogênea com base nas suas propriedades físico-químicas.
• Os principais métodos de separação de misturas homogêneas são: evaporação; destilação simples; destilação fracionada; solidificação fracionada; fusão fracionada.
• Os principais métodos de separação de misturas heterogêneas são: catação; ventilação; levigação; separação magnética; peneiração ou tamisação; dissolução fracionada; flotação; floculação; filtração; decantação sólido-líquido; sifonação; centrifugação; decantação líquido-líquido (extração líquido-líquido).
• A separação de uma mistura é influenciada pelo tipo de mistura, pelo estado físico dos componentes, pelas propriedades físico-químicas dos componentes e pelas forças intermoleculares.
• O tema separação de misturas está entre os cinco assuntos mais recorrentes na prova de Química do Enem e, na maioria dos casos, é abordado dentro do contexto de tratamento de água e purificação de compostos.

O que é separação de misturas?

A separação de misturas é um procedimento experimental utilizado para separar os componentes de uma mistura, que pode ser homogênea ou heterogênea. 

Os métodos utilizados são variados e baseiam-se na composição de cada mistura, considerando os estados físicos de cada componente e propriedades, como solubilidade, densidade, ponto de fusão (PF) e ponto de ebulição (PE), além das forças intermoleculares que atuam em cada substância presente na mistura.

Quais são os processos de separação de misturas?

Os processos de separação de misturas são categorizados com base na classificação da mistura, que pode ser homogênea ou heterogênea.

→ Processos de separação de misturas homogêneas

• Evaporação

A evaporação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido quando o sólido está completamente solubilizado em um solvente. Esse método é utilizado quando não se há a intenção de recuperar o líquido que compõe a mistura, focando apenas na obtenção do sólido.

A separação ocorre por meio do aquecimento da mistura, fazendo com que o solvente passe, lentamente, do estado líquido para o estado de vapor, restando, ao final do processo, apenas o sólido concentrado no fundo do recipiente, como ilustrado a seguir.

Esse é o principal método de obtenção do cloreto de sódio (NaCl), utilizado como sal de cozinha, através da água do mar. No processo, a água do mar é concentrada em tanques a céu aberto, para que ocorra a evaporação da água por meio do aquecimento pela radiação solar.

Após a total evaporação, formam-se piscinas de sais, em que as substâncias são recolhidas e encaminhadas para etapas posteriores de purificação.

• Destilação simples

A destilação simples é outro método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido, em que o sólido está completamente solubilizado no solvente. Esse método é utilizado quando se há interesse na obtenção do líquido presente nesse tipo de mistura.

A separação ocorre por meio de um sistema de destilação, composto por um balão, em que é colocada a mistura para aquecimento, como mostra a ilustração a seguir.

O balão é conectado a um condensador, que tem uma entrada e uma saída de água conectadas a uma fonte corrente para que haja circulação da água dentro do condensador. No final do condensador, é posicionado um recipiente que pode ser outro balão, um béquer ou um Erlenmeyer que será utilizado para coletar o líquido destilado.

O processo é baseado no ponto de ebulição do líquido, menor que o do sólido. Quando a mistura é aquecida, o líquido passa para o estado de vapor, que se propaga até chegar ao condensador, que está em uma temperatura menor devido à circulação da água. A diferença de temperaturas faz com que o vapor ceda calor para a água do condensador, forçando o vapor voltar para o estado líquido que será coletado na outra extremidade do condensador.

Esse processo é muito utilizado na indústria sucroalcooleira para separar e purificar etanol, produzido por meio da fermentação do caldo de cana.

• Destilação fracionada 

A destilação fracionada é um método utilizado para separar misturas do tipo líquido-líquido e é baseada na diferença do ponto de ebulição (PE) dos líquidos.

O processo de separação ocorre de forma similar à destilação simples, diferenciando-se pela presença de uma coluna de fracionamento que é colocada entre o balão, que contém a mistura, e o condensador, como mostra a figura a seguir.

 A coluna de fracionamento funciona como uma barreira física, impedindo que o vapor do líquido menos volátil escape para o condensador antes do vapor do líquido mais volátil.

Esse processo é muito utilizado nas refinarias de petróleo para separar as frações dentro da cadeia de produção da indústria petroquímica. De modo geral, na refinaria, o petróleo passa por uma fornalha para aquecer o óleo e, em seguida, é direcionado para uma torre de fracionamento, que contém bandejas com diferentes temperaturas.

Assim, na parte inferior, temos as bandejas com as maiores temperaturas em que são recolhidos os hidrocarbonetos com cadeias mais longas, com mais de 36 carbonos, conhecidos como resíduo do petróleo (parafina, piche, asfalto e ceras). À medida que a mistura sobe para níveis superiores da torre de fracionamento, a temperatura das prateleiras vai diminuindo, e cada fração que origina um combustível específico é recolhida, como mostra a ilustração acima.

• Solidificação fracionada 

A solidificação fracionada é um método utilizado para separar misturas do tipo líquido-líquido, com base na diferença dos pontos de fusão (PF) das substâncias. Vale destacar que as substâncias precisam apresentar uma diferença significativa entre seus PF para que seja possível aplicar esse método.

Dessa forma, a separação consiste em resfriar a mistura para que cada substância passe gradualmente para a fase sólida, ao alcançar sua temperatura de fusão, a mesma temperatura de solidificação. À medida que o sólido é formado, vai sendo retirado do meio até que todas as substâncias estejam separadas.

Nas refinarias, esse método é comumente utilizado para separar a parafina dos outros resíduos do petróleo.

• Fusão fracionada

A fusão fracionada é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido, baseando-se na diferença do ponto de fusão dos sólidos.

A separação ocorre pelo aquecimento da mistura, fazendo com que uma das substâncias passe para a fase líquida e seja separada do sólido.

Esse método é muito comum na indústria metalúrgica, na separação de ligas metálicas, como no caso da mistura de ferro (1538 °C), estanho (231 °C) e chumbo (327 °C). 

→ Processos de separação de misturas heterogêneas

• Catação

A catação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido, quando os sólidos são visíveis a olho nu. A separação pode ser feita de forma manual ou por pinças. Esse método é muito utilizado na seleção de grãos, tanto em processos industriais quanto domésticos.

• Ventilação

A ventilação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido pela diferença de densidade de ambos. O método consiste em passar uma corrente de ar pela mistura para gerar um arraste do sólido menos denso (mais leve).

A ventilação é utilizada para separar cascas e folhas de grãos, sendo um procedimento padrão na indústria e em lavouras, durante a colheita de frutos.

• Levigação

A levigação é um método utilizado para separar misturas do tipo mistura sólido-sólido com diferentes densidades através de uma corrente de água.

Esse método é muito utilizado em garimpos, em processos de mineração, principalmente na exploração de ouro. A separação consiste em passar água corrente para que ela arraste sólidos menores (menos densos), como areia e barro, separando-os do minério de interesse, geralmente o ouro, como mostra a imagem abaixo.

A levigação pode ser feita de forma simples através de peneiras às margens de rios, com quantidades pequenas de sólidos, e pode ser feita por meio de maquinários, para maiores quantidades de sólidos.

Em geral, a levigação é um procedimento de lavagem de sólidos. Ainda, é muito utilizada, nos lares, ao se lavar frutas e verduras para remover areia e sujeiras remanescentes do processo de colheita.

• Separação magnética 

A separação magnética é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido quando um dos componentes é um metal com propriedades magnéticas.

A separação consiste em aplicar um campo magnético sobre a mistura sólida por meio de ímãs, atraindo apenas o metal de propriedades magnéticas.

Essa separação pode ser feita de forma manual, em pequenas quantidades, em que a aproximação de um ímã força a separação do material; ou pode ser feita por máquinas para separar quantidades maiores de sólidos. Esta última é a principal forma de separação usada nos processos de mineração de ferro, níquel e cobalto, facilitando a extração e a concentração dos metais de interesse, como mostra a ilustração a seguir.

• Peneiração ou tamisação

A peneiração ou tamisação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido que apresentam tamanhos diferentes. A separação consiste em passar a mistura sólida por uma peneira, permitindo que o sólido de menor granulometria passe, enquanto o sólido de maior granulometria é retido.

Esse procedimento é muito utilizado em cozinhas domésticas e industriais, na produção de bolos, pães e diferentes massas, com o intuito de deixar a farinha mais fina.

Esse método também é muito utilizado na construção civil, em que peneiras são utilizadas para peneirar a areia que será utilizada em argamassas, como mostra a imagem abaixo.

Esse procedimento é fundamental para garantir uniformidade da argamassa e evitar danos de fissuras na estrutura após a secagem.

• Dissolução fracionada

A dissolução fracionada é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-sólido baseado na diferença de solubilidade de ambos os sólidos. A separação consiste na adição de um solvente à mistura para que ocorra a dissolução de um dos componentes dela.

Após a dissolução, a mistura pode ser passada por um filtro ou pode ser submetida a uma decantação para separar a fração sólida da fração líquida. O sólido dissolvido pode ser obtido por uma destilação ou evaporação.

• Flotação

A flotação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido quando há sólidos não solúveis em suspensão no líquido.

O método de separação consiste em adicionar bolhas de ar à mistura para que as bolhas adiram ao sólido, arrastando-o para a superfície devido a uma menor densidade do ar. Esse método é muito comum no processo de purificação da água, em estações de tratamento de água (ETA) e efluentes (ETE).

• Floculação 

A floculação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido, sendo um método alternativo à flotação nas ETA e ETE. Entretanto, ambos os processos podem compor a mesma cadeia de tratamento de água, tornando o processo ainda mais eficiente.

O método de floculação consiste em adicionar um reagente químico, chamado de floculante, à água. A adição do floculante é feita em agitação e sua função é reagir com os sólidos em suspensão, gerando um flóculo que, por ser mais denso, afunda no líquido.

Após a floculação, a mistura é deixada em repouso para que ocorra o processo de sedimentação, que ocorre com a deposição do material sólido no fundo do recipiente, formando duas fases, uma líquida e outra sólida, visíveis na mistura.

• Decantação sólido-líquido 

A decantação sólido-líquido é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido. A separação consiste em remover o líquido do recipiente, deixando apenas o sólido retido no fundo. A remoção do líquido ocorre após a total sedimentação do sólido e pode ser feita vertendo o recipiente, como ilustra a imagem a seguir.

Nas estações de tratamento de água, a decantação é uma etapa posterior à floculação seguida de sedimentação, em que a água é removida dos tanques de tratamento através de canalização.

• Sifonação 

A sifonação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido e é utilizado para remover o líquido do recipiente, deixando apenas o sólido retido no fundo.

A separação do líquido ocorre por ação da gravidade através de um sifão, que deve conter parte do líquido para permitir que o líquido da mistura flua através dele. É importante manter o recipiente com a mistura em uma altura maior do que o recipiente que receberá o líquido removido para garantir que todo o líquido seja removido, como mostra a ilustração abaixo.

A sifonação pode ser utilizada como método alternativo para acelerar o processo de decantação, e é um método muito utilizado para remover combustível de tanque de carros através de mangueiras.

• Centrifugação 

A centrifugação é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido e consiste em girar a mistura para acelerar a sedimentação do sólido, por influência da força centrípeta. O sólido sedimentado pode ser posteriormente removido por filtração ou decantação.

A centrifugação é um método muito utilizado para separar os componentes do sangue em exames clínicos, como mostra a imagem abaixo.

• Decantação líquido-líquido (extração líquido-líquido)

A decantação líquido-líquido é um método utilizado para separar misturas do tipo líquido-líquido quando os líquidos são imiscíveis e formam duas fases, em que o líquido de maior densidade se concentra na parte de baixo, enquanto o líquido menos denso se concentra na parte de cima da mistura.

A separação dos líquidos é feita por um funil de separação, que contém uma torneira de contenção que pode ser aberta para permitir que o líquido mais denso escape para outro recipiente, como mostra a imagem a seguir.

Após a saída de todo o líquido denso, a torneira é fechada, restando apenas o líquido menos denso no funil.

Esse método é muito utilizado em laboratórios como etapa de purificação de produtos de reação, assim como em procedimentos de controle de qualidade.

• Filtração

A filtração é um método utilizado para separar misturas do tipo sólido-líquido. A separação consiste em passar a mistura por filtros para que o sólido fique retido na superfície do filtro enquanto o líquido passa, como mostra a ilustração abaixo:

A filtração é um procedimento comum em processos de purificação realizados em laboratórios diversos e é uma etapa fundamental no processo de tratamento de água, em ETAs e ETEs.

Além disso, a filtração é um método muito comum em procedimentos domésticos, utilizada para separar a parte sólida de ervas utilizadas na preparação de infusões de chás e outras bebidas.

Aspectos que influenciam a separação de misturas

A separação de misturas é, em geral, influenciada pelas propriedades físico-químicas e pelas forças intermoleculares que predominam em cada componente da mistura.

As forças intermoleculares definirão o estado físico dos componentes da mistura, que podem se apresentar como sólido, líquido ou gás. Além disso, as forças intermoleculares definirão o nível de interação das partículas com as partículas de outros componentes presentes na mistura, e isso se reflete na propriedade de solubilidade, fundamental para definir se o sistema será homogêneo ou heterogêneo.

Além da solubilidade, a densidade, o ponto de fusão (PF) e o ponto de ebulição (PE) são definidos com base nas forças intermoleculares das substâncias, e essas propriedades são consideradas na hora de definir o método mais adequado para separar os componentes em cada tipo de mistura.

Separação de misturas no Enem

O tema de separação de misturas é muito recorrente no Exame Nacional do Ensino Médio (Enem), sendo um dos cinco assuntos de Química que mais aparecem na prova.

O tema de separação de misturas é muito abordado dentro do contexto de tratamento de água e, por isso, é fundamental entender os processos de floculação, flotação, sedimentação, decantação, filtração, além das etapas posteriores, desinfecção e fluoretação.

Esse tema também costuma ser abordado dentro do contexto de procedimentos laboratoriais, em que se faz necessário analisar as propriedades físico-químicas das substâncias presentes na mistura. Diante disso, é importante entender a influência das forças intermoleculares nos pontos de fusão (PF) e ebulição (PE) e ficar atento à influência da densidade em sólidos não solúveis, presentes em misturas sólido-líquido.

Esse tema pode ainda ser abordado dentro do contexto de Química ambiental, sendo explorado no âmbito da poluição. Assim, é importante entender a relação de solubilidade de sólidos, líquidos e materiais particulados em água, assim como os métodos mais usuais para esse tipo de mistura.

Ainda no contexto de poluição, vale a pena entender os processos de extração do ouro, que conta com o método de churragem (outro tipo de levigação), considerado ilegal por ser tóxico e muito poluente, além das consequências geradas pelo derramamento de petróleo no mar e como ele pode ser separado da água.

Acesse também: Como estudar Química para a prova do Enem?

Exercícios resolvidos sobre separação de misturas

Questão 1

(Enem) Na produção do politereftalato de etileno, o PET, utiliza-se como reagente o para-dimetilbenzeno, também chamado de para-xileno, que deve ter alta pureza. No entanto, o para-xileno obtido do petróleo possui contaminação dos seus isômeros orto-xileno e meta-xileno, cujas estruturas são apresentadas na figura. No quadro, são listadas as temperaturas de fusão e ebulição desses três isômeros.

Qual processo de separação permite a purificação desse reagente?

A) Destilação simples.  

B) Cristalização simples.  

C) Destilação fracionada.  

D) Extração líquido-líquido.  

E) Solidificação fracionada.  

Resolução:

Alternativa D.

Analisando a tabela, é possível identificar que os três isômeros apresentam temperaturas de fusão bem diferentes e com um intervalo considerável:

• orto-xileno - TF = -25 °C;
• meta-xileno - TF = -47,4 °C;
• para-xileno - TF = 13,5 °C.

Vale destacar que a mistura dos três isômeros encontra-se na fase líquida em temperatura ambiente.

Isso indica que o melhor método para separar os três isômeros é por meio da solidificação fracionada, que consiste em resfriar a mistura para que cada isômero passe para o estado sólido à medida que a temperatura vai diminuindo.

Dessa forma, ao resfriar a mistura, será possível recolher os isômeros em frações, na seguinte ordem:

• 1° fração: para-xileno (TF = 13,5 °C)
• 2° fração: orto-xileno (TF = -25 °C)
• 3° fração: meta-xileno (TF = -47,4 °C)

Questão 2

(Enem) A água bruta coletada de mananciais apresenta alto índice de sólidos suspensos, o que a deixa com um aspecto turvo. Para se obter uma água límpida e potável, ela deve passar por um processo de purificação numa estação de tratamento de água. Nesse processo, as principais etapas são, nesta ordem: coagulação, decantação, filtração, desinfecção e fluoretação.

Qual é a etapa de retirada de grande parte desses sólidos?

A) Coagulação.  

B) Decantação.  

C) Filtração.  

D) Desinfecção.  

E) Fluoretação.  

Resolução:

Alternativa B.

Para entender melhor a resposta deste exercício, é importante destacar como a água é purificada em uma estação de tratamento de água (ETA), considerando os mecanismos envolvidos em cada processo:

• Coagulação: Logo após a captação, a água é conduzida para tanques de coagulação, em que será adicionado um reagente floculante. Esse reagente tem a função de reagir com as partículas de sólidos, em suspensão na água, levando à formação de coágulos (flóculos) mais densos que água e que, por isso, afundam.
• Sedimentação: Após a formação dos coágulos, a água é direcionada para os tanques de decantação, onde a mistura permanece em repouso para que os coágulos formados sofram sedimentação, depositando-se no fundo do tanque.

Vale destacar que a sedimentação é um fenômeno que ocorre por ação da gravidade, após a mistura ser colocada em repouso. Pelo fato de esse fenômeno ocorrer no tanque de decantação, ele é geralmente confundido com o processo de decantação, o que é um erro, pois a decantação consiste na retirada do líquido, fazendo com que o sólido permaneça no recipiente, caracterizando um processo de separação.

Voltando às etapas de separação na ETA, temos a decantação.

• Decantação: Após a sedimentação, a água é removida do tanque de decantação via canalização, em que grande parte dos sólidos, formados na coagulação, ficam retidos no fundo do tanque, caracterizando o processo de decantação.
• Filtração: A água é, então, direcionada para os filtros onde serão removidas pequenas partículas de sólidos remanescentes da decantação.
• Desinfecção: Após a filtração, a água segue para a etapa de desinfecção, em que é feita a adição de hipoclorito de sódio (NaClO) para eliminar os microrganismos.
• Fluoretação: Após a desinfecção, é feita a adição de flúor na água para auxiliar na saúde bucal da população.

Após essas etapas, a água é direcionada para os reservatórios e, consecutivamente, distribuída para as residências.

Fontes

ATKINS, P. W. PAULA, J. de. Fundamentos de Físico-Química. Vol 1 & 2. 5ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003.

ATKINS, Peter; JONES, Loretta; Princípios de química: questionando a vida moderna e o meio ambiente. 3ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2006.

CHANG, Raymond; Química Geral: Conceitos Essenciais. 4ª ed. São Paulo: McGraw-Hill, 2007.

SKOOG, Douglas A. Fundamentos de Química Analítica. 8ª ed. São Paulo-SP: Thomson, 2006.