SISTEMA HETEROGENI: CARACTERÍSTIQUES, CLASSIFICACIÓ I MÈTODES - QUIMICA - 2024

Un sistema heterogeni és aquella porció de l'univers ocupada per àtoms, molècules o ions, de tal manera que formen dues o més fases distingibles entre si. S'entén per "porció de l'univers" a una gota, una pilota, el reactor, roques; i per fase, a un estat o mode d'agregació, ja sigui sòlid, líquid o gasós.

L'heterogeneïtat d'un sistema varia de la seva definició d'un camp de el coneixement a un altre. No obstant això, aquest concepte comparteix moltes semblances dins de la cuina i la química.

Font: Pexels

Per exemple, una pizza amb la seva superfície atapeïda d'ingredients, com la de la imatge superior, és un sistema heterogeni. De la mateixa manera, l'amanida, una barreja de fruits secs i cereals, o una beguda bombolles, compten també com a sistemes heterogenis.

Cal notar que els seus elements es distingeixen a simple vesteixin i es poden separar manualment. Què hi ha pel que fa a la maionesa? O la llet? A primera vista són homogenis, però microscòpicament són sistemes heterogenis; més concretament, són emulsions.

En la química, els ingredients consisteixen de reactius, partícules, o una substància sotmesa a estudi. Les fases no són més que agregats físics d'aquestes partícules, les quals aporten totes les qualitats que caracteritzen les fases. Així, la fase líquida d'l'alcohol es "comporta" diferent a la del aigua, i més encara, a la de l'mercuri líquid.

En determinats sistemes, les fases són tan recognoscibles com una solució saturada de sucre, amb vidres en el fons. Cadascuna per si mateixa pot catalogar-se com homogènia: per dalt una fase formada per aigua, i per baix, una fase sòlida composta per cristalls de sucre.

En el cas de el sistema aigua-sucre, no es parla de reacció, sinó de saturació. En altres sistemes, sí que està present la transformació de la matèria. Un exemple simple és la barreja d'un metall alcalí, com el sodi, i aigua; resulta explosiva, però a l'inici, el tros de sodi metàl·lic es troba envoltat d'aigua.

Així com passa amb la maionesa, hi ha sistemes heterogenis dins de la química que macroscòpicament passen per homogenis, però a la llum d'un poderós microscopi, llueixen les seves veritables fases heterogènies.

Característiques de sistema heterogeni

Quines són les característiques d'un sistema heterogeni químic? En termes generals poden llistar com segueix a continuació:

-Estan compostes de dues o més fases; en altres paraules, no és uniforme.

-Potser consistir, en general, de qualsevol dels següents parells de fases: sòlid-sòlid, sòlid-líquid, sòlid-gas, líquid-líquid, líquid-gas; ia més, les tres poden estar presents en un mateix sistema sòlid-líquid-gas.

-Els seus components i fases són distingibles, en primera instància, a simple vista. Per tant, només cal observar el sistema per treure conclusions de les seves característiques; com ara color, viscositat, mida i forma dels cristalls, olor, etc.

-En general involucra un equilibri termodinàmic, o una alta o baixa afinitat entre les partícules dins d'una fase o entre dues fases diferents.

-Les propietats fisicoquímiques varien d'acord a la regió o adreça de sistema. Així, pot ser que els valors per a, per exemple, el punt de fusió, oscil·lin des d'una regió d'un sòlid heterogeni a una altra. Així mateix, (el cas més comú) els colors o tonalitats canvien per tot el sòlid (líquid o gas) a mesura que se les compara.

-Són mescles de substàncies; és a dir, no s'aplica per a substàncies pures.

Grau d'observació

Qualsevol sistema homogeni pot considerar heterogeni si es modifiquen les escales o graus d'observació. Per exemple, una garrafa plena amb aigua pura és un sistema homogeni, però a mesura que es van observant les seves molècules, hi ha milions d'elles amb velocitats pròpies.

Des del punt de vista molecular, el sistema continua sent homogeni per tractar-se només de molècules d'H ₂ O. Però, disminuint encara més l'escala d'observació a nivells atòmics, l'aigua es torna heterogènia, ja que no consta d'un sol tipus de àtom sinó d'hidrogen i oxigen.

Per tant, les característiques dels sistemes heterogenis químics depenen de l'grau d'observació. Si es considera l'escala microscòpica, pot trobar-se amb sistemes multifacéticos.

Un sòlid A, aparentment homogeni i de color platejat, podria consistir de múltiples capes de diferents metalls (ABCDAB…) i ser per tant heterogeni. Per tant, A és homogeni macroscòpicament, però heterogeni a nivells micro (o nano).

Així mateix, els mateixos àtoms són sistemes heterogenis, ja que estan fets de buit, electrons, protons, neutrons, i altres partícules subatòmiques (com els quarks).

classificació

Considerant llavors un grau d'observació macroscòpic, el qual defineix les característiques visibles o una propietat mesurable, els sistemes heterogenis químics poden classificar-se de les següents maneres:

Solucions saturades (líquid-líquid, líquid-sòlid, líquid-gas)

Les solucions saturades són un tipus de sistema heterogeni químic en el qual el solut no pot continuar dissolent i forma una fase separada a la de l'solvent. L'exemple de l'aigua i els cristalls de sucre entra en aquesta classificació.

Les molècules de solvent arriben a un punt en què no poden donar allotjo o solvatar a l'solut. Llavors, el solut addicional, sigui sòlid o gasós, es reagruparà ràpidament per formar un sòlid o bombolles; és a dir, un sistema líquid-sòlid o líquid gasós.

El solut també pot tractar-se d'un líquid, el qual és miscible amb el solvent fins a certa concentració; de no ser així, serien miscibles en totes les concentracions i no formarien una solució saturada. S'entén per miscible que la barreja dels dos líquids forma una única fase uniforme.

Si, d'altra banda, el solut líquid és immiscible amb el solvent, com passa amb la barreja oli i aigua, a la menor quantitat agregada es satura la solució. Com a resultat, es formen dues fases: una aquosa i l'altra oliosa.

Solucions amb sals precipitades

Algunes sals estableixen un equilibri de solubilitat, pel fet que les interaccions entre els seus ions són molt forts i es reagrupen en cristalls que l'aigua no aconsegueix dissociar.

Aquest tipus de sistema heterogeni també consisteix d'una fase líquida i una altra sòlida; però, a diferència de les solucions saturades, el solut és una sal que no requereix de grans quantitats per precipitar.

Per exemple, a l'barrejar dues solucions aquoses de sals insaturats, una de NaCl i l'altra de AgNO ₃, precipita la sal insoluble AgCl. El clorur de plata estableix un equilibri de solubilitat en el solvent, observant-se un sòlid blanquinós al recipient aquós.

Així, les característiques d'aquestes solucions depenen de l'tipus de precipitat format. En general, les sals de crom són molt acolorides, així com les de manganès, ferro, o d'algun complex metàl·lic. Aquest precipitat pot ser un sòlid cristal·lí, amorf o gelatinós.

Transicions de fases

Un bloc de gel pot constituir un sistema homogeni, però que a l'fondre, forma una fase addicional d'aigua líquida. Per tant, les transicions de fase d'una substància són també sistemes heterogenis.

Addicionalment, de la superfície de el gel poden escapar algunes molècules a la fase de vapor. Això es deu al fet que no només l'aigua líquida presenta pressió de vapor, sinó també el gel, encara que en menor proporció.

Els sistemes heterogenis de transicions de fases s'apliquen per a qualsevol substància (pura o impura). Així, tots els sòlids que fonen, o el líquid que s'evapora, pertanyen a aquest tipus de sistema.

Sòlids i gasos

Una classe molt comuna de sistemes heterogenis en química són els sòlids o gasos amb diversos components. Per exemple, la pizza de la imatge entra en aquesta classificació. I si en lloc de formatge, pebre vermell, anxoves, pernil, cebes, etc., portés sofre, carbó, fòsfor i coure, es tindria llavors un altre sòlid heterogeni.

El sofre ressalta pel seu color groc; el carbó per ser un sòlid negre; el fòsfor és de color vermell; i el coure brillant i metàl·lic. Tots són sòlids, per tant, el sistema consta d'una fase però amb diversos components. A la vida diària són incalculables els exemples d'aquest tipus de sistema.

Així mateix, els gasos poden formar mescles heterogènies, especialment si tenen diferents colors o densitats. Poden arrossegar partícules molt petites, com passa amb les d'aigua dins dels núvols. A mesura que creixen de grandària, absorbeixen la llum visible i com a resultat els núvols es tornen grisenques.

Un exemple d'un sistema heterogeni sòlid-gas és el fum, el qual es compon de partícules molt petites de carbó. Per aquesta raó el fum d'una combustió incompleta és de color negrós.

Mètodes de fraccionament

Les fases o els components d'un sistema heterogeni poden separar-se aprofitant les diferències de les seves propietats físiques o químiques. D'aquesta manera, es fracciona el sistema original fins que només quedin fases homogènies. Alguns dels mètodes més quotidians són els que segueixen a continuació.

filtració

La filtració s'utilitza per separar un sòlid o precipitat d'un líquid. Així, les dues fases aconsegueixen separar-se, tot i que amb cert nivell d'impuresa. Per aquesta raó, generalment el sòlid es sotmet a rentats i posteriorment s'asseca en una estufa. Aquest procediment pot bé realitzar-se aplicant buit, o simplement amb la gravetat.

decantació

Aquest mètode també és útil per separar un sòlid d'un líquid. Es diferencia una mica de l'anterior, en què el sòlid en general té consistència ferma i està completament dipositat al fons de l'recipient. Per això, només cal inclinar la boca d'el recipient en un angle adequat perquè el líquid flueixi fora d'ell.

Igualment, la decantació permet separar dos líquids, és a dir, un sistema líquid-líquid. En aquest cas, es recorre a un embut de decantació.

La barreja bifàsica (dos líquids immiscibles) es transvasa a l'embut, i el líquid amb menor densitat s'ubicarà a la part superior; mentre que el de major densitat, a la part inferior, en contacte amb l'obertura de sortida.

Font: Pixabay

La imatge superior representa un embut de separació o decantació. Aquest material de vidre també s'utilitza per a realitzar extraccions líquid-líquid; és a dir, extreure de el líquid inicial un solut afegint un altre líquid en què sigui encara més soluble.

tamisació

La tamisació s'empra per separar components sòlids de diferents mides. És molt comú trobar dins de la cuina un tamís o sedàs per netejar els grans, purificar la farina de blat, o remoure residus sòlids de sucs espessos. En química, pot emprar per separar vidres petits d'altres de més envergadura.

imantació

Aquest mètode s'utilitza per a sistemes sòlids-sòlids on un o més dels components són atrets per un imant. Així, la fase heterogènia inicial es purifica a mesura que l'imam retira els elements ferromagnètics. Per exemple, la imantació s'utilitza per separar de les escombraries la llauna.

centrifugació

La centrifugació separa un sòlid suspès d'un líquid. No es pot filtrar perquè les partícules neden ocupant uniformement tot el volum de el líquid. Per separar les dues fases, es sotmet una quantitat de la barreja heterogènia a una força centrífuga, la qual sedimenta el sòlid en el fons de l'tub de centrífuga.

sublimació

El mètode de separació de sublimació és aplicat únicament per a sòlids volàtils; és a dir, per a aquells amb una pressió de vapor alta a baixes temperatures.

A l'escalfar la barreja heterogènia, el sòlid volàtil escapa a la fase gasosa. Un exemple de la seva aplicació és la purificació d'una mostra contaminada amb iode o clorur d'amoni.

exemples

Fins al moment s'ha esmentat diversos exemples de sistemes heterogenis químics. Per complementar-los, s'enlistan baix altres addicionals i altres fora de l'context químic:

-El granit, les pedres d'un riu, les muntanyes, o qualsevol roca amb vetes de nombrosos colors.

-Els minerals també compten com a sistemes heterogenis, ja que estan formats per diversos tipus d'estructures sòlides compostes per ions. Les seves qualitats són producte de la interacció entre els ions d'una estructura cristal·lina i les impureses.

-Les begudes gasoses. En elles hi ha un equilibri líquid-gas, el qual a l'disminuir la pressió externa, disminueix la solubilitat d'el gas dissolt; per aquesta raó, s'observen moltes bombolles (solut gasós) ascendint a la superfície de el líquid quan es destapen.

-Qualsevol mitjà de reacció que involucri reactius en diferents fases, i que a més, necessiten d'un agitador magnètic per garantir major velocitat de reacció.

-Els catalitzadors heterogenis. Aquests sòlids aporten llocs sobre la seva superfície o porus on s'accelera el contacte entre els reactius, i no intervenen o pateixen una transformació irreversible en la reacció.

-Una paret frisada, un mur de mosaics, o el disseny arquitectònic d'una edificació.

-Les gelatines multicapes de molts sabors.

-Un cub de Rubik.

referències

1. Equilibrium in heterogeneous Systems. Recuperat de: science.uwaterloo.ca
2. Fernández G. (07 de novembre 2010). Sistemes homogenis i heterogenis. Recuperat de: quimicafisica.com
3. Jill. (07 de juny de 2006). Homogeneous and heterogeneous Systems. Recuperat de: chemistryforstudents.blogspot.com
4. LoveToKnow. (2018). Examples of heterogeneous Mixture. Recuperat de: examples.yourdictionary.com
5. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. En Els elements de el grup 15. (quarta edició). Mc Graw Hill.
6. Wikipedia. (2018). Homogeneity and Heterogeneity. Recuperat de: en.wikipedia.org
7. F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg. (2001). Inorganic Chemistry. Recuperat de: books.google.com