Sistema heterogêneo: características, classificação e métodos - Ciência - 2023

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UMA sistema heterogêneo É aquela porção do universo ocupada por átomos, moléculas ou íons, de tal forma que formam duas ou mais fases distintas. Por "porção do universo" entende-se uma gota, uma bola, o reator, rochas; e por fase, para um estado ou modo de agregação, seja sólido, líquido ou gasoso.

A heterogeneidade de um sistema varia de sua definição de um campo do conhecimento para outro. No entanto, esse conceito compartilha muitas semelhanças na culinária e na química.

Por exemplo, uma pizza com a superfície abarrotada de ingredientes, como a da imagem acima, é um sistema heterogêneo. Da mesma forma, salada, uma mistura de nozes e cereais ou uma bebida gaseificada também contam como sistemas heterogêneos.

Observe que seus elementos são visíveis à primeira vista e podem ser separados manualmente. Que tal maionese? Ou leite? À primeira vista, eles são homogêneos, mas microscopicamente são sistemas heterogêneos; mais especificamente, são emulsões.

Em química, os ingredientes consistem em reagentes, partículas ou uma substância em estudo. As fases nada mais são do que agregados físicos dessas partículas, que fornecem todas as qualidades que as caracterizam. Assim, a fase líquida do álcool “se comporta” de maneira diferente da da água e, mais ainda, da do mercúrio líquido.

Em certos sistemas, as fases são tão reconhecíveis quanto uma solução saturada de açúcar, com cristais na parte inferior. Cada um por si pode ser classificado como homogêneo: acima de uma fase formada por água, e abaixo, uma fase sólida composta por cristais de açúcar.

No caso do sistema água-açúcar, não falamos de reação, mas de saturação. Em outros sistemas, a transformação da matéria está presente. Um exemplo simples é a mistura de um metal alcalino, como sódio e água; É explosivo, mas a princípio o pedaço de sódio metálico é cercado por água.

Como acontece com a maionese, existem sistemas heterogêneos dentro da química que macroscopicamente passam por homogêneos, mas sob a luz de um microscópio poderoso, suas verdadeiras fases heterogêneas aparecem.

Características do sistema heterogêneo

Quais são as características de um sistema químico heterogêneo? Em termos gerais, eles podem ser listados da seguinte forma:

-São compostos por duas ou mais fases; em outras palavras, não é uniforme.

-Pode consistir, em geral, em qualquer um dos seguintes pares de fases: sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gás, líquido-líquido, líquido-gás; Além disso, todos os três podem estar presentes no mesmo sistema sólido-líquido-gás.

-Os seus componentes e fases são distinguíveis, em primeira instância, a olho nu. Portanto, basta observar o sistema para tirar conclusões de suas características; como cor, viscosidade, tamanho e forma dos cristais, odor, etc.

- Geralmente envolve um equilíbrio termodinâmico, ou uma alta ou baixa afinidade entre as partículas dentro de uma fase ou entre duas fases diferentes.

-As propriedades físico-químicas variam de acordo com a região ou direção do sistema. Assim, os valores para, por exemplo, o ponto de fusão, podem variar de uma região de um sólido heterogêneo para outra. Além disso (o caso mais comum), as cores ou matizes mudam em todo o sólido (líquido ou gás) à medida que são comparados.

-São misturas de substâncias; ou seja, não se aplica a substâncias puras.

Grau de observação

Qualquer sistema homogêneo pode ser considerado heterogêneo se as escalas ou graus de observação forem modificados. Por exemplo, uma jarra cheia de água pura é um sistema homogêneo, mas conforme suas moléculas são observadas, existem milhões delas com suas próprias velocidades.

Do ponto de vista molecular, o sistema continua homogêneo, pois é apenas moléculas H₂O. Mas, reduzindo ainda mais a escala de observação aos níveis atômicos, a água torna-se heterogênea, pois não consiste em um único tipo de átomo, mas em hidrogênio e oxigênio.

Portanto, as características dos sistemas químicos heterogêneos dependem do grau de observação. Se você considerar a escala microscópica, poderá encontrar sistemas multifacetados.

Um sólido A, aparentemente homogêneo e de cor prateada, pode consistir em várias camadas de metais diferentes (ABCDAB ...) e, portanto, ser heterogêneo. Portanto, A é macroscopicamente homogêneo, mas heterogêneo nos níveis micro (ou nano).

Da mesma forma, os mesmos átomos são sistemas heterogêneos, uma vez que são feitos de vácuo, elétrons, prótons, nêutrons e outras partículas subatômicas (como quarks).

Classificação

Considerando então um grau macroscópico de observação, que define as características visíveis ou uma propriedade mensurável, os sistemas químicos heterogêneos podem ser classificados das seguintes formas:

Soluções saturadas (líquido-líquido, líquido-sólido, líquido-gás)

Soluções saturadas são um tipo de sistema químico heterogêneo no qual o soluto não pode continuar a se dissolver e forma uma fase separada daquela do solvente. O exemplo dos cristais de água e açúcar se enquadra nessa classificação.

As moléculas do solvente atingem um ponto em que não conseguem acomodar ou solvatar o soluto. Então, o soluto adicional, sólido ou gasoso, se reagrupará rapidamente para formar um sólido ou bolhas; isto é, um sistema líquido-sólido ou líquido-gás.

O soluto também pode ser um líquido, que é miscível com o solvente até uma certa concentração; caso contrário, eles seriam miscíveis em todas as concentrações e não formariam uma solução saturada. Por miscível, entende-se que a mistura dos dois líquidos forma uma única fase uniforme.

Se, por outro lado, o soluto líquido for imiscível com o solvente, como é o caso da mistura de óleo e água, quanto menor a quantidade adicionada, a solução se torna saturada. Como resultado, duas fases são formadas: uma aquosa e outra oleosa.

Soluções com sais precipitados

Alguns sais estabelecem um equilíbrio de solubilidade, devido ao fato de que as interações entre seus íons são muito fortes e se reagrupam em cristais que a água não consegue dissociar.

Este tipo de sistema heterogêneo também consiste em uma fase líquida e uma fase sólida; Mas, ao contrário das soluções saturadas, o soluto é um sal que não requer grandes quantidades para precipitar.

Por exemplo, ao misturar duas soluções aquosas de sais insaturados, uma de NaCl e a outra de AgNO₃, o sal insolúvel AgCl precipita. O cloreto de prata estabelece um equilíbrio de solubilidade no solvente, com um sólido esbranquiçado sendo observado no recipiente aquoso.

Assim, as características dessas soluções dependem do tipo de precipitado formado. Em geral, os sais de cromo são muito coloridos, assim como os de manganês, ferro ou algum complexo metálico. Este precipitado pode ser um sólido cristalino, amorfo ou gelatinoso.

Transições de fase

Um bloco de gelo pode constituir um sistema homogêneo, mas quando derrete, forma uma fase adicional de água líquida. Portanto, as transições de fase de uma substância também são sistemas heterogêneos.

Além disso, algumas moléculas podem escapar da superfície do gelo para a fase de vapor. Isso ocorre porque não apenas a água líquida tem pressão de vapor, mas também o gelo, embora em menor grau.

Os sistemas heterogêneos de transições de fase aplicam-se a qualquer substância (pura ou impura). Assim, todos os sólidos que derretem, ou o líquido que evapora, pertencem a esse tipo de sistema.

Sólidos e gases

Uma classe muito comum de sistemas heterogêneos em química são sólidos ou gases com vários componentes. Por exemplo, a pizza da imagem se enquadra nessa classificação. E se em vez de queijo, páprica, anchova, presunto, cebola, etc., tivesse enxofre, carvão, fósforo e cobre, então haveria outro sólido heterogêneo.

O enxofre se destaca pela cor amarela; carvão por ser um sólido preto; o fósforo é vermelho; e cobre metálico brilhante. Todos são sólidos, portanto, o sistema consiste em uma fase, mas com vários componentes. Na vida cotidiana, os exemplos desse tipo de sistema são incalculáveis.

Além disso, os gases podem formar misturas heterogêneas, especialmente se tiverem cores ou densidades diferentes. Eles podem carregar partículas muito pequenas, como as da água dentro das nuvens. Conforme aumentam de tamanho, eles absorvem a luz visível e, como resultado, as nuvens ficam acinzentadas.

Um exemplo de sistema sólido-gás heterogêneo é a fumaça, que é composta de partículas muito pequenas de carbono. Por esta razão, o fumo da combustão incompleta é de cor negra.

Métodos de fracionamento

As fases ou componentes de um sistema heterogêneo podem ser separados aproveitando as diferenças em suas propriedades físicas ou químicas. Desta forma, o sistema original é fracionado até que restem apenas fases homogêneas. Alguns dos métodos mais comuns são os seguintes.

Filtração

A filtração é usada para separar um sólido ou precipitado de um líquido. Assim, as duas fases conseguem se separar, embora com um certo grau de impureza. Por esta razão, o sólido é geralmente lavado e posteriormente seco em estufa. Este procedimento pode ser feito aplicando vácuo ou simplesmente por gravidade.

Decantação

Este método também é útil para separar um sólido de um líquido. Difere um pouco do anterior, pois o sólido geralmente tem uma consistência firme e fica completamente depositado no fundo do recipiente. Para fazer isso, basta inclinar a boca do recipiente em um ângulo adequado para que o líquido flua para fora dele.

Da mesma forma, a decantação permite a separação de dois líquidos, ou seja, um sistema líquido-líquido. Nesse caso, um funil de separação é usado.

A mistura bifásica (dois líquidos imiscíveis) é transferida para o funil, e o líquido de menor densidade ficará no topo; enquanto o de maior densidade, na parte inferior, em contato com a abertura de saída.

A imagem superior representa um funil de separação ou separação.Esta vidraria também é usada para extrações líquido-líquido; isto é, extrair um soluto do líquido inicial adicionando outro líquido em que seja ainda mais solúvel.

Peneirar

A peneira é usada para separar componentes sólidos de diferentes tamanhos. É muito comum encontrar uma peneira ou peneira dentro da cozinha para limpar os grãos, purificar a farinha de trigo ou retirar resíduos sólidos de sucos espessos. Em química, pode ser usado para separar cristais pequenos de cristais maiores.

Magnetização

Este método é usado para sistemas sólido-sólido onde um ou mais dos componentes são atraídos por um ímã. Assim, a fase inicial heterogênea é purificada à medida que o ímã remove os elementos ferromagnéticos. Por exemplo, a magnetização é usada para separar a folha de flandres do lixo.

Centrifugação

A centrifugação separa um sólido suspenso de um líquido. Não pode ser filtrado porque as partículas nadam uniformemente ocupando todo o volume do líquido. Para separar as duas fases, uma quantidade da mistura heterogênea é submetida a uma força centrífuga, que sedimenta o sólido no fundo do tubo de centrífuga.

Sublimação

O método de separação por sublimação é aplicado apenas para sólidos voláteis; isto é, para aqueles com alta pressão de vapor em baixas temperaturas.

Ao aquecer a mistura heterogênea, o sólido volátil escapa para a fase gasosa. Um exemplo de sua aplicação é a purificação de uma amostra contaminada com iodo ou cloreto de amônio.

Exemplos

Até agora, vários exemplos de sistemas químicos heterogêneos foram mencionados. Para complementá-los, outros adicionais e outros fora do contexto químico estão listados abaixo:

-O granito, as pedras de um rio, as montanhas ou qualquer rocha com veios de várias cores.

-Os minerais também contam como sistemas heterogêneos, uma vez que são constituídos por vários tipos de estruturas sólidas constituídas por íons. Suas qualidades são o produto da interação entre íons de estrutura cristalina e impurezas.

-Os refrigerantes. Neles existe um equilíbrio líquido-gás, que ao diminuir a pressão externa, diminui a solubilidade do gás dissolvido; por esta razão, muitas bolhas (soluto gasoso) são observadas subindo para a superfície do líquido quando descoberto.

-Qualquer meio de reação que envolva reagentes em diferentes fases, e que também requeira um agitador magnético para garantir uma maior velocidade de reação.

-Catalisadores heterogêneos. Esses sólidos fornecem sítios em sua superfície ou poros onde o contato entre os reagentes é acelerado, e eles não intervêm ou sofrem uma transformação irreversível na reação.

-Uma parede de friso, uma parede de mosaico ou o projeto arquitetônico de um edifício.

-Gelatinas multicamadas de vários sabores.

-Um cubo de Rubik.

Referências

Equilibrium in Heterogeneous Systems. Recuperado de: science.uwaterloo.ca
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