UKŁAD HETEROGENICZNY: CHARAKTERYSTYKA, KLASYFIKACJA I METODY - CHEMIA - 2026

System heterogeniczny to ta część wszechświata zajmowana przez atomy, cząsteczki lub jony w taki sposób, że tworzą dwie lub więcej rozróżnialnych faz. Przez „część wszechświata” rozumie się kroplę, kulę, reaktor, skały; oraz fazowo, do stanu lub sposobu agregacji, w stanie stałym, ciekłym lub gazowym.

Heterogeniczność systemu różni się w zależności od jego definicji w różnych dziedzinach wiedzy. Jednak ta koncepcja ma wiele podobieństw w zakresie gotowania i chemii.

Źródło: Pexels

Na przykład pizza z powierzchnią wypełnioną składnikami, jak ta na powyższym obrazku, jest systemem niejednorodnym. Podobnie sałata, mieszanka orzechów i ziaren lub napój gazowany również liczą się jako systemy heterogeniczne.

Zwróć uwagę, że jego elementy są widoczne na pierwszy rzut oka i można je rozdzielić ręcznie. A co z majonezem? Albo mleko? Na pierwszy rzut oka są jednorodne, ale pod mikroskopem są to układy niejednorodne; a dokładniej są to emulsje.

W chemii składniki składają się z odczynników, cząstek lub badanej substancji. Fazy ​​są niczym innym jak fizycznymi agregatami wspomnianych cząstek, które zapewniają wszystkie cechy charakteryzujące fazy. Tak więc faza ciekła alkoholu „zachowuje się” inaczej niż woda, a tym bardziej niż ciekła rtęć.

W niektórych systemach fazy są tak samo rozpoznawalne jak nasycony roztwór cukru z kryształami w tle. Każdy z nich można sam w sobie sklasyfikować jako jednorodny: powyżej fazy utworzonej przez wodę, a poniżej fazy stałej złożonej z kryształków cukru.

W przypadku układu woda-cukier nie mówimy o reakcji, ale o nasyceniu. W innych systemach zachodzi przemiana materii. Prostym przykładem jest mieszanina metalu alkalicznego, takiego jak sód, i wody; Jest wybuchowy, ale początkowo kawałek metalicznego sodu jest otoczony wodą.

Podobnie jak w przypadku majonezu, w chemii istnieją heterogeniczne systemy, które makroskopowo uchodzą za jednorodne, ale w świetle potężnego mikroskopu ich prawdziwie heterogeniczne fazy świecą.

Charakterystyka systemu heterogenicznego

Jakie są cechy heterogenicznego układu chemicznego? Ogólnie można je wymienić w następujący sposób:

-Składają się z dwóch lub więcej faz; innymi słowy, nie jest jednolity.

-Może składać się ogólnie z dowolnej z następujących par faz: ciało stałe-ciało stałe, ciało stałe-ciecz, ciało stałe-gaz, ciecz-ciecz, ciecz-gaz; Ponadto wszystkie trzy mogą być obecne w tym samym układzie ciało stałe-ciecz-gaz.

-Jego składniki i fazy można rozróżnić w pierwszej kolejności gołym okiem. Dlatego wystarczy obserwować system, aby wyciągnąć wnioski z jego cech; takie jak kolor, lepkość, wielkość i kształt kryształów, zapach itp.

-Zwykle wiąże się z równowagą termodynamiczną lub wysokim lub niskim powinowactwem między cząstkami w fazie lub między dwiema różnymi fazami.

-Właściwości fizykochemiczne różnią się w zależności od regionu lub kierunku układu. Zatem wartości, na przykład, temperatura topnienia, mogą wahać się od jednego obszaru heterogenicznego ciała stałego do drugiego. Również (najczęstszy przypadek) kolory lub odcienie zmieniają się w całym ciele stałym (ciecz lub gaz), gdy są porównywane.

-Są to mieszaniny substancji; to znaczy nie ma zastosowania do czystych substancji.

Stopień obserwacji

Każdy jednorodny system można uznać za niejednorodny, jeśli zmodyfikowane zostaną skale lub stopnie obserwacji. Na przykład karafka wypełniona czystą wodą jest systemem jednorodnym, ale jak obserwuje się jej cząsteczki, są ich miliony z własnymi prędkościami.

Z molekularnego punktu widzenia system nadal pozostaje jednorodny, ponieważ składa się tylko z cząsteczek H ₂ O. Jednak poprzez dalsze zmniejszenie skali obserwacji do poziomów atomowych woda staje się niejednorodna, ponieważ nie składa się z jednego rodzaju atom ale wodór i tlen.

Dlatego charakterystyka heterogenicznych układów chemicznych zależy od stopnia obserwacji. Jeśli weźmiesz pod uwagę skalę mikroskopową, możesz napotkać wielopłaszczyznowe systemy.

Ciało stałe A, pozornie jednorodne i srebrnego koloru, może składać się z wielu warstw różnych metali (ABCDAB…), a zatem być niejednorodne. Dlatego A jest makroskopowo jednorodny, ale niejednorodny na poziomach mikro (lub nano).

Podobnie te same atomy są układami heterogenicznymi, ponieważ składają się z próżni, elektronów, protonów, neutronów i innych cząstek subatomowych (takich jak kwarki).

Klasyfikacja

Biorąc pod uwagę makroskopowy stopień obserwacji, który określa widoczne cechy lub mierzalną właściwość, heterogeniczne układy chemiczne można sklasyfikować w następujący sposób:

Roztwory nasycone (ciecz-ciecz, ciecz-ciało stałe, ciecz-gaz)

Roztwory nasycone to rodzaj heterogenicznego układu chemicznego, w którym substancja rozpuszczona nie może się dalej rozpuszczać i tworzy fazę oddzielną od fazy rozpuszczalnika. Przykład kryształów wody i cukru mieści się w tej klasyfikacji.

Cząsteczki rozpuszczalnika osiągają punkt, w którym nie mogą przyjąć lub solwatować substancji rozpuszczonej. Wtedy dodatkowa substancja rozpuszczona, stała lub gazowa, szybko przegrupuje się, tworząc ciało stałe lub pęcherzyki; to znaczy układ ciecz-ciało stałe lub ciecz-gaz.

Substancją rozpuszczoną może być również ciecz, która miesza się z rozpuszczalnikiem do określonego stężenia; w przeciwnym razie byłyby mieszalne we wszystkich stężeniach i nie tworzyłyby roztworu nasyconego. Przez mieszalność rozumie się, że mieszanina dwóch cieczy tworzy jedną jednorodną fazę.

Z drugiej strony, jeśli ciekła substancja rozpuszczona jest niemieszalna z rozpuszczalnikiem, jak ma to miejsce w przypadku mieszaniny oleju i wody, najmniejsza dodana ilość roztworu staje się nasycona. W rezultacie powstają dwie fazy: jedna wodna i druga oleista.

Roztwory z wytrąconymi solami

Niektóre sole ustalają równowagę rozpuszczalności, ponieważ interakcje między ich jonami są bardzo silne i przegrupowują się w kryształy, których woda nie może dysocjować.

Ten typ heterogenicznego układu również składa się z fazy ciekłej i fazy stałej; Ale w przeciwieństwie do roztworów nasyconych, substancja rozpuszczona jest solą, która nie wymaga dużych ilości do wytrącenia.

Na przykład zmieszanie dwóch wodnych roztworów soli nienasyconych, jednego NaCl, a drugiego AgNO ₃ , wytrąca nierozpuszczalną sól AgCl. Chlorek srebra ustala równowagę rozpuszczalności w rozpuszczalniku, w zbiorniku wodnym obserwuje się białawe ciało stałe.

Zatem charakterystyka tych roztworów zależy od rodzaju powstającego osadu. Ogólnie rzecz biorąc, sole chromu są bardzo kolorowe, podobnie jak sole manganu, żelaza lub niektórych kompleksów metali. Ten osad może być krystaliczną, bezpostaciową lub galaretowatą substancją stałą.

Przejścia fazowe

Bryła lodu może stanowić jednorodny system, ale topiąca się tworzy dodatkową fazę wody w stanie ciekłym. Dlatego przejścia fazowe substancji są również układami niejednorodnymi.

Dodatkowo niektóre cząsteczki mogą uciec z powierzchni lodu do fazy gazowej. Wynika to z faktu, że nie tylko woda w stanie ciekłym ma prężność par, ale także lód, choć w mniejszym stopniu.

Heterogeniczne układy przemian fazowych mają zastosowanie do każdej substancji (czystej lub nieczystej). Zatem wszystkie ciała stałe, które się topią, lub ciecz, która paruje, należą do tego typu systemu.

Ciała stałe i gazy

Bardzo powszechną klasą heterogenicznych systemów w chemii są ciała stałe lub gazy z różnymi składnikami. Na przykład pizza na obrazku należy do tej klasyfikacji. A gdyby zamiast sera, papryki, anchois, szynki, cebuli itp. Zawierała siarkę, węgiel, fosfor i miedź, to byłaby inna niejednorodna substancja stała.

Siarka wyróżnia się żółtym kolorem; węgiel za czarną substancję stałą; luminofor jest czerwony; i błyszczącej, metalicznej miedzi. Wszystkie są solidne, dlatego system składa się z fazy, ale z kilkoma elementami. W życiu codziennym przykłady tego typu systemów są nieobliczalne.

Ponadto gazy mogą tworzyć niejednorodne mieszaniny, zwłaszcza jeśli mają różne kolory lub gęstości. Mogą przenosić bardzo małe cząsteczki, tak jak ma to miejsce w przypadku wody wewnątrz chmur. W miarę wzrostu pochłaniają światło widzialne, w wyniku czego chmury stają się szare.

Przykładem niejednorodnego układu gaz-ciało stałe jest dym, który składa się z bardzo małych cząstek węgla. Z tego powodu dym z niecałkowitego spalania ma czarnawy kolor.

Metody frakcjonowania

Fazy ​​lub składniki niejednorodnego układu można rozdzielić, korzystając z różnic w ich właściwościach fizycznych lub chemicznych. W ten sposób pierwotny system jest frakcjonowany, aż pozostaną tylko jednorodne fazy. Poniżej przedstawiono niektóre z bardziej powszechnych metod.

Filtrowanie

Filtracja służy do oddzielenia ciała stałego lub osadu od cieczy. W ten sposób dwie fazy mogą się rozdzielić, chociaż z pewnym stopniem zanieczyszczenia. Z tego powodu ciało stałe jest zwykle myte, a następnie suszone w piecu. Tę procedurę można wykonać stosując próżnię lub po prostu grawitacyjnie.

Dekantacja

Ta metoda jest również przydatna do oddzielania ciała stałego od cieczy. Różni się nieco od poprzedniego tym, że substancja stała jest ogólnie twarda w konsystencji i jest całkowicie osadzona na dnie pojemnika. Aby to zrobić, po prostu przechyl otwór pojemnika pod odpowiednim kątem, aby płyn z niego wypłynął.

Podobnie dekantacja pozwala na rozdzielenie dwóch cieczy, czyli układu ciecz-ciecz. W tym przypadku stosuje się lejek rozdzielający.

Dwufazową mieszaninę (dwie niemieszalne ciecze) przenosi się do lejka, a ciecz o niższej gęstości zostanie umieszczona na górze; natomiast ten o największej gęstości w dolnej części styka się z otworem wylotowym.

Źródło: Pixabay

Górny obraz przedstawia rozdzielacz lub rozdzielacz. To szkło jest również używane do ekstrakcji ciecz-ciecz; to znaczy, aby wyekstrahować substancję rozpuszczoną z cieczy wyjściowej przez dodanie innej cieczy, w której jest jeszcze lepiej rozpuszczalna.

Przesiew

Przesiewanie służy do oddzielania elementów stałych o różnych rozmiarach. Bardzo często w kuchni znajduje się sito lub sito do czyszczenia ziaren, oczyszczenia mąki pszennej lub usuwania stałych pozostałości z gęstych soków. W chemii może służyć do oddzielania małych kryształów od większych.

Namagnesowanie

Ta metoda jest stosowana w układach ciało stałe-ciało stałe, w których jeden lub więcej elementów jest przyciąganych przez magnes. W ten sposób początkowa niejednorodna faza jest oczyszczana, gdy magnes usuwa elementy ferromagnetyczne. Na przykład namagnesowanie służy do oddzielania blachy białej od śmieci.

Wirowanie

Odwirowanie oddziela zawieszoną substancję stałą od cieczy. Nie można go przefiltrować, ponieważ cząsteczki płyną równomiernie, zajmując całą objętość cieczy. W celu rozdzielenia dwóch faz pewną ilość niejednorodnej mieszaniny poddaje się działaniu siły odśrodkowej, która osadza ciało stałe na dnie probówki wirówkowej.

Sublimacja

Metoda sublimacji jest stosowana tylko do lotnych ciał stałych; to znaczy dla osób o wysokiej prężności par w niskich temperaturach.

Podczas ogrzewania niejednorodnej mieszaniny lotne ciało stałe ucieka do fazy gazowej. Przykładem jego zastosowania jest oczyszczanie próbki skażonej jodem lub chlorkiem amonu.

Przykłady

Do tej pory wymieniono kilka przykładów heterogenicznych układów chemicznych. Aby je uzupełnić, poniżej wymieniono dodatkowe, a inne poza kontekstem chemicznym:

-Granit, kamienie rzeki, góry lub jakakolwiek skała z żyłkami w wielu kolorach.

-Minerały również zaliczają się do systemów heterogenicznych, ponieważ składają się z różnego rodzaju struktur stałych złożonych z jonów. Jego właściwości są wynikiem interakcji między jonami o strukturze krystalicznej a zanieczyszczeniami.

-Napoje bezalkoholowe. W nich panuje równowaga ciecz-gaz, która zmniejszając ciśnienie zewnętrzne, zmniejsza rozpuszczalność rozpuszczonego gazu; z tego powodu wiele pęcherzyków (substancji rozpuszczonej w gazie) jest obserwowanych wznoszących się na powierzchnię cieczy, gdy są odkryte.

-Dowolne medium reakcyjne, które zawiera odczynniki w różnych fazach i które również wymaga mieszadła magnetycznego, aby zagwarantować większą szybkość reakcji.

-Katalizatory heterogeniczne. Te ciała stałe zapewniają miejsca na ich powierzchni lub porach, w których kontakt między reagentami jest przyspieszony i nie interweniują ani nie ulegają nieodwracalnej przemianie w reakcji.

-Ściana z fryzem, ściana mozaikowa lub projekt architektoniczny budynku.

-Żelatyny wielowarstwowe o wielu smakach.

-Kostka Rubika.

Bibliografia

1. Równowaga w układach heterogenicznych. Odzyskany z: science.uwaterloo.ca
2. Fernández G. (7 listopada 2010). Systemy jednorodne i niejednorodne. Odzyskany z: quimicafisica.com
3. Jill. (7 czerwca 2006). Systemy jednorodne i heterogeniczne. Źródło: chemistryforstudents.blogspot.com
4. Zakład Logiki Stosowanej. (2018). Przykłady mieszanin heterogenicznych. Odzyskane z: examples.yourdictionary.com
5. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. W Elementy z grupy 15. (wydanie czwarte). Mc Graw Hill.
6. Wikipedia. (2018). Jednorodność i niejednorodność. Odzyskane z: en.wikipedia.org
7. F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg. (2001). Chemia nieorganiczna. Odzyskane z: books.google.com