HETEROGEEN SYSTEEM: KENMERKEN, CLASSIFICATIE EN METHODEN - CHEMIE - 2025

Een heterogeen systeem is dat deel van het heelal dat wordt ingenomen door atomen, moleculen of ionen, zodanig dat ze twee of meer te onderscheiden fasen vormen. Met "deel van het heelal" wordt bedoeld een druppel, een bal, de reactor, rotsen; en per fase naar een toestand of wijze van aggregatie, hetzij vast, vloeibaar of gasvormig.

De heterogeniteit van een systeem varieert van de definitie van het ene kennisgebied tot het andere. Dit concept deelt echter veel overeenkomsten binnen koken en chemie.

Bron: Pexels

Een pizza met een oppervlak vol ingrediënten, zoals in de afbeelding hierboven, is bijvoorbeeld een heterogeen systeem. Evenzo tellen ook salade, een mix van noten en granen of een koolzuurhoudende drank als heterogene systemen.

Merk op dat de elementen op het eerste gezicht zichtbaar zijn en handmatig kunnen worden gescheiden. Hoe zit het met mayonaise? Of melk? Op het eerste gezicht zijn ze homogeen, maar microscopisch gezien zijn het heterogene systemen; meer in het bijzonder zijn het emulsies.

In de chemie bestaan ​​ingrediënten uit reagentia, deeltjes of een stof die wordt bestudeerd. De fasen zijn niets meer dan fysieke aggregaten van genoemde deeltjes, die alle eigenschappen bieden die de fasen kenmerken. Aldus "gedraagt" de vloeibare fase van alcohol zich anders dan die van water, en zelfs nog meer die van vloeibaar kwik.

In bepaalde systemen zijn de fasen net zo herkenbaar als een verzadigde suikeroplossing, met kristallen op de achtergrond. Elk op zichzelf kan als homogeen worden geclassificeerd: boven een fase gevormd door water en daaronder een vaste fase die is samengesteld uit suikerkristallen.

In het geval van het watersuikersysteem is het geen reactie, maar een verzadiging. In andere systemen is de transformatie van materie aanwezig. Een eenvoudig voorbeeld is het mengsel van een alkalimetaal, zoals natrium, en water; Het is explosief, maar in het begin is het stuk metallisch natrium omgeven door water.

Net als bij mayonaise zijn er heterogene systemen binnen de chemie die macroscopisch doorgaan voor homogeen, maar onder het licht van een krachtige microscoop schitteren hun echte heterogene fasen.

Kenmerken van het heterogene systeem

Wat zijn de kenmerken van een heterogeen chemisch systeem? In algemene termen kunnen ze als volgt worden weergegeven:

-Ze zijn samengesteld uit twee of meer fasen; met andere woorden, het is niet uniform.

-Het kan in het algemeen bestaan ​​uit een van de volgende fasenparen: vast-vast, vast-vloeibaar, vast-gas, vloeistof-vloeistof, vloeistof-gas; Bovendien kunnen alle drie aanwezig zijn in hetzelfde vast-vloeistof-gassysteem.

-De componenten en fasen zijn in eerste instantie met het blote oog te onderscheiden. Daarom is het voldoende om het systeem te observeren om conclusies te trekken uit zijn kenmerken; zoals kleur, viscositeit, grootte en vorm van kristallen, geur, etc.

-Het gaat meestal om een ​​thermodynamisch evenwicht, of een hoge of lage affiniteit tussen de deeltjes binnen een fase of tussen twee verschillende fasen.

-De fysisch-chemische eigenschappen variëren afhankelijk van de regio of richting van het systeem. De waarden voor bijvoorbeeld het smeltpunt kunnen dus variëren van het ene gebied van een heterogene vaste stof tot het andere. Ook (het meest voorkomende geval) veranderen de kleuren of tinten door de vaste stof (vloeistof of gas) terwijl ze worden vergeleken.

-Het zijn mengsels van stoffen; dat wil zeggen, het is niet van toepassing op zuivere stoffen.

Mate van observatie

Elk homogeen systeem kan als heterogeen worden beschouwd als de schalen of graden van waarneming worden gewijzigd. Een karaf gevuld met zuiver water is bijvoorbeeld een homogeen systeem, maar als de moleculen worden waargenomen, zijn er miljoenen met hun eigen snelheden.

Vanuit moleculair oogpunt blijft het systeem homogeen omdat het alleen uit H ₂ O- moleculen bestaat . Maar door de waarnemingsschaal verder terug te brengen tot atomaire niveaus, wordt het water heterogeen, omdat het niet uit één type bestaat. atoom maar waterstof en zuurstof.

Daarom zijn de kenmerken van heterogene chemische systemen afhankelijk van de mate van observatie. Als je kijkt naar de microscopische schaal, kom je wellicht systemen met vele facetten tegen.

Een vaste A, ogenschijnlijk homogeen en zilver van kleur, zou kunnen bestaan ​​uit meerdere lagen van verschillende metalen (ABCDAB…) en daardoor heterogeen zijn. Daarom is A macroscopisch homogeen, maar heterogeen op micro- (of nano-) niveau.

Evenzo zijn dezelfde atomen heterogene systemen, omdat ze zijn gemaakt van vacuüm, elektronen, protonen, neutronen en andere subatomaire deeltjes (zoals quarks).

Classificatie

Rekening houdend met een macroscopische waarnemingsgraad, die de zichtbare kenmerken of een meetbare eigenschap definieert, kunnen heterogene chemische systemen op de volgende manieren worden geclassificeerd:

Verzadigde oplossingen (vloeistof-vloeistof, vloeistof-vast, vloeistof-gas)

Verzadigde oplossingen zijn een soort chemisch heterogeen systeem waarin de opgeloste stof niet verder kan oplossen en een fase vormt die gescheiden is van die van het oplosmiddel. Het voorbeeld van water en suikerkristallen valt in deze classificatie.

Oplosmiddelmoleculen bereiken een punt waarop ze de opgeloste stof niet kunnen accommoderen of oplossen. Dan zal de extra opgeloste stof, vast of gasvormig, zich snel hergroeperen om een ​​vaste stof of bellen te vormen; dat wil zeggen een vloeistof-vast of vloeistof-gassysteem.

De opgeloste stof kan ook een vloeistof zijn, die tot een bepaalde concentratie met het oplosmiddel mengbaar is; anders zouden ze bij alle concentraties mengbaar zijn en geen verzadigde oplossing vormen. Met mengbaar wordt bedoeld dat het mengsel van de twee vloeistoffen een enkele uniforme fase vormt.

Als, aan de andere kant, de vloeibare opgeloste stof niet mengbaar is met het oplosmiddel, zoals het geval is met het olie-watermengsel, wordt de oplossing met de minste toegevoegde hoeveelheid verzadigd. Als resultaat worden twee fasen gevormd: de ene waterig en de andere olieachtig.

Oplossingen met neergeslagen zouten

Sommige zouten zorgen voor een evenwicht in oplosbaarheid, omdat de interacties tussen hun ionen erg sterk zijn en ze hergroeperen tot kristallen die water niet kan dissociëren.

Dit type heterogeen systeem bestaat ook uit een vloeistoffase en een vaste fase; Maar in tegenstelling tot verzadigde oplossingen is de opgeloste stof een zout waarvoor geen grote hoeveelheden nodig zijn om neer te slaan.

Bijvoorbeeld, het mengen van twee waterige oplossingen van onverzadigde zouten NaCl en een van de andere AgNO ₃ , precipiteert het zout onoplosbaar AgCl. Zilverchloride brengt een oplosbaarheidsevenwicht in het oplosmiddel tot stand, waarbij een gebroken witte vaste stof wordt waargenomen in de waterige houder.

De eigenschappen van deze oplossingen hangen dus af van het soort neerslag dat wordt gevormd. Over het algemeen zijn de chroomzouten erg kleurrijk, evenals die van mangaan, ijzer of een metaalcomplex. Dit neerslag kan een kristallijne, amorfe of gelatineuze vaste stof zijn.

Fase-overgangen

Een blok ijs kan een homogeen systeem vormen, maar als het smelt, vormt het een extra fase van vloeibaar water. Daarom zijn de faseovergangen van een stof ook heterogene systemen.

Bovendien kunnen sommige moleculen van het oppervlak van het ijs in de dampfase ontsnappen. Dit komt door het feit dat niet alleen vloeibaar water dampdruk heeft, maar ook ijs, zij het in mindere mate.

Heterogene systemen van faseovergangen zijn van toepassing op elke stof (puur of onzuiver). Alle vaste stoffen die smelten of de vloeistof die verdampt, behoren dus tot dit type systeem.

Vaste stoffen en gassen

Een veel voorkomende klasse van heterogene systemen in de chemie zijn vaste stoffen of gassen met verschillende componenten. De pizza in de afbeelding valt bijvoorbeeld in deze classificatie. En als het in plaats van kaas, paprika, ansjovis, ham, uien, enz., Zwavel, kool, fosfor en koper zou bevatten, dan zou er nog een heterogene vaste stof zijn.

Zwavel valt op door zijn gele kleur; steenkool omdat het een zwarte vaste stof is; de fosfor is rood; en glanzend, metaalachtig koper. Ze zijn allemaal solide, daarom bestaat het systeem uit een fase maar met verschillende componenten. In het dagelijks leven zijn de voorbeelden van dit type systeem niet te overzien.

Ook kunnen gassen heterogene mengsels vormen, vooral als ze verschillende kleuren of dichtheden hebben. Ze kunnen zeer kleine deeltjes dragen, zoals gebeurt met water in wolken. Naarmate ze groter worden, absorberen ze zichtbaar licht en worden de wolken grijsachtig.

Een voorbeeld van een heterogeen vast-gassysteem is rook, dat is opgebouwd uit zeer kleine koolstofdeeltjes. Om deze reden is de rook van onvolledige verbranding zwartachtig van kleur.

Fractioneringsmethoden

De fasen of componenten van een heterogeen systeem kunnen worden gescheiden door gebruik te maken van verschillen in hun fysische of chemische eigenschappen. Op deze manier wordt het oorspronkelijke systeem gefractioneerd totdat er alleen homogene fasen overblijven. Enkele van de meest voorkomende methoden zijn als volgt.

Filtratie

Filtratie wordt gebruikt om een ​​vaste stof of neerslag van een vloeistof te scheiden. Zo slagen de twee fasen erin om te scheiden, hoewel met een bepaald niveau van onzuiverheid. Om deze reden wordt de vaste stof in het algemeen gewassen en vervolgens gedroogd in een oven. Deze procedure kan worden uitgevoerd door vacuüm toe te passen of eenvoudigweg door zwaartekracht.

Decantatie

Deze methode is ook handig om een ​​vaste stof van een vloeistof te scheiden. Het verschilt enigszins van de vorige, doordat de vaste stof in het algemeen stevig van consistentie is en volledig op de bodem van de container wordt afgezet. Kantel hiervoor eenvoudig de opening van de container in een geschikte hoek zodat de vloeistof eruit stroomt.

Evenzo maakt decanteren het mogelijk dat twee vloeistoffen worden gescheiden, dat wil zeggen een vloeistof-vloeistofsysteem. In dit geval wordt een scheitrechter gebruikt.

Het tweefasige mengsel (twee niet-mengbare vloeistoffen) wordt overgebracht naar de trechter en de vloeistof met lagere dichtheid zal bovenaan worden geplaatst; terwijl degene met de hoogste dichtheid, in het onderste deel, in contact staat met de uitlaatopening.

Bron: Pixabay

De bovenste afbeelding stelt een scheidings- of scheitrechter voor. Dit glaswerk wordt ook gebruikt voor vloeistof-vloeistofextracties; dat wil zeggen om een ​​opgeloste stof uit de oorspronkelijke vloeistof te extraheren door een andere vloeistof toe te voegen waarin deze nog beter oplosbaar is.

Ziften

Zeven wordt gebruikt om vaste componenten van verschillende afmetingen te scheiden. Het is heel gebruikelijk om in de keuken een zeef of zeef te vinden om de granen schoon te maken, het tarwemeel te zuiveren of vaste resten uit dikke sappen te verwijderen. In de chemie kan het worden gebruikt om kleine kristallen van grotere te scheiden.

Magnetisatie

Deze methode wordt gebruikt voor solid-solid systemen waarbij een of meer van de componenten worden aangetrokken door een magneet. Aldus wordt de aanvankelijke heterogene fase gezuiverd wanneer de magneet de ferromagnetische elementen verwijdert. Magnetisatie wordt bijvoorbeeld gebruikt om blik van afval te scheiden.

Centrifugeren

Centrifugeren scheidt een zwevende vaste stof van een vloeistof. Het kan niet worden gefilterd omdat de deeltjes gelijkmatig zwemmen en het volledige volume van de vloeistof innemen. Om de twee fasen te scheiden wordt een hoeveelheid van het heterogene mengsel onderworpen aan een centrifugale kracht, die de vaste stof bezinkt op de bodem van de centrifugebuis.

Sublimatie

De sublimatiescheidingsmethode wordt alleen toegepast voor vluchtige vaste stoffen; dat wil zeggen, voor mensen met een hoge dampspanning bij lage temperaturen.

Bij verhitting van het heterogene mengsel ontsnapt de vluchtige vaste stof in de gasfase. Een voorbeeld van de toepassing ervan is de zuivering van een monster dat is verontreinigd met jodium of ammoniumchloride.

Voorbeelden

Tot dusver zijn er verschillende voorbeelden van heterogene chemische systemen genoemd. Om ze aan te vullen, worden er hieronder extra vermeld en andere buiten de chemische context:

-Het graniet, de stenen van een rivier, de bergen of welke rots dan ook met aders in vele kleuren.

-Mineralen tellen ook als heterogene systemen, omdat ze bestaan ​​uit verschillende soorten vaste structuren die zijn opgebouwd uit ionen. Zijn eigenschappen zijn het product van de interactie tussen ionen met een kristallijne structuur en onzuiverheden.

-De frisdranken. In hen is er een vloeistof-gas-evenwicht, dat door verlaging van de externe druk de oplosbaarheid van het opgeloste gas vermindert; om deze reden worden veel bellen (gasvormige opgeloste stof) waargenomen die naar het oppervlak van de vloeistof stijgen wanneer ze niet worden bedekt.

-Elk reactiemedium dat reagentia in verschillende fasen gebruikt en dat ook een magnetische roerder nodig heeft om een ​​hogere reactiesnelheid te garanderen.

-Heterogene katalysatoren. Deze vaste stoffen vormen plaatsen op hun oppervlak of poriën waar het contact tussen de reactanten wordt versneld, en ze grijpen niet in of ondergaan geen onomkeerbare transformatie in de reactie.

-Een friesmuur, een mozaïekmuur of het architectonisch ontwerp van een gebouw.

-Meerlaagse gelei van vele smaken.

- Een Rubiks kubus.

Referenties

1. Evenwicht in heterogene systemen. Hersteld van: science.uwaterloo.ca
2. Fernández G. (7 november 2010). Homogene en heterogene systemen. Hersteld van: quimicafisica.com
3. Jill. (7 juni 2006). Homogene en heterogene systemen. Hersteld van: chemistryforstudents.blogspot.com
4. LoveToKnow. (2018). Voorbeelden van heterogeen mengsel. Hersteld van: example.yourdictionary.com
5. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde. In The elements of group 15. (vierde editie). Mc Graw Hill.
6. Wikipedia. (2018). Homogeniteit en heterogeniteit. Hersteld van: en.wikipedia.org
7. F. Holleman, Egon Wiberg, Nils Wiberg. (2001). Anorganische scheikunde. Hersteld van: books.google.com