SISTEMA OMOGENEO: CARATTERISTICHE, CLASSIFICAZIONE, METODI - CHIMICA - 2025

Un sistema omogeneo è quella porzione dell'universo che è composta da una singola fase della materia. Può essere una fase totalmente uniforme, oppure può essere costituita da una miscela ordinata e simmetrica di elementi, che nel caso di sistemi chimici omogenei, sono particelle (molecole, atomi, ioni, ecc.).

La natura tende, attraverso meccanismi incerti o ben noti, ad omogeneizzare alcune proprietà o l'intero sistema stesso. Sulla Terra c'è un'orchestra di equilibrio tra sistemi omogenei ed eterogenei, considerati come tali dalle esplorazioni visive.

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Cioè, in primo luogo, gli occhi qualificano se un sistema (qualsiasi oggetto o spazio) è omogeneo o meno. Se è superficiale, il passo successivo è chiedersi com'è la sua composizione e in che modo sono disposti i suoi elementi. In quest'ottica, si può affermare o meno (con una certa sicurezza) se il sistema presenta omogeneità nelle sue proprietà.

Ad esempio, nell'immagine sopra hai l'immagine di una tazza di caffè, un piatto e un involucro di zucchero con una faccia felice. Se questi tre elementi venissero considerati per uno studio, allora il sistema sarebbe eterogeneo, ma se si studiasse solo il caffè nero all'interno della tazzina, in questo caso si parlerebbe di un sistema omogeneo.

Perché? Perché, a prima vista, il caffè nero sembra liscio e potresti pensare che lo sia anche l'interno. Se lo zucchero fosse aggiunto senza mescolare, si depositerebbe sul fondo della tazza e, il sistema omogeneo iniziale, diventerebbe eterogeneo.

Tuttavia, se il caffè venisse mescolato fino a completa dissoluzione dello zucchero, tornerebbe la sua omogeneità, anche se con la nuova proprietà organolettica di essere ora più dolce di prima. Per essere omogeneo, ogni goccia di caffè estratta da qualsiasi angolo della tazza deve avere lo stesso sapore.

D'altra parte, una tazza di caffè nero può essere paragonata a una con una superficie frizzante. Il secondo sarebbe meno omogeneo del primo, poiché non presenta una distribuzione uniforme delle sue bolle. Ma se i due caffè hanno lo stesso sapore e mancano di cristalli di zucchero (variabili più importanti), allora sono entrambi ugualmente omogenei.

I caffè con panna montata, o con disegni artistici in superficie, possono essere prelevati con sistemi eterogenei (anche se la miscela è omogenea rispetto al caffè).

Caratteristiche di un sistema omogeneo

Quali caratteristiche dovrebbe avere un sistema omogeneo?

-Deve avere un'unica fase materiale (liquido, solido o gas).

-Quando è una miscela, i suoi componenti devono essere in grado di formare un'unica fase uniforme. È il caso del caffè e dello zucchero. Se sul fondo del bicchiere o della tazza sono presenti cristalli di zucchero indisciolti, costituiscono una seconda fase.

-Le sue proprietà intense (densità, viscosità, volume molare, punto di ebollizione, ecc.) Devono essere le stesse in tutti i punti del sistema. Ciò vale anche per le proprietà organolettiche (sapore, colore, odore, ecc.). Quindi, una meringa monogusto è un sistema omogeneo fintanto che non ha un altro elemento (come la frutta tritata).

-I componenti delle tue miscele sono disposti nello spazio in modo omogeneo e simmetrico.

La scacchiera e la soggettività

Quest'ultima caratteristica può innescare confusione e opinioni contrastanti.

La scacchiera (senza i pezzi), ad esempio, rappresenta un punto in cui sorgono opinioni diverse al riguardo. È omogeneo o eterogeneo? E se i quadrati bianchi e neri si alternassero in file (uno bianco, uno nero e così via), quale sarebbe la risposta in quello scenario?

Poiché le scatole sono differenziate l'una dall'altra in base al colore, questa è la variabile principale. C'è una notevole differenza tra bianco e nero, che si alterna su tutto il tabellone.

Ogni colore rappresenta un componente e la miscela è omogenea se la loro disposizione fisica è orientata in modo tale da minimizzare le differenze nelle loro proprietà. Pertanto, i colori dovrebbero essere disposti nel modo più uniforme e simmetrico possibile.

Da questo ragionamento la scacchiera risulta omogenea, perché pur essendo eterogenea rispetto ai suoi colori, la loro differenza si alterna uniformemente. Mentre con i colori visualizzati in righe sono evidenti le “fasi in bianco e nero”, che equivarrebbero ad avere due fasi ed entrare nella definizione di un sistema eterogeneo.

Classificazione

I sistemi omogenei possono avere molte classificazioni, che dipendono dal ramo della conoscenza a cui appartengono. In chimica, non è sufficiente osservare superficialmente un sistema, ma scoprire quali particelle lo compongono e cosa fanno in esso.

soluzioni

Le soluzioni insature sono miscele o sistemi omogenei presenti non solo in chimica ma nella vita di tutti i giorni. Il mare e gli oceani sono enormi masse di acqua salata insatura. Le molecole di solvente, solitamente nella fase liquida, circondano le molecole di soluto e impediscono loro di aggregarsi per formare un solido o una bolla.

Quasi tutte le soluzioni rientrano in questa classificazione. Alcoli, acidi, basi impuri, una miscela di solventi organici, soluzioni indicatrici o reagenti con metalli di transizione; tutti contenuti in palloncini volumetrici o contenitori di vetro o plastica sono classificati come sistemi omogenei.

Di fronte a una minore formazione di una seconda fase in nessuna di queste soluzioni, il sistema non è più omogeneo.

Sostanze pure

La frase "alcoli impuri" è stata scritta sopra, riferendosi al fatto che di solito sono mescolati con acqua. Tuttavia, gli alcoli puri, così come qualsiasi altro composto liquido, sono sistemi omogenei. Questo vale non solo per i liquidi, ma anche per i solidi e i gas.

Perché? Perché quando hai un solo tipo di particella in un sistema, parli di elevata omogeneità. Sono tutti uguali e l'unica variazione è nel modo in cui vibrano o si muovono; ma, in relazione alle sue proprietà fisiche o chimiche, non c'è differenza in nessuna parte del sistema.

Ciò significa che un cubo di ferro puro è un sistema omogeneo perché ha solo atomi di ferro. Se un frammento fosse strappato da uno qualsiasi dei suoi vertici e le sue proprietà fossero determinate, si otterrebbero gli stessi risultati; cioè, l'omogeneità delle sue proprietà è soddisfatta.

Se fosse impuro, le sue proprietà fluttuerebbero entro un intervallo di valori. Questo è l'effetto delle impurità sul ferro e su qualsiasi altra sostanza o composto.

Se invece il cubo di ferro ha parti arrugginite (rosse) e parti metalliche (grigiastre), allora è un sistema eterogeneo.

Reazioni omogenee

Le reazioni omogenee sono forse i sistemi chimici omogenei più importanti. In essi, tutti i reagenti sono nella stessa fase, specialmente la fase liquida o gassosa. Sono caratterizzati da maggiore contatto e collisioni molecolari tra i reagenti.

Poiché esiste una sola fase, le particelle si muovono con maggiore libertà e velocità. Da un lato questo è un grande vantaggio; D'altra parte, possono formarsi prodotti indesiderati o alcuni reagenti si muovono così velocemente da non entrare in collisione in modo efficiente.

La reazione dei gas caldi con l'ossigeno per creare il fuoco è un esempio emblematico di questo tipo di reazione.

Qualsiasi altro sistema in cui partecipano reagenti con fasi diverse, come l'ossidazione dei metalli, è considerato una reazione eterogenea.

Metodi di frazionamento

In linea di principio, data la loro uniformità, non è possibile separare i componenti di sistemi omogenei con metodi meccanici; tanto meno se è una sostanza o un composto puro, dai cui frazionamenti si ottengono i suoi atomi elementari.

Ad esempio, è più facile (o più veloce) separare i componenti di una pizza (sistema eterogeneo), rispetto a quelli di un caffè (sistema omogeneo). Nella prima è sufficiente usare le mani per rimuovere gli ingredienti; mentre con la seconda ci vorrà più delle mani per separare il caffè dall'acqua.

I metodi variano a seconda della complessità del sistema e delle sue fasi materiali.

Evaporazione

L'evaporazione consiste nel riscaldare una soluzione finché il solvente evapora completamente, lasciando il soluto stabilizzato. Pertanto, questo metodo viene applicato a sistemi liquido-solido omogenei.

Ad esempio, quando si dissolve un pigmento in un contenitore d'acqua, il sistema è inizialmente eterogeneo, poiché i cristalli del pigmento non si sono ancora diffusi in tutto il volume. Dopo un po 'tutta l'acqua assume lo stesso colore, indice di un'omogeneizzazione.

Per recuperare il pigmento aggiunto, l'intero volume d'acqua deve essere riscaldato fino a quando evapora. Pertanto, le molecole di H ₂ O aumentano la loro energia cinetica media grazie all'energia fornita dal calore. Questo li porta a fuoriuscire nella fase gassosa, lasciando cristalli di pigmento sul fondo (e sulle pareti del contenitore).

Lo stesso accade con l'acqua di mare, dalla quale i suoi sali possono essere estratti come pietre bianche quando riscaldati.

D'altra parte, l'evaporazione viene utilizzata anche per rimuovere soluti volatili come molecole gassose (O ₂ , CO ₂ , N ₂ , ecc.). Quando la soluzione viene riscaldata, i gas iniziano a raccogliersi formando delle bolle, la cui pressione, se supera la pressione esterna, salirà per fuoriuscire dal liquido.

Rotaevaporazione

Questo metodo permette di recuperare i solventi organici applicando un vuoto. È molto utile, soprattutto quando si estraggono oli o grassi dalla materia organica.

In questo modo il solvente può essere riutilizzato per future estrazioni. Questi esperimenti sono molto comuni nello studio degli oli naturali ottenuti da qualsiasi materia organica (semplice, semi, fiori, gusci di frutta, ecc.).

Distillazione

La distillazione consente la separazione dei componenti di un sistema liquido-liquido omogeneo. Si basa sulla differenza dei punti di ebollizione di ogni componente (ΔT _eb ); maggiore è la differenza, più facile sarà separarli.

Richiede una colonna di raffreddamento che favorisca la condensazione del liquido più volatile, che poi fluirà in un palloncino di raccolta. Il tipo di distillazione varia a seconda dei valori di ΔT _eb e delle sostanze coinvolte.

Questo metodo è ampiamente utilizzato quando si purificano miscele omogenee; come, ad esempio, il recupero di un prodotto gassoso da una reazione omogenea. Tuttavia, trova applicazione anche per miscele eterogenee, come avviene nei processi di raffinazione del petrolio greggio per ottenere combustibili fossili e altri prodotti.

Liquefazione

E i sistemi gassosi omogenei? Sono composti da più di un tipo di molecole gassose o atomi, che differiscono per le loro strutture molecolari, masse e raggi atomici.

Pertanto, hanno le loro proprietà fisiche e si comportano in modo diverso di fronte a un aumento della pressione e una diminuzione della temperatura.

Quando sia T che P variano, alcuni gas tendono ad interagire più fortemente di altri; con forza sufficiente per condensare in una fase liquida. Se, invece, l'intero sistema condensa, viene utilizzata la distillazione dei componenti della condensa.

Se A e B sono gas, per liquefazione si condensano in una miscela omogenea, che viene poi sottoposta a distillazione. In questo modo, A e B puri si ottengono in recipienti diversi (come ossigeno liquido separato e azoto).

Esempi

Di seguito sono elencati ulteriori esempi di sistemi omogenei.

Della vita quotidiana

-Dentifricio bianco.

-Aceto, così come alcool commerciale e detersivi liquidi.

-Il plasma sanguigno.

-L'aria. Anche le nuvole possono essere considerate sistemi omogenei, sebbene in realtà contengano micro goccioline d'acqua.

-Bevande alcoliche senza ghiaccio.

-Profumi.

-Gelatine, latte e miele. Tuttavia, microscopicamente sono sistemi eterogenei, nonostante mostrino una singola fase ad occhio nudo.

-Qualsiasi oggetto solido con caratteristiche uniformi visibili, come colore, luminosità, dimensioni, ecc. Ad esempio, pepite simmetriche e metalliche o blocchi sfaccettati di un minerale o di un sale. Anche gli specchi rientrano in questa gamma di oggetti.

Sostanze chimiche

-Acciaio e leghe metalliche. I suoi atomi metallici sono disposti in una disposizione cristallina in cui partecipa il legame metallico. Se la distribuzione degli atomi è uniforme, senza "strati" di atomi di un metallo X o Y.

-Tutte le soluzioni preparate all'interno o all'esterno del laboratorio.

-Idrocarburi puri (butano, propano, cicloesano, benzene, ecc.).

-Tutte le sintesi o produzioni in cui i reagenti o la materia prima sono in un'unica fase.

Catalisi omogenea

Alcune reazioni vengono accelerate aggiungendo catalizzatori omogenei, che sono sostanze che partecipano secondo un meccanismo ben preciso alla stessa fase dei reagenti; cioè, nelle reazioni condotte in soluzioni acquose, questi catalizzatori devono essere solubili.

In generale, la catalisi omogenea è molto selettiva, sebbene non molto attiva o stabile.

Riferimenti

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7. Brazil R. (20 aprile 2018). Combinazione di catalisi omogenea ed eterogenea. Estratto da: chemistryworld.com