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Sistema Homogêneo e sistema heterogêneo

Para fazer experiência com uma determinada substância, o químico precisa, antes de tudo, isolar certa porção dessa substância. Essa porção, isolada do resto do universo para estudo, é chamado sistema.

Sistema é uma porção limitada do universo, considerando como um todo para efeito de estudo.

Sistema homogêneo é aquele que apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte de sua extensão que seja examinada.

Sistema Heterogêneo é aquele que não apresenta as mesmas propriedades em qualquer parte de sua extensão que seja examinada.

Os termos sistema homogêneo e sistema heterogêneo podem ser substituído por material homogêneo e material heterogêneo ou, ainda, por matéria homogênea e matéria heterogênea.

Nos sistemas heterogêneos, observam-se duas ou mais porções, e, si homogêneas, limitadas por superfícies de separação. Essas diferentes porções homogêneas que constituem os sistemas heterogêneos são chamadas de fases do sistema heterogêneo. No sistema constituído por água e gasolina, há duas fases: a fase água e a fase gasolina.

Fases são as diferentes porções homogêneas, limitadas por superfícies de separação, que constituem um sistema heterogêneo.

Todos sistemas heterogêneos são sistemas polifásicos, isto é, são formados por duas ou mais fases. Podem ser bifásicos (duas fases), trifásicos (três fases), tetrafásicos (quatro fases), etc. Por outro lado, todos os sistemas homogêneos são formados por uma única fase, isto é, são sistemas monofásicos ou unifásicos.

Como regra, sistemas formados de duas ou mais substâncias sólidas diferentes são polifásicos e o número de fases e igual ao número das diferentes substâncias sólidas participantes.

Quantas fases tem um sistema constituído por água líquida e três cubos de Gelo?

Esse sistema é bifásico, pois os três cubos de gelo constituem uma única fase, ou seja, a fase gelo.

Um sistema formado por dois ou mais gases é sempre um todo uniforme, isto é, constitui uma única fase. Não existe sistema polifásico formado por vários gases.

No caso de sistemas formados por dois ou mais líquidos, não é possível fazer uma generalização sobre o número de fases.

Substâncias puras e misturas

Substância pura é todo o material que se caracteriza por apresentar:

a) Composição fixa b) densidade, PF, PE e outras propriedades constantes. Por isso, essas propriedades são usadas, na prática, para verificar se um dado material é substância pura ou não.

Composição 11,1% de H

(em peso) 88,9% de O

Água pura ý

PF = 0 ºC (1atm)

PE = 100 ºC (1atm)

d = 1 g/mL (4 ºC)

Assim, para sabermos se uma amostra de água é pura, podemos determinar ou a sua densidade, ou o seu PF, ou seu PE; se os valores encontrados experimentalmente forem iguais aos fornecidos pela literatura, concluímos que a amostra é da substância pura água. Caso contrário, a amostra não é de água pura.

Assim não existe água (pura) com composição diferente de 11,1% de H e 88,9% de O em peso. Por outro lado, não existe água (pura) com PF, PE e densidade diferentes das mencionados (nas mesmas condições).

Misturas é todo o material constituído por duas ou mais substâncias puras, chamadas componentes da mistura. Ao contrário da substância pura, tem composição variável e, consequentemente, d, PF, PE e outras propriedades variável. É o caso da salmoura, uma mistura de duas substâncias puras, água e sal de cozinha (NaCI). As salmouras podem Ter deferentes composições em peso.

10%de NaCI e 90% de H2O

Salmouras 5% de NaCI e 95% de H2O

1% de NaCI e 99% de H2O

A densidade, o PF e o PE de uma salmoura variam de acordo com sua composição. Assim, uma salmoura com 10% de NaCI tem d, PF e PE diferentes de uma salmoura com 5% de NaCI.

Veja a tabela seguinte, algumas misturas importantes e seus principais componentes.

Mistura

Principais componentes

Ar

Nitrogênio, Oxigênio

Água do mar

Água, cloreto de sódio, outros sais

Vinagre

Água, ácido acético

Álcool hidratado

Etanol, água

Gás de bujão (GLP)

Propano, butano

Gasolina

Hidrocarbonetos com 5 a 10 na molécula

Querosene

Hidrocarbonetos com 10 a 16 C na molécula

Pólvora

Salitre, carvão, enxofre

Aço

Ferro, carbono

Lata

Ferro, estanho

Latão

Cobre e zinco

Amálgama

Mercúrio e outro metal

Madeira

Celulose e muitos outros compostos orgânicos

Leite

Água, gorduras, proteínas, açúcares

Ouro 18 Quilates

Ouro (75%), cobre (25%)

Misturas homogênea é toda a mistura que constitui um sistema homogêneo. Toda solução é, por definição, uma mistura homogênea. Assim, solução de água e sal de cozinha, solução de água e açúcar, etc. são misturas homogêneas.

Os sistemas homogêneos podem ser substâncias puras ou misturas homogêneas. Nas misturas homogêneas, é impossível distinguir superfícies de separação entre os componentes, mesmo utilizado os mais poderosos instrumentos de aumento. Não há, por exemplo, como detectar superfície de separação entre água e o açúcar na respectiva solução.

Misturas heterogêneas é toda mistura que constitui um sistema heterogêneo.

As substâncias puras, durante suas mudanças de estado físico, constituem sistemas heterogêneos, mas não são misturas. Solvo essa exceção, todos os demais sistemas heterogêneos são misturas heterogêneas.

Na maioria das misturas heterogêneas, podemos detectar superfície de separação entre os componentes a olho nu. Mas há casos em que isto só é possível com a utilização de microscópio, ultramicroscópios e microscópios eletrônicos.

Desde que se possam detectar superfícies de separação entre os componentes, com ou sem auxílio de instrumentos de aumento, a mistura é classificada como heterogênea. O leite, por exemplo, é aparentemente uma mistura homogênea, se observado a olho nu. Entretanto, examinado ao microscópio, revela-se heterogêneo.

Substâncias simples ou compostas

As substâncias puras podem ser classificadas como simples ou compostas. Substâncias simples são as formadas por um único elemento químico. Assim, o hidrogênio (H2), o oxigênio (O2) e o cloro (CL2) são substâncias simples. Substancias compostas são as formadas por dois ou mais elementos químicos diferentes. A água é uma substância composta formada pelos elementos químicos hidrogênio e oxigênio. Da mesma maneira, o cloreto de sódio é uma substância composta formada pelos elementos químicos cloro e sódio.

Comparação entre mistura e substancia pura composta

Para não confundir uma mistura com uma substância composta, vamos comparar vários aspectos de uma e de outra.

Uma substância pura é formada por entidades (moléculas ou conjuntos iônicos) quimicamente iguais entre si Consideremos um material constituído por sacarose pura ( açúcar comum). Nesse material, só temos moléculas C12H22O11, todas quimicamente iguais entre si. Consequentemente, a sacarose tem composição e propriedades fixas.

Consideremos, agora, um material constituído por solução de sacarose em água. Temos moléculas de H2O e moléculas de C12H22O11, que são quimicamente diferentes. A composição de uma solução de sacarose em água pode variar; podemos dissolver deferentes quantidades de sacarose numa mesma quantidades de água. As propriedades da solução irão variar de acordo com a diferente composição da mistura.

Substâncias puras têm fórmulas, misturas não - As substâncias puras podem ser representadas por fórmulas porque têm composição variável. Assim, a água tem fórmula H2O, o cloreto de sódio tem fórmula NaCI, mas a salmoura não tem fórmula.

As substâncias compostas não conservam as propriedades de suas substâncias constituintes; as misturas conservam as propriedades das substâncias componentes.Tomemos a água como exemplo. Passemos nos estados físicos do hidrogênio e do oxigênio e no da água, nas condições ambientes. O hidrogênio e o oxigênio são gases e a água é líquida. Outra diferença: o hidrogênio é um gás inflamável (combustível), o oxigênio é um gás indispensável á combustão (comburente) e a água é usada para apagar o fogo. Conclusão: a água não conserva as propriedades do hidrogênio nem as do oxigênio.

Por outro lado, a mistura de hidrogênio e oxigênio queima, e na queima forma-se água. Portanto, numa mistura de hidrogênio e oxigênio são conservadas as propriedades de ambos.

Durante todas as mudanças de estado físico das substâncias puras, a temperatura permanece constante do início ao fim do processo. O mesmo não ocorre com as misturas. – Assim, durante o processo de ebulição e de solidificação da substância pura água, a temperatura permanece constante desde o início até o fim da mudança de estado físico. Durante o processo das mudanças de estado físico, a água conserva sempre a mesma composição, ou seja, 89,9% de oxigênio e 11,1%de hidrogênio. Por isso, a temperatura permanece constante durante suas mudanças de estado.

 

E a ebulição de uma salmoura, como é? A água separa-se da solução sob a forma de vapor. Com isso, durante a ebulição, a porcentagem de sal vai aumentando. Como a composição da salmoura varia durante a ebulição, a temperatura também varia. Na solidificação, o que solidifica é a água; à medida que o gelo se separando, a solução vai ficando com maior porcentagem de NaCI. Como a composição da salmoura varia durante a solidificação, a temperatura de solidificação também varia durante a mudança de estado.

Separações de misturas

É raro encontrar-mos substâncias puras na natureza. Comumente encontramos misturas de uma substância principal e outras que constituem a sua impureza.. Os processos de purificação das substâncias são os de separação dos componentes das misturas. São chamados análise imediata e varia, conforme o tipo de mistura.

Separação das misturas heterogêneas com todas as fases sólidas

Método

Procedimentos

Exemplos

Catação Os fragmentos de um dos sólidos são catados com a mão ou a pinça. Escolher feijão.
Ventilação A fase mais leve é separada por corrente de ar. Separar os grãos de arroz da casca.
Levigação A fase mais leve é separada por corrente de água. Nas areias auríferas, separar o ouro da areia.
Flotação Usa-se um líquido de densidade intermediária em relação aos componentes da mistura, no qual não se dissolvam; o componente mais leve flutua no líquido e o mais pesado se sedimenta. Separar a serragem da areia utilizando água: a serragem flutua e a areia sedimenta.
Dissolução fracionada A mistura é colocada num líquido que dissolve um só componente; o componente insolúvel é separado da solução por filtração; por evaporação, separa-se do líquido o componente dissolvido. Separa o sal da areia, utilizando água.
Fusão Por aquecimento, separam-se componentes sólidos de diferentes pontos de fusão. Separar a areia do enxofre.
Cristalização Fracionada Todos os componentes dissolvem-se e, por evaporação do solvente, cristalizam-se separadamente à medida que seus limites de solubilidade são atingidos. O salitre do Chile é nitrado de sódio (NaNO3) natural, cuja impureza é o iodado de potássio (KIO3). Dissolvendo-se a mistura em água, após a evaporação, cristaliza-se primeiro o NaNO3, separando do KIO3, que se mantém dissolvido na água ou "água mãe de cristalização".

 

Separação das fases de outras misturas heterogêneas

Filtração é a separação de uma fase líquida ou gasosa de uma fase por meio de uma superfície porosa, chamada filtro. O filtro retém a fase e deixa passar a fase líquida ou gasosa.

A filtração da mistura sólido-gás é feita sempre por sucção do gás (Como a filtração do ar no aspirador de pó).

A filtração da mistura sólido-líquido é feita em laboratório por meio de papel de filtro adaptado em funil.

Quando essa filtração comum é muito lenta, usa-se filtração a vácuo. Na filtração a vácuo de uma mistura sólido-líquido, usa-se um funil especial – chamado funil de Buchner -, com fundo chato e perfurado, sobre o qual se coloca o papel de filtro. A sucção ou rarefação do ar é feita com trompa de água. A filtração a vácuo é também chamada filtração com sucção ou, ainda, filtração a pressão reduzida.

Decantação é uma sedimentação de fases devida à diferença de suas densidades. Não ocorre nas misturas sólido-sólido.

Numa mistura sólido-líquido, depois da sedimentação do sólido, o líquido pode ser removido entornando-se o frasco que contém a mistura ou, então, por meio de um sifão. Nesse caso o processo chama-se sifonação.

Numa mistura líquido-líquido, a decantação é feita em funil de bromo, - também chamado funil de decantação ou funil de separação -, um balão de vidro com uma torneira em sua parte inferior, a qual permite o escoamento do líquido que constitui a fase mais densa.

Numa mistura sólido-gás, a decantação pode ser feita em câmara de poeira ou chicana. À medida que a mistura percorre a câmara, as partículas, batendo nas paredes em ziguezague, vão se depositando, e o gás sai da câmara livre delas. É usada industrialmente.

Centrifugação é um processo usado para acelerar a decantação (sedimentação das fases). É feita num centrifugador.

Separação de misturas homogêneas

Estados físicos

dos componentes

Método e

procedimento

Exemplos

Sólido e líquido Destilação simples – por aquecimento da mistura em aparelhagem adequada, o líquido vaporiza e, a seguir, condensa; depois é recolhido em recipiente adequado. O sólido não destila. Separar a água do sal dissolvido.
Líquido e líquido Destilação fracionada – os líquidos destilam separadamente à medida que seus pontos de ebulição cão sendo atingidos; para efetuar a destilação fracionada, usa-se uma coluna de fracionamento. Separar as frações do petróleo.
Gás e gás Liquefação fracionada – resfriando-se gradativamente a mistura, os gases vão se liquefazendo à medida que seus pontos de liquefação (ebulição) vão sendo atingidos. Separar os componentes do ar.
Gás e líquido A mistura é aquecida e, com a elevação da temperatura, a solubilidade do gás diminui. A agitação e a diminuição da pressão também expulsa o gás. Separa o gás da água na água gaseificada ou no refrigerante. A saída do gás provoca a formação de espuma.
Gás e sólido Com o aquecimento, o gás se desprende do sólido. O processo é também conhecido por destilação seca. Separar o metanol, na forma gasosa, da madeira. O metanol é um álcool usado como combustível.
Destilação não, evaporação sim

Quando só tem interesse em se obter o sólido, a destilação simples é substituída pela evaporação do líquido da mistura. Assim, a Obtenção do sal de cozinha a partir da água do mar é feita por evaporação (em salinas) e não por destilação simples.

OBTENDO SUBSTÂNCIAS PURAS A PARTIR DE MISTURAS

Um dos grandes desafios da Química sempre tem sido a obtenção de substâncias puras a partir de misturas, já que a maioria dos materiais presentes na natureza é formada por misturas de substâncias.

Como vimos anteriormente, torna-se possível saber se uma espécie de matéria é substância pura ou mistura através da análise de suas propriedades específicas. Se o resultado das análises indicar uma mistura de várias substâncias e caso o químico queira isolar as substâncias puras presentes, será necessário escolher um método adequado de purificação.

Há vários métodos de purificação de misturas, e a escolha do método vai depender de dois fatores:

  • Do tipo de mistura a ser separada;
  • Das condições materiais e econômicas, bem como do tempo gasto na separação.

Você já pensou como se separa o óleo da água, como o sal é separado da água do mar, ou como é possível separar areia da água, ou até mesmo os componentes do ar atmosférico?

 

Técnica

Tipo de mistura

Natureza da mistura

Exemplos

Aparelhos

Filtração

Heterogênea

Sólido-líquido

Sólido-gasoso

Areia + água

Poeira + ar

Funil e filtro

Aspirador de pó

Filtração a vácuo

Heterogênea

Sólido-líquido, onde a filtração comum é lenta

Farinha + água

Funil de Buchner

Kitassato

Trompa d’água

Centrifugação

Heterogênea

Sólido-líquido

Separação da nata do leite

Centrífugas

Decantação

Heterogênea

Sólido-líquido

Líquido-líquido

Areia + água

Óleo + água

Béquer ou funil de decantação

Dissolução fracionada

Heterogênea

Sólido-líquido

Sal + areia

Béquer, funil e filtro

Destilação simples

Homogênea

Sólido-líquido

Sal + água

Balão de destilação, condensador, bico a gás para aquecimento, tela de amianto.

Destilação fracionada

Homogênea

Líquido-líquido

Separação dos componentes do petróleo

Balão

Coluna de fracionamento,

Condensador

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