SYSTÈME HÉTÉROGÈNE: CARACTÉRISTIQUES, CLASSIFICATION ET MÉTHODES - CHIMIE - 2025

Un système hétérogène est la partie de l'univers occupée par des atomes, des molécules ou des ions, de telle manière qu'ils forment deux ou plusieurs phases distinctes. Par «portion de l'univers», on entend une goutte, une boule, le réacteur, des roches; et par phase, à un état ou mode d'agrégation, qu'il soit solide, liquide ou gazeux.

L'hétérogénéité d'un système varie de sa définition d'un domaine de connaissance à l'autre. Cependant, ce concept partage de nombreuses similitudes au sein de la cuisine et de la chimie.

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Par exemple, une pizza avec sa surface remplie d'ingrédients, comme celle de l'image ci-dessus, est un système hétérogène. De même, une salade, un mélange de noix et de céréales ou une boisson gazeuse comptent également comme des systèmes hétérogènes.

Notez que ses éléments sont visibles au premier coup d'œil et peuvent être séparés manuellement. Et la mayonnaise? Ou du lait? À première vue, ils sont homogènes, mais au microscope ce sont des systèmes hétérogènes; plus précisément, ce sont des émulsions.

En chimie, les ingrédients sont constitués de réactifs, de particules ou d'une substance à l'étude. Les phases ne sont rien de plus que des agrégats physiques desdites particules, qui apportent toutes les qualités qui caractérisent les phases. Ainsi, la phase liquide de l'alcool "se comporte" différemment de celle de l'eau, et plus encore de celle du mercure liquide.

Dans certains systèmes, les phases sont aussi reconnaissables qu'une solution saturée de sucre, avec des cristaux en arrière-plan. Chacun à lui seul peut être classé comme homogène: au-dessus d'une phase formée par l'eau, et en dessous, une phase solide composée de cristaux de sucre.

Dans le cas du système eau-sucre, on ne parle pas de réaction, mais de saturation. Dans d'autres systèmes, la transformation de la matière est présente. Un exemple simple est le mélange d'un métal alcalin, tel que le sodium, et l'eau; C'est explosif, mais au début, le morceau de sodium métallique est entouré d'eau.

Comme pour la mayonnaise, il existe des systèmes hétérogènes au sein de la chimie qui passent macroscopiquement pour homogènes, mais sous la lumière d'un microscope puissant, leurs véritables phases hétérogènes brillent.

Caractéristiques du système hétérogène

Quelles sont les caractéristiques d'un système chimique hétérogène? En termes généraux, ils peuvent être listés comme suit:

-Ils sont composés de deux ou plusieurs phases; en d'autres termes, ce n'est pas uniforme.

-Il peut être constitué, en général, de l'une quelconque des paires de phases suivantes: solide-solide, solide-liquide, solide-gaz, liquide-liquide, liquide-gaz; De plus, les trois peuvent être présents dans le même système solide-liquide-gaz.

-Ses composants et phases se distinguent, en premier lieu, à l'œil nu. Par conséquent, il suffit d'observer le système pour tirer des conclusions de ses caractéristiques; comme la couleur, la viscosité, la taille et la forme des cristaux, l'odeur, etc.

-Il implique généralement un équilibre thermodynamique, ou une affinité élevée ou faible entre les particules au sein d'une phase ou entre deux phases différentes.

-Les propriétés physico-chimiques varient selon la région ou la direction du système. Ainsi, les valeurs pour, par exemple, le point de fusion, peuvent aller d'une région d'un solide hétérogène à une autre. De plus (le cas le plus courant), les couleurs ou les teintes changent dans tout le solide (liquide ou gaz) à mesure qu'elles sont comparées.

-Ils sont des mélanges de substances; c'est-à-dire qu'elle ne s'applique pas aux substances pures.

Degré d'observation

Tout système homogène peut être considéré comme hétérogène si les échelles ou degrés d'observation sont modifiés. Par exemple, une carafe remplie d'eau pure est un système homogène, mais comme ses molécules sont observées, il y en a des millions avec leurs propres vitesses.

Du point de vue moléculaire, le système continue à être homogène car il ne s'agit que de molécules H ₂ O. Mais, en réduisant encore l'échelle d'observation aux niveaux atomiques, l'eau devient hétérogène, car elle ne consiste pas en un seul type de atome mais hydrogène et oxygène.

Par conséquent, les caractéristiques des systèmes chimiques hétérogènes dépendent du degré d'observation. Si vous considérez l'échelle microscopique, vous pouvez rencontrer des systèmes à multiples facettes.

Un solide A, apparemment homogène et de couleur argentée, pourrait être constitué de plusieurs couches de métaux différents (ABCDAB…) et donc être hétérogène. Par conséquent, A est macroscopiquement homogène, mais hétérogène aux niveaux micro (ou nano).

De même, les mêmes atomes sont des systèmes hétérogènes, car ils sont constitués de vide, d'électrons, de protons, de neutrons et d'autres particules subatomiques (comme les quarks).

Classification

Considérant alors un degré d'observation macroscopique, qui définit les caractéristiques visibles ou une propriété mesurable, les systèmes chimiques hétérogènes peuvent être classés de la manière suivante:

Solutions saturées (liquide-liquide, liquide-solide, liquide-gaz)

Les solutions saturées sont un type de système chimique hétérogène dans lequel le soluté ne peut pas continuer à se dissoudre et forme une phase distincte de celle du solvant. L'exemple de l'eau et des cristaux de sucre entre dans cette classification.

Les molécules de solvant atteignent un point où elles ne peuvent pas accueillir ou solvater le soluté. Ensuite, le soluté supplémentaire, solide ou gazeux, se regroupera rapidement pour former un solide ou des bulles; c'est-à-dire un système liquide-solide ou liquide-gaz.

Le soluté peut également être un liquide, miscible au solvant jusqu'à une certaine concentration; sinon, ils seraient miscibles à toutes les concentrations et ne formeraient pas de solution saturée. Par miscible, on comprend que le mélange des deux liquides forme une seule phase uniforme.

Si, d'autre part, le soluté liquide n'est pas miscible avec le solvant, comme c'est le cas avec le mélange d'huile et d'eau, la plus petite quantité ajoutée la solution devient saturée. En conséquence, deux phases se forment: l'une aqueuse et l'autre huileuse.

Solutions avec sels précipités

Certains sels établissent un équilibre de solubilité, car les interactions entre leurs ions sont très fortes et ils se regroupent en cristaux que l'eau ne peut dissocier.

Ce type de système hétérogène est également constitué d'une phase liquide et d'une phase solide; Mais, contrairement aux solutions saturées, le soluté est un sel qui ne nécessite pas de grandes quantités pour précipiter.

Par exemple, le mélange de deux solutions aqueuses de sels insaturés, l'une de NaCl et l'autre d'AgNO ₃, précipite le sel insoluble AgCl. Le chlorure d'argent établit un équilibre de solubilité dans le solvant, un solide blanc cassé étant observé dans le récipient aqueux.

Ainsi, les caractéristiques de ces solutions dépendent du type de précipité formé. En général, les sels de chrome sont très colorés, ainsi que ceux de manganèse, de fer ou de certains complexes métalliques. Ce précipité peut être un solide cristallin, amorphe ou gélatineux.

Transitions de phase

Un bloc de glace peut constituer un système homogène, mais lorsqu'il fond, il forme une phase supplémentaire d'eau liquide. Par conséquent, les transitions de phase d'une substance sont également des systèmes hétérogènes.

De plus, certaines molécules peuvent s'échapper de la surface de la glace dans la phase vapeur. Cela est dû au fait que non seulement l'eau liquide a une pression de vapeur, mais aussi de la glace, bien que dans une moindre mesure.

Les systèmes hétérogènes de transitions de phase s'appliquent à toute substance (pure ou impure). Ainsi, tous les solides qui fondent, ou le liquide qui s'évapore, appartiennent à ce type de système.

Solides et gaz

Une classe très courante de systèmes hétérogènes en chimie sont les solides ou les gaz avec divers composants. Par exemple, la pizza de l'image relève de cette classification. Et si à la place du fromage, du paprika, des anchois, du jambon, des oignons, etc., il y avait du soufre, du charbon, du phosphore et du cuivre, alors il y aurait un autre solide hétérogène.

Le soufre se distingue par sa couleur jaune; le charbon pour être un solide noir; le luminophore est rouge; et cuivre métallique brillant. Tous sont solides, par conséquent, le système se compose d'une phase mais avec plusieurs composants. Dans la vie de tous les jours, les exemples de ce type de système sont incalculables.

De plus, les gaz peuvent former des mélanges hétérogènes, surtout s'ils ont des couleurs ou des densités différentes. Ils peuvent transporter de très petites particules, comme cela se produit avec l'eau à l'intérieur des nuages. À mesure qu'ils grandissent, ils absorbent la lumière visible et les nuages ​​deviennent grisâtres en conséquence.

Un exemple de système solide-gaz hétérogène est la fumée, qui est constituée de très petites particules de carbone. Pour cette raison, la fumée d'une combustion incomplète est de couleur noirâtre.

Méthodes de fractionnement

Les phases ou composants d'un système hétérogène peuvent être séparés en profitant des différences de leurs propriétés physiques ou chimiques. De cette manière, le système d'origine est fractionné jusqu'à ce qu'il ne reste que des phases homogènes. Certaines des méthodes les plus courantes sont les suivantes.

Filtration

La filtration est utilisée pour séparer un solide ou un précipité d'un liquide. Ainsi, les deux phases parviennent à se séparer, bien qu'avec un certain niveau d'impureté. Pour cette raison, le solide est généralement lavé puis séché à l'étuve. Cette procédure peut être effectuée soit en appliquant le vide, soit simplement par gravité.

Décantation

Cette méthode est également utile pour séparer un solide d'un liquide. Il diffère quelque peu du précédent, en ce que le solide est généralement de consistance ferme et se dépose complètement au fond du récipient. Pour ce faire, il suffit d'incliner l'embouchure du récipient à un angle approprié pour que le liquide en sorte.

De même, la décantation permet de séparer deux liquides, c'est-à-dire un système liquide-liquide. Dans ce cas, un entonnoir de séparation est utilisé.

Le mélange biphasique (deux liquides non miscibles) est transféré dans l'entonnoir, et le liquide de densité inférieure sera situé en haut; tandis que celui avec la densité la plus élevée, dans la partie inférieure, en contact avec l'ouverture de sortie.

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L'image du haut représente un entonnoir de séparation ou de séparation. Cette verrerie est également utilisée pour les extractions liquide-liquide; c'est-à-dire pour extraire un soluté du liquide initial en ajoutant un autre liquide dans lequel il est encore plus soluble.

Tamisage

Le tamisage est utilisé pour séparer des composants solides de différentes tailles. Il est très courant de trouver un tamis ou un tamis à l'intérieur de la cuisine pour nettoyer les grains, purifier la farine de blé ou éliminer les résidus solides des jus épais. En chimie, il peut être utilisé pour séparer les petits cristaux des plus gros.

Magnétisation

Cette méthode est utilisée pour les systèmes solide-solide où un ou plusieurs des composants sont attirés par un aimant. Ainsi, la phase hétérogène initiale est purifiée au fur et à mesure que l'aimant retire les éléments ferromagnétiques. Par exemple, la magnétisation est utilisée pour séparer le fer-blanc des déchets.

Centrifugation

La centrifugation sépare un solide en suspension d'un liquide. Il ne peut pas être filtré car les particules nagent uniformément en occupant tout le volume du liquide. Pour séparer les deux phases, une quantité du mélange hétérogène est soumise à une force centrifuge, qui sédimente le solide au fond du tube de centrifugation.

Sublimation

La méthode de séparation par sublimation n'est appliquée que pour les solides volatils; c'est-à-dire pour ceux avec une pression de vapeur élevée à basse température.

Lors du chauffage du mélange hétérogène, le solide volatil s'échappe dans la phase gazeuse. Un exemple de son application est la purification d'un échantillon contaminé par de l'iode ou du chlorure d'ammonium.

Exemples

Jusqu'à présent, plusieurs exemples de systèmes chimiques hétérogènes ont été mentionnés. Pour les compléter, d'autres sont listés ci-dessous et d'autres en dehors du contexte chimique:

-Le granit, les pierres d'une rivière, les montagnes, ou tout rocher aux veines de plusieurs couleurs.

-Les minéraux sont également considérés comme des systèmes hétérogènes, car ils sont constitués de divers types de structures solides constituées d'ions. Ses qualités sont le produit de l'interaction entre les ions d'une structure cristalline et les impuretés.

-Les boissons gazeuses. Il y a en eux un équilibre liquide-gaz qui, en diminuant la pression extérieure, diminue la solubilité du gaz dissous; pour cette raison, de nombreuses bulles (soluté gazeux) remontent à la surface du liquide lorsqu'elles sont découvertes.

-Tout milieu réactionnel qui implique des réactifs dans différentes phases, et qui nécessite également un agitateur magnétique pour garantir une vitesse de réaction plus élevée.

-Catalyseurs hétérogènes. Ces solides fournissent des sites à leur surface ou dans leurs pores où le contact entre les réactifs est accéléré, et ils n'interviennent pas ou ne subissent pas de transformation irréversible dans la réaction.

-Un mur de frise, un mur en mosaïque ou la conception architecturale d'un bâtiment.

-Gélatines multicouches de nombreuses saveurs.

-Un cube de Rubik.

Références

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