Sistema heterogéneo: qué es, características, clasificación, ejemplos

¿Qué es un sistema heterogéneo?

Un sistema heterogéneo es un sistema formado por elementos o partes distintas entre sí. Estas partes son distinguibles y por lo general tienen dos o más fases.

Ejemplos de sistemas heterogéneos pueden ser una ensalada, agua con aceite, yogur y cereales, o una pizza con varios ingredientes. En cada uno de estos ejemplos se pueden advertir los distintos componentes del sistema.

Sus elementos se distinguen a simple vista y se pueden separar manualmente. En otras mezclas, como la mayonesa o la leche, a primera vista son homogéneos, pero microscópicamente son sistemas heterogéneos; más concretamente, emulsiones.

Características del sistema heterogéneo

En términos generales pueden listarse como sigue:

– Está compuesto de dos o más fases; en otras palabras, no es uniforme.

– Puede consistir, en general, en cualquiera de los siguientes pares de fases: sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gas, líquido-líquido, líquido-gas; y además, las tres fases pueden estar presentes en un mismo sistema sólido-líquido-gas.

– Sus componentes y fases son distinguibles a simple vista. Por lo tanto, basta con observar el sistema para sacar conclusiones de sus características, como color, viscosidad, tamaño y forma de los cristales, olor, etc.

– Por lo general involucra un equilibrio termodinámico, o una alta o baja afinidad entre las partículas dentro de una fase o entre dos fases distintas.

– Son mezclas de sustancias; es decir, no aplica para sustancias puras.

Clasificación

Desde el punto de vista macroscópico, los sistemas heterogéneos químicos pueden clasificarse del siguiente modo:

Soluciones saturadas (líquido-líquido, líquido-sólido, líquido-gas)

Son un tipo de sistema heterogéneo químico en el que el soluto no puede continuar disolviéndose y forma una fase separada a la del solvente. Por ejemplo, el agua y los cristales de azúcar.

Las moléculas de solvente llegan a un punto en el que no pueden disolver el soluto. Entonces, el soluto adicional, sea sólido o gaseoso, se reagrupará rápidamente para formar un sólido o burbujas; es decir, un sistema líquido-sólido o líquido gaseoso.

El soluto también puede tratarse de un líquido, el cual puede mezclarse con el solvente hasta cierta concentración; de no ser así, serían miscibles en todas las concentraciones y no formarían una solución saturada. Miscible significa que la mezcla de los dos líquidos forma una única fase uniforme.

Si, por otro lado, el soluto líquido es inmiscible con el solvente, como ocurre con la mezcla aceite y agua, a la menor cantidad agregada se satura la solución. Como resultado, se forman dos fases: una acuosa y la otra aceitosa.

Soluciones con sales precipitadas

Algunas sales establecen un equilibrio de solubilidad, debido a que las interacciones entre sus iones son muy fuertes y se reagrupan en cristales que el agua no logra disociar.

Este tipo de sistema heterogéneo también consiste en una fase líquida y otra sólida; pero, a diferencia de las soluciones saturadas, el soluto es una sal que no requiere de grandes cantidades para precipitar.

Por ejemplo, al mezclar dos soluciones acuosas de sales insaturadas, una de NaCl y la otra de AgNO₃, precipita la sal insoluble AgCl. El cloruro de plata establece un equilibrio de solubilidad en el solvente, observándose un sólido blancuzco en el recipiente acuoso.

Las características de estas soluciones dependen del tipo de precipitado formado. Por lo general, las sales de cromo son muy coloridas, así como las de manganeso, hierro, o de algún complejo metálico. 

Transiciones de fases

Un bloque de hielo puede constituir un sistema homogéneo, pero al derretirse, forma una fase adicional de agua líquida. Por lo tanto, las transiciones de fase de una sustancia son también sistemas heterogéneos.

Adicionalmente, de la superficie del hielo pueden escapar algunas moléculas a la fase de vapor. Esto se debe a que no solo el agua líquida presenta presión de vapor, también el hielo, aunque en menor proporción.

Todos los sólidos que funden, o el líquido que se evapora, pertenecen a este tipo de sistema.

Sólidos y gases

Una clase muy común de sistemas heterogéneos en química son los sólidos o gases con varios componentes. Por ejemplo, una pizza. Y si en lugar de todos sus ingredientes comunes, llevara azufre, carbón, fósforo y cobre, se tendría entonces otro sólido heterogéneo.

El azufre resalta por su color amarillo; el carbón por ser un sólido negro; el fósforo es de color rojo; y el cobre brillante y metálico. Todos son sólidos, por lo tanto, el sistema consta de una fase pero con varios componentes. 

Asimismo, los gases pueden formar mezclas heterogéneas, en especial si tienen diferentes colores o densidades. Pueden arrastrar partículas muy pequeñas, como ocurre con las de agua dentro de las nubes. A medida que crecen de tamaño, absorben la luz visible y como resultado las nubes se tornan grisáceas.

Un ejemplo de un sistema heterogéneo sólido-gas es el humo, el cual se compone de partículas muy pequeñas de carbón. Por esta razón el humo de una combustión incompleta es de color negruzco.

Métodos de fraccionamiento

Las fases o los componentes de un sistema heterogéneo pueden separarse aprovechando las diferencias de sus propiedades físicas o químicas. De esta manera, se fracciona el sistema original hasta que solo queden fases homogéneas. Algunos de los métodos más cotidianos son los siguientes:

Filtración

Se utiliza para separar un sólido o precipitado de un líquido. Así, las dos fases logran separarse, aunque con cierto nivel de impureza. Por esta razón, generalmente el sólido se somete a lavados y posteriormente se seca en una estufa.

Este procedimiento puede bien realizarse aplicando vacío, o simplemente con la gravedad.

Decantación

También es útil para separar un sólido de un líquido. Se diferencia del anterior, en que el sólido por lo general tiene consistencia firme y está completamente depositado en el fondo del recipiente. Para ello, basta con inclinar la boca del recipiente en un ángulo adecuado para que el líquido fluya fuera de él.

Igualmente, la decantación permite separar dos líquidos, es decir, un sistema líquido-líquido. En este caso, se recurre a un embudo de decantación.

La mezcla se trasvasa al embudo, y el líquido con menor densidad se ubicará en la parte superior; mientras que el de mayor densidad, en la parte inferior, en contacto con la abertura de salida.

La imagen superior representa un embudo de separación o decantación. Este material de vidrio también se utiliza para realizar extracciones líquido-líquido; es decir, extraer del líquido inicial un soluto añadiendo otro líquido en el que sea aún más soluble.

Tamización

Se emplea para separar componentes sólidos de diferentes tamaños. Es muy común encontrar dentro de la cocina un tamiz o cedazo para limpiar los granos, purificar la harina de trigo, o remover residuos sólidos de jugos espesos. 

Imantación

Se utiliza para sistemas sólidos-sólidos, donde uno o más de los componentes son atraídos por un imán. Así, la fase heterogénea inicial se purifica a medida que el imán retira los elementos ferromagnéticos. Por ejemplo, la imantación se utiliza para separar de la basura la hojalata.

Centrifugación

Separa un sólido suspendido de un líquido. No se puede filtrar porque las partículas nadan ocupando uniformemente todo el volumen del líquido. Para separar ambas fases, se somete una cantidad de la mezcla heterogénea a una fuerza centrífuga, la cual sedimenta el sólido en el fondo del tubo de centrífuga.

Sublimación

La sublimación es aplicada únicamente para sólidos volátiles; es decir, para aquellos con una presión de vapor alta a bajas temperaturas.

Al calentar la mezcla heterogénea, el sólido volátil escapa a la fase gaseosa. Un ejemplo de su aplicación es la purificación de una muestra contaminada con yodo o cloruro de amonio.

Ejemplos de sistemas heterogéneos

– El granito, las piedras de un río, las montañas, o cualquier roca con vetas de numerosos colores.

– Los minerales están formados por varios tipos de estructuras sólidas compuestas por iones. Sus cualidades son producto de la interacción entre los iones de una estructura cristalina y las impurezas.

– Las bebidas gaseosas. En ellas hay un equilibrio líquido-gas, el cual al disminuir la presión externa, disminuye la solubilidad del gas disuelto; por esta razón, se observan muchas burbujas (soluto gaseoso) ascendiendo a la superficie del líquido cuando se destapan.

– Los catalizadores heterogéneos. Estos sólidos aportan sitios sobre su superficie o poros donde se acelera el contacto entre los reactivos, y no intervienen o sufren una transformación irreversible en la reacción.

– Una pared frisada, un muro de mosaicos, o el diseño arquitectónico de una edificación.

– Las gelatinas multicapas de muchos sabores.

– Un cubo de Rubik.