Sistema homogéneo: qué es, características, clasificación, ejemplos

¿Qué es un sistema homogéneo?

Un sistema homogéneo es el sistema que presenta las mismas propiedades en cualquiera de sus partes, sin que sea posible a simple vista separar sus componentes. El agua, un licuado o la masa de los pasteles es una mezcla homogénea.

Por eso se dice que tienen una sola fase. Una de las formas de saber si un sistema es homogéneo es mediante la observación: si en primera instancia no podemos saber de qué está compuesto algo y no se puede distinguir una parte de otra, entonces el sistema será homogéneo.

Características de un sistema homogéneo

– Debe poseer una sola fase material (líquida, sólida o gaseosa).

– Cuando se trata de una mezcla, sus componentes deben ser capaces de formar una sola fase uniforme. Este es el caso del café y el azúcar. Si en el fondo del vaso o la taza hay cristales de azúcar sin disolverse, estos constituyen una segunda fase.

– Sus propiedades intensivas (densidad, viscosidad, volumen molar, punto de ebullición, etc.) deben ser iguales en todos los puntos dentro del sistema. Esto aplica también para las propiedades organolépticas (sabor, color, olor, etc.). Así, una merengada de un único sabor es un sistema homogéneo siempre y cuando no tenga otro elemento (como frutas picadas).

– Los componentes de sus mezclas se ordenan en el espacio de manera homogénea y simétrica.

Clasificación

En química, las mezclas homogéneas se clasifican tres grandes grupos.

Soluciones

Las soluciones insaturadas son mezclas o sistemas homogéneos presentes no solo en la química sino en la vida diaria. El mar y los océanos son masas gigantescas de agua insaturada de sales. Las moléculas de solvente, generalmente en fase líquida, rodean a las de soluto y evitan que se agreguen para formar un sólido o una burbuja.

Casi todas las soluciones entran en esta clasificación. Los alcoholes impuros, los ácidos, las bases, una mezcla de solventes orgánicos, las soluciones indicadoras o de reactivos de metales de transición; todos contenidos en balones volumétricos o recipientes de vidrio o de plástico, clasifican como sistemas homogéneos.

Ante la menor formación de una segunda fase en alguna de esas soluciones, el sistema deja de ser homogéneo.

Sustancias puras

Arriba se escribió la frase “los alcoholes impuros”, refiriéndose a que usualmente están mezclados con agua. No obstante, los alcoholes puros, así como cualquier otro compuesto líquido, son sistemas homogéneos. Esto aplica no solo a los líquidos, sino también a los sólidos y gases.

Cuando se tiene en un sistema un solo tipo de partículas, se habla de una homogeneidad alta. Todas son iguales, y la única variación está en el modo en que vibran o se desplazan; pero, en relación con sus propiedades físicas o químicas, no existe una diferencia en ninguna parte del sistema.

Esto significa que un cubo de hierro puro es un sistema homogéneo porque solo posee átomos de hierro. Si se arrancara un fragmento de cualquiera de sus vértices, y se determinaran sus propiedades, se obtendrían los mismos resultados; es decir, se cumple con la homogeneidad de sus propiedades.

Si, por otro lado, el cubo de hierro tiene partes oxidadas (rojas) y partes metálicas (grisáceas), entonces es un sistema heterogéneo.

Reacciones homogéneas

Las reacciones homogéneas son quizás los sistemas homogéneos químicos más importantes. En ellas todos los reactivos se encuentran en una misma fase, especialmente la líquida o la gaseosa. Se caracterizan por haber un mayor contacto y colisiones moleculares entre los reactivos.

Como hay una sola fase, las partículas se desplazan con mayor libertad y velocidades. Por un lado, esto es un gran beneficio; pero por el otro, pueden formarse productos indeseados o algunos reactivos se mueven tan rápido que no colisionan de manera eficiente.

La reacción de los gases calientes con el oxígeno para originar fuego es un ejemplo emblemático de este tipo de reacciones.

Métodos de fraccionamiento

En principio, dada su uniformidad, no es posible separar los componentes de los sistemas homogéneos mediante métodos mecánicos; mucho menos si se trata de una sustancia o compuesto puro, de cuyos fraccionamientos se obtienen sus átomos elementales.

Por ejemplo, es más fácil (o rápido) separar los componentes de una pizza (sistema heterogéneo), que los de un café (sistema homogéneo).

En el primero basta con utilizar las manos para retirar los ingredientes; mientras que con el segundo, hará falta más que las manos para separar el café del agua.

Los métodos varían de acuerdo a la complejidad del sistema y sus fases materiales.

Evaporación

Consiste en el calentamiento de una solución hasta que el solvente se evapore por completo, dejando el soluto sedimentado. Por lo tanto, este método es aplicado a sistemas líquido-sólido homogéneos.

Por ejemplo, al disolver un pigmento en un recipiente con agua, al principio el sistema es heterogéneo, pues los cristales del pigmento todavía no se han difuminado por todo el volumen. Transcurrido un tiempo, toda el agua se torna de un mismo color, lo cual es indicativo de una homogeneización.

Para recuperar el pigmento agregado, se debe calentar todo el volumen de agua hasta que se evapore. Así, las moléculas de H₂O aumentan su energía cinética promedio gracias a la energía suministrada por el calor. Esto conlleva a que escapen a la fase gaseosa, dejando en el fondo (y en las paredes del recipiente) cristales del pigmento.

Lo mismo ocurre con el agua de mar, de la cual pueden extraerse sus sales como piedras blancas al calentarla.

Rotaevaporación

Este método hace posible la recuperación de solventes orgánicos mediante la aplicación de vacío. Es muy útil, en especial cuando se realizan extracciones de aceites o grasas de la materia orgánica.

De esta manera, el solvente puede volver a emplearse para realizar futuras extracciones. Estos experimentos son muy comunes en el estudio de aceites naturales obtenidos de cualquier materia orgánica (semillas, flores, cortezas de frutos, etc.).

Destilación

La destilación permite separar componentes de un sistema homogéneo líquido-líquido. Se basa en la diferencia de los puntos de ebullición de cada componente (ΔT_eb); mientras mayor sea la diferencia, más fácil será separarlos.

Requiere de una columna de enfriamiento que promueva la condensación del líquido más volátil, el cual luego fluirá hacia un balón recolector. El tipo de destilación varía dependiendo de los valores de ΔT_eb y de las sustancias involucradas.

Este método es muy empleado al momento de purificar mezclas homogéneas; como, por ejemplo, recuperar de una reacción homogénea un producto gaseoso. No obstante, también tiene aplicación para las mezclas heterogéneas, como ocurre en los procesos de refinación del crudo petrolero para la obtención de combustibles fósiles y otros productos.

Licuación

Los sistemas homogéneos gaseosos están compuestos por más de un tipo de moléculas o átomos gaseosos, los cuales difieren en sus estructuras moleculares, masas y radios atómicos.

Por lo tanto, tienen propiedades físicas propias y se comportan de distinto modo ante un aumento de la presión y descenso de la temperatura.

Cuando tanto T como P varían, algunos gases tienden a interaccionar con más fuerza que otros; con la fuerza suficiente como para condensar en una fase líquida. Si, por otro lado, todo el sistema condensa, entonces se recurre a la destilación de los componentes del condensado.

Si A y B son gases, mediante la licuación condensan en una mezcla homogénea, la cual luego se somete a destilación. De este modo, se obtiene A y B puros en distintos recipientes (tales como oxígeno y nitrógeno líquidos separados).

Ejemplos de sistemas homogéneos

Cotidianos

– Pasta dental blanca.

– Vinagre, alcohol comercial, detergentes líquidos.

– Plasma sanguíneo.

– Aire. 

– Bebidas alcohólicas sin hielo.

– Perfumes.

– Gelatinas, leche y miel. No obstante, microscópicamente son sistemas heterogéneos, a pesar de lucir una sola fase a simple vista.

– Cualquier objeto sólido con características uniformes visibles, como el color, el brillo, las dimensiones, etc. Por ejemplo, pepitas simétricas y metálicas, o bloques facetados de un mineral o sal. Los espejos también entran dentro del sistema homogéneo.

Químicos

– Acero y aleaciones metálicas. Sus átomos metálicos se disponen en un arreglo cristalino donde participa el enlace metálico. 

– Todas las soluciones preparadas dentro o fuera del laboratorio.

– Los hidrocarburos puros (butano, propano, ciclohexano, benceno, etc.).

– Todas las síntesis o producciones donde los reactivos o la materia prima estén en una sola fase.