Mezcla homogénea
Mezclar es la acción de tomar dos componentes distintos, dos fases , y juntarlos en un recipiente. La reunión de estos componentes puede ser accidental, o bien puede tener el objetivo de iniciar una reacción química (juntando los reactivos) o de tener un sistema que tenga las propiedades de los dos componentes tomados individualmente.
Hablamos de mezcla homogénea cuando los dos productos ya no se distinguen ( por ejemplo, leche con cacao, una vez bien mezclada, la leche es de color cacao, ya no se distingue el polvo).
Para algunos, hablar de “mezcla homogénea” es superfluo, un pleonasmo , ya que la palabra “mezcla” ya designa el encuentro de diferentes componentes en un todo inseparable desde cualquier punto de vista. Sin embargo, esta homogeneidad no es absoluta, sino que depende de los parámetros en los que estemos interesados. Por ejemplo, una mezcla puede parecer homogénea a simple vista, pero no para una máquina de análisis químico sensible; la homogeneidad puede ser o no satisfactoria dependiendo del propósito de la operación de mezclado o de la propia mezcla o también dependiendo de los parámetros de su almacenamiento o del tiempo antes de su uso.
La homogeneidad puede evaluarse mediante la uniformidad de las concentraciones en todos los puntos de la mezcla y la ausencia de estructuras o microestructuras detectables físicamente, por ejemplo visualmente. Así, una mezcla homogénea de líquidos se reconocerá por su transparencia, teniendo en cuenta, por supuesto, las de los líquidos mezclados.
Cuando no es posible considerar el sistema obtenido como monofásico para la aplicación en cuestión, se habla de “ mezcla heterogénea ”.
Debido a la proximidad de los componentes, una mezcla homogénea de reactivos es siempre más reactiva que una mezcla heterogénea: la reacción comienza más fácilmente, es más rápida, incluso puede ser violenta.
Secuencia de una mezcla
Los constituyentes de una mezcla son generalmente productos diferentes, pero pueden ser el mismo cuerpo en diferentes estados, por ejemplo:
- agua líquida cristalizada en agua;
- aguas a diferentes temperaturas;
- baja humedad aire-aire saturado de humedad.
Cuando tenemos dos productos diferentes, pueden diferir en:
- su composición química ;
- su estado ( gas , líquido , sólido ) y su temperatura;
- sus propiedades físicas ( elasticidad , ópticas , propiedades electromagnéticas , etc. ).
Cuando ponemos estos dos productos en contacto, pueden:
- permanecen en forma de dos productos “uno al lado del otro”, es decir, dos fases yuxtapuestas, hablamos de “ mezcla heterogénea ”, de “productos inmiscibles ”;
- mezclando para formar una fase homogénea, se habla entonces de “mezcla homogénea” y “productos miscibles”;
- reaccionan química o físicamente para formar una nueva fase única, u otras fases que pueden o no ser miscibles.
La obtención de una mezcla homogénea implica generalmente una fase de agitación, de “agitación”, para forzar el desplazamiento de los elementos de las dos fases iniciales y distribuirlos uniformemente. En el caso de una mezcla de polvos, también es posible pasar por una fase de trituración, para fraccionar los sólidos, pero esta trituración puede por el contrario provocar una aglomeración.
Condiciones de miscibilidad
Mezclas de gases
Dos gases, si no reaccionan fuertemente entre sí, son siempre miscibles, una mezcla de gases siempre es homogénea. Un ejemplo típico es contra la mezcla de amoníaco ( N H 3 ) y cloruro de hidrógeno ( H Cl , anhídrido de ácido clorhídrico ), que forma una niebla de cristales de cloruro de amonio (NH 4 Cl).
Excepto en el caso de una reacción química, es incluso el modelo de homogeneidad: las moléculas están unidas muy débilmente y el movimiento browniano ( difusión ) y todos los demás tipos de movimiento de la materia ( convección , corriente) son los más intensos en el ' estado gaseoso, asegurando el mantenimiento de la homogeneidad.
La mezcla no siempre es espontánea ni se retrasa prácticamente por diferencias de temperatura, gravedad y otros efectos físicos: en ausencia de agitación, un gas puede acumularse a nivel del suelo o por el contrario en grietas ubicadas más en altura; Los contaminantes gaseosos a veces se difunden solo lentamente en la atmósfera.
En presencia de un campo gravitatorio y si la altura del sistema considerada es importante, podemos tener una estratificación: la concentración del gas más denso es mayor en el fondo (el llamado gas “pesado”), y la concentración de el gas más denso , menos denso es más importante en la parte superior (el llamado gas "ligero").
Este efecto solo se puede ver con diferencias de altitud de varios cientos de metros. De hecho, la energía cinética de las moléculas de gas (3 · k · T , donde k es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta) es mucho mayor que la energía potencial de la gravedad ( m i · g · z , donde m i es la masa de una molécula, g es la aceleración de la gravedad yz es la altitud). La concentración de gas i C i ( z ) sigue una ley de Maxwell-Boltzmann
donde C i 0 es la concentración a la altitud de referencia ( z = 0). Se puede observar que la relación de proporciones C 1 / C 2 varía según
que varía muy lentamente en z .
Por otro lado, cuando la temperatura disminuye o la presión aumenta, puede haber condensación de uno de los gases ( rocío ); luego nos acercamos a una mezcla heterogénea llamada aerosol o neblina , y la mezcla se empobrece mucho en gas que se licua .
Mezclas de dos líquidos
La composición química y las propiedades físicas de dos líquidos determinan su miscibilidad.
Sus tensiones superficiales pueden evitar la homogeneización. Es posible intervenir revolviendo (revolviendo), pero el resultado es, en la mayoría de los casos, una emulsión que volverá a las fases iniciales con el tiempo. La emulsión asciende a fraccionar cada fase lo más finamente posible, pero los órdenes de magnitud de estos fraccionamientos están muy lejos de dimensiones moleculares o atómicas: la emulsión no es una mezcla muy homogénea y esto a menudo es visto por el ojo desnudo (. Vinagreta efecto ).
Las propiedades químicas de los líquidos presentes y sus parámetros físicos pueden evitar cualquier mezcla:
- por reactividad: síntesis de un compuesto sólido ( precipitación ) o gaseoso (riesgo de explosión);
- volatilización de un líquido cerca de su punto de ebullición si el otro líquido a alta temperatura o hay una reacción exotérmica;
- por incompatibilidad: líquido hidrofóbico y líquido hidrofílico : ejemplo de agua y aceite, siendo la solución en este caso recurrir a un tercero conciliando los otros dos como un jabón.
Mezclas líquido / sólido
Las propiedades del líquido y del sólido a veces permiten obtener homogeneidad al disolver el sólido, luego hay una sola fase denominada “ solución ”. Vea también los artículos Precipitado y Solvente .
Si el sólido no se disuelve, se puede obtener una cierta homogeneidad en la mezcla de un líquido y un sólido en polvo si la aplicación no es demasiado "cuidadosa". La viscosidad del líquido y su afinidad química por el cuerpo del polvo son los principales parámetros de estabilidad de la mezcla, además del tamaño de partícula .
El sólido también puede unir las moléculas del líquido; este es el caso, por ejemplo, del agua y la harina en la fabricación de masa en la cocina , del agua y del cemento en la fabricación de un mortero , del agua y del yeso en la fabricación del yeso . Entonces obtenemos lo que parece ser un fluido “pastoso” muy viscoso, pero que de hecho es un polvo (por lo tanto un sólido) cuyos granos están unidos por moléculas de agua. La cantidad de agua debe ser suficiente para hidratar todos los granos de polvo (no hacer grumos) y no excesiva para no sobrar; en estas condiciones, y si la mezcla está bien amasada, en realidad solo queda una fase (polvo hidratado).
Se dirá que la mezcla es "homogénea" si parece uniforme a la vista y a la mano (sin grumos, ya no se siente la granulosidad), pero observada con lupa, estará compuesta de granos separados.
Mezclas de sólidos
En el caso de los sólidos, la homogeneidad nunca es perfecta y depende de la finura del tamaño de partícula de los polvos. Entonces se intenta tener una distribución aleatoria de los granos de los dos componentes, teniendo que ser sustancialmente idéntico el tamaño de partícula para los dos polvos. La homogeneidad de la mezcla se puede caracterizar usando un coeficiente de variación que mide la variación relativa de una propiedad, generalmente la concentración de un componente en la mezcla.
Cuando pasamos por un paso de fusión, volvemos a la situación de mezclar líquidos. Al enfriar, puede ocurrir la solidificación de una sola fase o la solidificación de varias fases, ver el artículo Diagrama de fases . Cuando se forma una sola fase, no hablamos de mezcla homogénea sino de “ aleación homogénea”, o de “ solución sólida ”. Por lo tanto, la fusión no es estrictamente un método para mezclar sólidos.
Mezclas de sólido / gas y líquido / gas
A pesar de la naturaleza relativa del concepto de homogeneidad, siempre consideramos en física que estamos en presencia de una mezcla heterogénea .
Sin embargo, podemos esforzarnos por tener una distribución perfectamente aleatoria (y por lo tanto estadísticamente uniforme), pero hablamos más de uniformidad que de homogeneidad.
Temperatura de una mezcla
En el caso de una mezcla denominada "ideal" de dos líquidos (o dos gases) de temperatura T 1 y T 2 , se agrupa la energía térmica suministrada por cada uno de los líquidos. Por tanto, la temperatura final T puede calcularse mediante:
donde c i es la capacidad calorífica del líquido i . En algunos casos, las interacciones entre los dos líquidos “absorben” o por el contrario “generan” calor; por lo tanto, esta ley se vuelve falsa y la diferencia de calor se llama " entalpía de mezcla ".