¿Por qué la química necesita el concepto de sistema?
En química, cualquier objeto de estudio —ya sea un tejido biológico, un matraz con reactivos o una mezcla de sustancias— se considera un sistema. El criterio principal de un sistema es que debe constar de una cantidad gigantesca de unidades estructurales. Las moléculas o átomos individuales no se consideran sistemas.
La diferencia entre el nivel micro y macro es colosal. Consideremos la reacción clásica del hidrógeno con el cloro ($H_2 + Cl_2$).
- A nivel de sistema (en una mezcla de gases): podemos predecir con total certeza que el resultado de la reacción será la formación de cloruro de hidrógeno ($HCl$). Esta es una regularidad estadística.
- A nivel micro (en el vacío): si se hace colisionar a solo dos moléculas, el resultado es impredecible. Simplemente pueden rebotar entre sí, descomponerse en átomos individuales o reaccionar.
Es por esto que todas las predicciones y cálculos químicos son aplicables exclusivamente a los sistemas.
Sistemas homogéneos y heterogéneos
Los sistemas químicos se suelen dividir en dos grandes clases según su uniformidad:
- Sistemas homogéneos. En ellos, la composición y las propiedades físico-químicas son absolutamente idénticas en cualquier punto del volumen, por pequeño que sea. Aquí no existen superficies que separen una parte del sistema de otra.
- Sistemas heterogéneos. Consisten en varias fases: partes que difieren entre sí en composición o propiedades. Entre estas fases siempre existe una superficie de separación física.
Un claro ejemplo de sistema heterogéneo es un vaso con una solución acuosa de cloruro de sodio en el que flotan cubos de hielo. En este caso tenemos dos fases bien definidas (la solución líquida y el hielo sólido) entre las cuales existe un límite visible.
Soluciones verdaderas y sus componentes
Un lugar especial entre los sistemas químicos lo ocupan las soluciones verdaderas. Son sistemas exclusivamente homogéneos que se forman como resultado de la división espontánea de una sustancia en sus unidades estructurales más pequeñas: iones, átomos o moléculas.
Cualquier solución consta al menos de dos componentes:
- Disolvente: la sustancia que actúa como medio.
- Soluto: lo que está distribuido en dicho medio.
Es importante recordar que las soluciones no solo pueden encontrarse en estado de agregación líquido, sino también sólido (por ejemplo, aleaciones metálicas). Sin embargo, las mezclas de gases se excluyen de esta categoría. Las distancias entre las moléculas en los gases son tan grandes que prácticamente no interactúan entre sí. El papel del medio en un gas lo desempeña el espacio vacío, no un disolvente.
Dispersiones heterogéneas
Si la sustancia en el sistema no está distribuida en forma de moléculas o iones individuales, sino en formaciones más grandes (gotas, granos de arena, polvo), dicho sistema no es una solución verdadera.
Estos sistemas heterogéneos incluyen:
- Suspensión (partículas sólidas en un líquido);
- Emulsiones (líquido en líquido);
- Soluciones coloidales.
Debido a esto, surge una confusión terminológica. Por ejemplo, la mezcla de construcción de cemento, arena y agua se denomina coloquialmente «solución». Sin embargo, desde el punto de vista de la química, es una suspensión heterogénea clásica, ya que no es homogénea ni está disgregada a nivel molecular.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Cuáles son los principales signos de una fase en un sistema heterogéneo?
Los signos principales de una fase en un sistema heterogéneo son la presencia de una composición y/o propiedades diferentes a las de otras partes, así como la presencia de una superficie de separación física.
- Composición y propiedades diferentes: la fase representa una parte del sistema que difiere en estas características.
- Superficie de separación: entre las fases existe obligatoriamente un límite físico (superficie de contacto entre las sustancias).
Por ejemplo, en un sistema disperso heterogéneo siempre existe un límite de separación entre la fase dispersa y el medio dispersante.
Los sistemas homogéneos son «lisos» (como el jarabe, todo es igual, no hay límites). Los heterogéneos son «de límites» (hay superficies de separación, como en el té con una rodaja de limón flotando).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué no se aplican las leyes de la química a moléculas individuales?
Porque el comportamiento de una sola molécula tiene un carácter aleatorio. Las leyes químicas se basan en la estadística de un número enorme de partículas, donde las aleatoriedades se suavizan y se convierten en un pronóstico fiable.
¿Es el aire una solución?
No. En las mezclas de gases, las distancias entre las partículas multiplican por mucho sus tamaños y no existe una interacción sustancial. El medio actúa como un espacio vacío.
¿Cuál es la diferencia principal entre una solución verdadera y una coloidal?
En una solución verdadera, la sustancia está disgregada hasta átomos o moléculas y el sistema es completamente homogéneo. En las soluciones coloidales, las partículas son más grandes y el sistema es heterogéneo.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismos de división espontánea de sustancias en soluciones
- Diferencias entre soluciones coloidales, emulsiones y suspensiones
- Soluciones sólidas: especificidad y ejemplos
- Fiabilidad estadística de los procesos químicos
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