Układy homogeniczne, heterogeniczne i emulsje

Wiele substancji spotykanych w życiu codziennym nie jest chemicznie czystych, lecz tworzy mieszaniny. Mieszanina zawiera co najmniej dwa składniki, które zwykle zachowują swoje właściwości chemiczne. Można je często rozdzielić metodami fizycznymi, bez przeprowadzania reakcji chemicznej.

O rodzaju układu decyduje przede wszystkim jego jednorodność, czyli to, czy skład i właściwości są takie same w całej objętości. W chemii wyróżnia się układy homogeniczne i heterogeniczne. Do opisu układów niejednorodnych potrzebne jest pojęcie fazy.

Układ homogeniczny jest jednorodny: w każdej jego części skład jest taki sam. Nie można w nim rozróżnić składników ani wyodrębnić granic między nimi. Układ taki tworzy jedną fazę.

Najważniejszym przykładem jest roztwór właściwy. Powstaje on wtedy, gdy substancja rozpuszczona zostaje równomiernie rozmieszczona w rozpuszczalniku na poziomie cząsteczek lub jonów. Przykładami są wodny roztwór soli kuchennej, cukru albo mieszanina etanolu z wodą.

Jednorodność nie oznacza, że układ zawiera tylko jedną substancję. Roztwór soli w wodzie zawiera wodę i chlorek sodu, ale po całkowitym rozpuszczeniu ma jednolity wygląd i skład w całej objętości.

Układ heterogeniczny jest niejednorodny. Można w nim wyróżnić przynajmniej dwie fazy, czyli jednorodne części oddzielone powierzchnią rozdziału faz. Fazy mogą różnić się stanem skupienia, składem albo oboma tymi cechami.

Mieszanina wody i piasku ma dwie fazy: ciekłą wodę oraz stały piasek. Podobnie lód pływający w wodzie tworzy układ dwufazowy, mimo że obie fazy są zbudowane z tej samej substancji, czyli wody.

Częstym układem heterogenicznym jest zawiesina. Są w niej rozproszone nierozpuszczone cząstki stałe, na przykład kreda lub piasek w wodzie. Po pozostawieniu zawiesiny w spokoju cząstki mogą opadać, tworząc osad. Ciecz znad osadu można następnie ostrożnie zlać, stosując dekantację.

Emulsja jest układem heterogenicznym utworzonym przez dwie ciecze, które wzajemnie się nie mieszają. Jedna z nich występuje jako drobne kropelki w drugiej. Ciecz tworząca kropelki to faza rozproszona, a ciecz otaczająca te kropelki to ośrodek rozpraszający.

Klasycznym przykładem jest olej rozproszony w wodzie. Bezpośrednio po energicznym wstrząśnięciu mieszanina może wyglądać dość jednolicie, ale nie staje się przez to roztworem właściwym. Po pewnym czasie krople oleju łączą się i układ może rozdzielić się na warstwy.

Emulsjami są między innymi mleko, majonez, wiele kremów kosmetycznych, balsamów i niektóre farby. Ich właściwości zależą od wielkości kropelek oraz trwałości rozproszenia.

Ciecze takie jak woda i olej mają odmienne właściwości, dlatego samodzielnie tworzą nietrwałe układy. Aby uzyskać trwalszą emulsję, stosuje się emulgatory. Są to substancje, które ułatwiają rozproszenie jednej cieczy w drugiej oraz ograniczają łączenie się kropelek.

W majonezie rolę emulgatora pełni między innymi lecytyna obecna w żółtku jaja. Dzięki niej krople oleju mogą utrzymywać się w wodnej części mieszaniny przez dłuższy czas. Emulgatory wykorzystuje się w przemyśle spożywczym, kosmetycznym, farmaceutycznym i przy produkcji detergentów.

Trwałość emulsji nie oznacza, że jest ona roztworem jednorodnym. Nawet stabilna emulsja nadal składa się z dwóch niemieszających się cieczy i jest klasyfikowana jako układ heterogeniczny.

W zadaniach warto najpierw ustalić, czy składniki mieszają się całkowicie. Jeśli po zmieszaniu tworzą jedną fazę i nie można wskazać granic między składnikami, jest to układ homogeniczny. Jeżeli widoczne są warstwy, osad, nierozpuszczone cząstki albo kropelki jednej cieczy w drugiej, układ jest heterogeniczny.

Woda z rozpuszczonym cukrem jest roztworem właściwym. Woda z piaskiem to zawiesina. Woda i olej tworzą układ dwufazowy, a po silnym wymieszaniu mogą chwilowo utworzyć emulsję. Jeśli w takim układzie pojawią się wyraźne warstwy, można wykorzystać dekantację lub rozdzielacz do oddzielenia niemieszających się cieczy.

Nie należy utożsamiać wyglądu mieszaniny tuż po wymieszaniu z jej rzeczywistą klasyfikacją. Drobne krople w emulsji mogą utrudniać dostrzeżenie faz, ale nie zmieniają niejednorodnego charakteru układu.