Mescla

En química, una mescla o barreja és una substància formada per dos o més components de substàncies pures no combinats químicament de tal forma que no ocorre una reacció química i cadascun dels components manté la seva identitat i propietats químiques.^[1][2] Una barreja pot ser usualment separada en els seus components originals per mitjans físics: destil·lació, dissolució, separació magnètica, flotació, filtració, decantació o centrifugació.^[3] Els azeótropos són un tipus de mescla de líquids que en general requereix de complicats processos de separació per a obtenir els seus components.^[4] Si després de barrejar algunes substàncies, no es poden recuperar per mitjans físics, és perquè s'ha produït una reacció química i les substàncies han perdut la seva identitat, han format compostos nous. Un exemple de barreja és la sorra i/o amb llimadures de ferro, on a primera vista és clarament visible que la sorra i el ferro mantenen les seves propietats. El ferro pot separar-se fàcilment mitjançant un imant de la resta de la mescla. Tot i que no hi ha canvis químics, en una mescla les propietats físiques, com el punt de fusió, poden diferir respecte a la dels seus components.

Hi ha tres tipus diferents de mescles: mescles homogènies (també anomenades solucions), mescles heterogènies i dispersions col·loidals.^[5]

Mescles homogènies

L'aire és una mescla homogènia

Una mescla homogènia, a diferència d'un sistema heterogeni és aquell, els constituents del qual, no es poden distingir ni a simple vista ni amb un microscopi òptic, ja que presenta una distribució uniforme de les diferents partícules i qualsevol dels seus punts té la mateixa composició i propietats. Tota la mescla homogènia a més, presenta el mateix estat de la matèria.

Les solucions són un tipus molt freqüent de mescles homogènies, on un component minoritari (el solut) es dissol en un de majoritari (el dissolvent). Per exemple l'aigua carbònica amb gas, és una solució de diòxid de carboni (solut) en aigua (dissolvent).

Existeixen cinc tipus de barreges homogènies que són:^[6]

• Sòlid - sòlid (p. ex.: tots els aliatges, com ara el llautó).
• Líquid - sòlid (p. ex.: l'aigua de mar).
• Líquid - líquid (p. ex.: qualsevol beguda alcohòlica).
• Gas - líquid (p. ex: el salfumant).
• Gas - gas (p. ex.: l'aire).

Mescles heterogènies

El granit és una mescla heterogènia.

Una mescla heterogènia és una mescla formada per components visiblement diferents o de fases diferents i presenten una composició no uniforme, on se n'aprecien a simple vista els seus components, per exemple el granit. Es diu que les mescles heterogènies presenten fases (no s'han de confondre amb estats de les líquides, la fase aquosa i la fase oliosa, i es poden separar per decantació).

Dispersions col·loidals

La mantega és una dispersió col·loidal

Article principal: Col·loide

En general, una dispersió col·loidal és un tipus de mescla amb característiques d'una o dues fases, un tipus intermedi de mescla entre una l'homogènia i l'heterogènia amb propietats intermèdies entre ambdues. Un col·loide no sedimentarà si es deixa reposar. Una suspensió és un tipus de col·loide. Els col·loides mantenen partícules en suspensió en una fase dispersiva.

Tipus de dispersions col·loidals

Segons el medi dispersor (fase majoritària) i la fase dispersora (component minoritari) els col·loides es poden classificar de la següent manera:

• sol sòlid: sòlid i sòlid (p. ex.: el vidre colorat).
• gel (col·loide). Sòlid, líquid (p. ex.: la gelatina). Estat amb major cohesió que la fase Sol, però aquesta barreja no arriba a ser un estat solgut com per exemple la gelea.
• escuma sòlida: sòlid, gas (p. ex.: les escumes plàstiques).
• sol: líquid i sòlid (p. ex. el cacau en pols en llet).
• emulsió: líquid i líquid (p. ex.: la maionesa).
• escuma: líquid i gas (p. ex.: la nata batuda).
• aerosol: gas i sòlid (p. ex. els esprais de pintura).
• aerosol líquid: gas i líquid (p. ex. la boira).

Distinció entre tipus de mescla

Distingir entre mescles homogènies i heterogènies és una qüestió d'escala de mostreig. A una escala prou gruixuda, pot dir-se que qualsevol mescla és homogènia, si es permet que tot l'article compti com a «mostra» d'aquesta. A una escala prou fina, pot dir-se que qualsevol mescla és heterogènia, perquè una mostra pot ser tan petita com una sola molècula. En termes pràctics, si la propietat d'interès de la mescla és la mateixa independentment de la mostra de la mateixa que es prengui per a l'examen utilitzat, la mescla és homogènia.

La teoria del mostreig de Gy defineix quantitativament la heterogeneïtat d'una partícula com:^[7]

${\displaystyle h_{i}={\frac {(c_{i}-c_{\text{batch}})m_{i}}{c_{\text{batch}}m_{\text{aver}}}},}$

on ${\displaystyle h_{i}}$, ${\displaystyle c_{i}}$, ${\displaystyle c_{\text{batch}}}$, ${\displaystyle m_{i}}$, i ${\displaystyle m_{\text{aver}}}$ són respectivament: l'heterogeneïtat de la partícula ${\displaystyle i}$èsima de la població, la concentració de massa de la propietat d'interès en la partícula ${\displaystyle i}$èsima de la població, la concentració de la propietat d'interès en la població, la massa de la partícula ${\displaystyle i}$èsima en la població, i la massa mitjana de la partícula en la població.

Durant el mostreig de mescles heterogènies de partícules, la variància de l'error de mostreig és generalment distinta de zero.

Pierre Gy va derivar, a partir del model de mostreig de Poisson, la següent fórmula per a la variància de l'error de mostreig en la concentració de massa en una mostra:

${\displaystyle V={\frac {1}{(\sum _{i=1}^{N}q_{i}m_{i})^{2}}}\sum _{i=1}^{N}q_{i}(1-q_{i})m_{i}^{2}\left(a_{i}-{\frac {\sum _{j=1}^{N}q_{j}a_{j}m_{j}}{\sum _{j=1}^{N}q_{j}m_{j}}}\right)^{2},}$

on V és la variància de l'error de mostreig, N és el nombre de partícules en la població (abans de prendre la mostra), q _i és la probabilitat d'incloure la partícula ièsima de la població en la mostra (o sigui la probabilitat d'inclusió de primer ordre de la partícula ièsima), m _i és la massa de la partícula ièsima en la població i a _i és la concentració de massa de la propietat d'interès en la partícula ièsima de la població.

L'equació indicada prèviament per a la variància de l'error de mostreig és una aproximació basada en una linealització de la concentració de massa en una mostra.

En la teoria de Gy, el mostreig correcte es defineix com un escenari de mostreig en el qual totes les partícules tenen la mateixa probabilitat de ser incloses en la mostra. Això implica que q _i ja no depèn de i, i per tant pot ser reemplaçada pel símbol q. L'equació de Gy per a la variància de l'error de mostreig llavors resulta ser:

${\displaystyle V={\frac {1-q}{qM_{\text{batch}}^{2}}}\sum _{i=1}^{N}m_{i}^{2}\left(a_{i}-a_{\text{batch}}\right)^{2},}$

on a_batch és la concentració de la propietat d'interès en la població de la qual s'extreu la mostra i M_batch és la massa de la població de la qual s'extraurà la mostra.

Fisicoquímica

Termodinámicamente, es pot distingir entre mescles ideals i reals.^[8] En les mescles ideals, les substàncies pures contingudes es comporten de tal manera que no hi ha diferència entre les seves fraccions màssiques i les seves activitats termodinàmiques. En aquest cas, les propietats de la mescla poden predir-se a partir de les fraccions màssiques. En les mescles reals, les fraccions màssiques dels components són diferents de les activitats dels components. Les propietats de la mescla només poden predir-se amb precisió mitjançant les activitats, però no mitjançant les fraccions màssiques.

Les mescles poden experimentar transicions de fase, per la qual cosa el comportament de fase de les mescles pot representar-se mitjançant diagrames de fase. Sovint, les mescles sòlides i líquides poden adoptar tant estats termodinàmics, en els quals són homogènies, com a estats termodinàmics, en els quals són heterogènies i existeixen en forma de fases coexistents en equilibri. A més de la composició de la mescla, un estat termodinàmic es caracteritza per una determinada pressió, una determinada temperatura i un determinat volum de la mescla. Una mescla homogènia assumeix un estat en el seu espai d'estat termodinàmic en el qual es presenta com una fase mixta homogènia. La mescla homogènia pot convertir-se en mescla heterogènia mitjançant desmescla. Un canvi d'estat, com un canvi de temperatura o de pressió, la transfereix a una regió del seu espai d'estats en la qual té una bretxa de miscibilitat. Al revés, les fases coexistents poden tornar a convertir-se en una fase mixta homogènia mitjançant el corresponent canvi d'estat. A més, moltes mescles homogènies poden convertir-se en altres estats agregats mitjançant transicions de fase. Això sol implicar el pas per una regió de coexistència en la qual coexisteixen una fase de l'estat agregat inicial i una fase de l'estat agregat recentment format, que difereixen en la seva composició material. Les excepcions són els azeòtrops i els eutèctics.

Exemples de mescles

Tal com es va indicar prèviament les mescles poden ser homogènies o heterogènies. Una mescla homogènia és un tipus de mescla en la qual no es distingeixen els seus components i en la qual la composició és uniforme i cada part de la solució posseeix les mateixes propietats. Una mescla heterogènia és un tipus de mescla en la qual és possible observar els components, com l'aigua i l'oli o els llums de lava. L'aire és un exemple d'una mescla homogènia de les substàncies gasoses: nitrogen, oxigen i quantitats menors d'altres substàncies (si és que no conté pols en suspensió, per exemple aire filtrat). La sal, el sucre, i nombroses substàncies es dissolen en aigua formant mescles homogènies.

La taula a continuació mostra les principals propietats de les tres famílies de mescles.

	Solució	Col·loide	Dispersió gruixuda
Homogeneïtat de la mescla	Homogènia	Homogènia a la vista però heterogènia sota un microscopi	Heterogènia
Grandària de la partícula	< 1 nanòmetre	entre 1 nanòmetre i 1 micròmetre	> 1 micròmetre
Estabilitat física	Sí	Sí	No: precisa d'agents estabilitzants
Efecte Tyndall	No	Sí	Sí que
Se separa per centrifugació	No	Sí	Sí que
Se separa per decantació	No	No	Sí

La següent taula presenta exemples d'aquests tres tipus de mescles.

Fase dissolta o dispersa	Mig continu	Solució	Col·loide	Dispersió gruixuda
Gas	Gas	barreja de gasos: aire (oxigen i altres gasos en nitrogen)	Cap	Cap
Líquid	Gas	Cap	Aerosols de partícules líquides:[9] boira, boira, vapor, aerosol per al cabell	Aerosol
Sòlid	Gas	Cap	Aerosols de partícules sòlides:[9] fum, núvol, partícules a l'aire	Aerosol sòlid: pols
Gas	Líquid	Solució: oxigen en aigua	Escuma líquida: crema batuda, crema d'afaitar	Escuma
Líquid	Líquid	Solució: begudes alcohòliques	Emulsió: miniemulsió, microemulsió	Emulsió: llet, maionesa, crema per a les mans
Sòlid	Líquid	Solució: sucre en aigua	Líquid sol: negra amb pigments, sang	Suspensió: partícules de fang (terra, argila o llim suspeses en aigua), pols de guix suspès en aigua
Gas	Sòlid	Solució: hidrogen en metalls	Escuma sòlida: aerogel, poliestirè extrudit, pedra tosca	Escuma: esponja seca
Líquid	Sòlid	Solució: amalgama (mercuri en or), hexà en cera parafina	Gel: agar-agar, gelatina, silicagel, òpal	Esponja mullada
Sòlid	Sòlid	Solució: aliatges, plastificants en plàstics	Sol sòlid: vidre robí or	Grava, granit

Vegeu també

• Suspensió (mescla)
• Mètode de separació
• Líquid binari