Mezcla

En química , una mezcla es un material formado por dos o más sustancias químicas diferentes que pueden separarse por métodos físicos. Es una sustancia impura formada por 2 o más elementos o compuestos mezclados mecánicamente entre sí en cualquier proporción. ^[1] Una mezcla es la combinación física de dos o más sustancias en las que se conservan las identidades y se mezclan en forma de soluciones , suspensiones o coloides . ^{[2] [3]}

Las mezclas son un producto de la combinación o mezcla mecánica de sustancias químicas, como elementos y compuestos , sin enlaces químicos ni otros cambios químicos, de modo que cada sustancia ingrediente conserva sus propias propiedades químicas y composición. ^[4] A pesar de que no hay cambios químicos en sus constituyentes, las propiedades físicas de una mezcla, como su punto de fusión , pueden diferir de las de los componentes. Algunas mezclas se pueden separar en sus componentes mediante el uso de medios físicos (mecánicos o térmicos). Los azeótropos son un tipo de mezcla que generalmente plantea dificultades considerables en relación con los procesos de separación necesarios para obtener sus constituyentes (procesos físicos o químicos o, incluso, una mezcla de ellos). ^{[5] [6] [7]}

Todas las mezclas pueden caracterizarse como separables por medios mecánicos (por ejemplo, purificación, destilación , electrólisis , cromatografía , calor , filtración , clasificación gravitacional , centrifugación ). ^{[8] [9]} Las mezclas se diferencian de los compuestos químicos de las siguientes maneras:

• Las sustancias de una mezcla se pueden separar mediante métodos físicos como la filtración, la congelación y la destilación.
• Hay poco o ningún cambio de energía cuando se forma una mezcla (ver Entalpía de mezcla ).
• Las sustancias de una mezcla mantienen sus propiedades separadas.

En el ejemplo de la arena y el agua, ninguna de las dos sustancias ha cambiado de ninguna manera al mezclarse. Aunque la arena se encuentra en el agua, sigue manteniendo las mismas propiedades que tenía cuando estaba fuera del agua.

• Las mezclas tienen composiciones variables, mientras que los compuestos tienen una fórmula fija y definida.
• Cuando se mezclan, las sustancias individuales mantienen sus propiedades en una mezcla, mientras que si forman un compuesto sus propiedades pueden cambiar. ^[10]

La siguiente tabla muestra las principales propiedades y ejemplos para todas las posibles combinaciones de fases de las tres "familias" de mezclas:

Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas : una mezcla de composición uniforme y en la que todos los componentes están en la misma fase, como la sal en el agua, se llama homogénea, mientras que una mezcla de composición no uniforme y cuyos componentes se pueden identificar fácilmente, como la arena en el agua, se llama heterogénea.

Además, " mezcla uniforme " es otro término para una mezcla homogénea y " mezcla no uniforme " es otro término para una mezcla heterogénea . Estos términos se derivan de la idea de que una mezcla homogénea tiene una apariencia uniforme , o solo una fase visible , porque las partículas están distribuidas uniformemente. Sin embargo, una mezcla heterogénea tiene una composición no uniforme , y sus sustancias constituyentes se distinguen fácilmente entre sí (a menudo, pero no siempre, en diferentes fases).

Varias sustancias sólidas, como la sal y el azúcar , se disuelven en agua para formar un tipo especial de mezcla homogénea llamada solución , en la que hay tanto un soluto (sustancia disuelta) como un disolvente (medio de disolución). El aire también es un ejemplo de solución: una mezcla homogénea de nitrógeno gaseoso como disolvente, en la que se disuelven oxígeno y cantidades más pequeñas de otros solutos gaseosos. Las mezclas no están limitadas ni en el número de sustancias ni en las cantidades de esas sustancias, aunque en una mezcla homogénea la proporción de soluto a disolvente solo puede alcanzar un cierto punto antes de que la mezcla se separe y se vuelva heterogénea.

Una mezcla homogénea se caracteriza por la dispersión uniforme de sus sustancias constituyentes en toda su extensión; las sustancias existen en igual proporción en todas partes dentro de la mezcla. En otras palabras, una mezcla homogénea será la misma sin importar de qué parte de la mezcla se tome la muestra. Por ejemplo, si una solución sólido-líquido se divide en dos mitades de igual volumen , las mitades contendrán cantidades iguales tanto del medio líquido como del sólido disuelto (disolvente y soluto).

En química física y ciencia de los materiales , "homogéneo" describe de manera más específica las sustancias y mezclas que se encuentran en una sola fase . ^[12]

Una solución es un tipo especial de mezcla homogénea donde la proporción de soluto a solvente permanece igual en toda la solución y las partículas no son visibles a simple vista, incluso si se homogeneizan con múltiples fuentes. En las soluciones, los solutos no se sedimentan después de un período de tiempo y no se pueden eliminar mediante métodos físicos, como un filtro o una centrífuga . ^[13] Como mezcla homogénea, una solución tiene una fase (sólida, líquida o gaseosa), aunque la fase del soluto y el solvente pueden haber sido inicialmente diferentes (por ejemplo, agua salada).

Los gases presentan, con diferencia, el mayor espacio (y, en consecuencia, las fuerzas intermoleculares más débiles) entre sus átomos o moléculas; dado que las interacciones intermoleculares son minúsculas en comparación con las de los líquidos y los sólidos, los gases diluidos forman soluciones entre sí con mucha facilidad. El aire es un ejemplo de ello: puede describirse más específicamente como una solución gaseosa de oxígeno y otros gases disueltos en nitrógeno (su componente principal).

Las propiedades básicas de las soluciones se describen a continuación: ^{[ cita requerida ]}

• Todas las soluciones son ejemplos de mezcla homogénea.
• Las partículas de una mezcla homogénea tienen un tamaño inferior a un nanómetro.
• Una mezcla homogénea no muestra efecto Tyndall.
• Los componentes de una mezcla homogénea no pueden separarse mediante centrifugación o decantación.

Ejemplos de mezclas heterogéneas son las emulsiones y las espumas . En la mayoría de los casos, la mezcla consta de dos constituyentes principales. Para una emulsión, estos son fluidos inmiscibles como agua y aceite. Para una espuma, estos son un sólido y un fluido, o un líquido y un gas. A escalas mayores, ambos constituyentes están presentes en cualquier región de la mezcla, y en una mezcla bien mezclada en la misma concentración o solo en concentraciones ligeramente variables. Sin embargo, a escala microscópica, uno de los constituyentes está ausente en casi cualquier región suficientemente pequeña. (Si tal ausencia es común en escalas macroscópicas, la combinación de los constituyentes es un medio disperso , no una mezcla). Se pueden distinguir diferentes características de las mezclas heterogéneas por la presencia o ausencia de percolación continua de sus constituyentes. Para una espuma, se hace una distinción entre espuma reticulada en la que un constituyente forma una red conectada a través de la cual el otro puede percolar libremente, o una espuma de celdas cerradas en la que un constituyente está presente como atrapado en pequeñas celdas cuyas paredes están formadas por los otros constituyentes. Una distinción similar es posible para las emulsiones. En muchas emulsiones, un constituyente está presente en forma de regiones aisladas de forma típicamente globular, dispersas en el otro constituyente. Sin embargo, también es posible que cada constituyente forme una red grande y conectada. Una mezcla de este tipo se denomina entonces bicontinua . ^[14]

La distinción entre mezclas homogéneas y heterogéneas es una cuestión de escala de muestreo. En una escala bastante general, se puede decir que cualquier mezcla es homogénea, si se permite que el artículo completo cuente como una "muestra" de ella. En una escala bastante específica, se puede decir que cualquier mezcla es heterogénea, porque una muestra puede ser tan pequeña como una sola molécula. En términos prácticos, si la propiedad de interés de la mezcla es la misma independientemente de qué muestra se tome para el examen, la mezcla es homogénea.

La teoría de muestreo de Gy define cuantitativamente la heterogeneidad de una partícula como: ^[15]

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

donde , , , , y son respectivamente: la heterogeneidad de la partícula n de la población, la concentración de masa de la propiedad de interés en la partícula n de la población, la concentración de masa de la propiedad de interés en la población, la masa de la partícula n en la población y la masa promedio de una partícula en la población.$estilo de visualización h_{i}}$$Estilo de visualización c_{i}}$${\displaystyle c_{\text{lote}}}$$Estilo de visualización m_{i}}$${\displaystyle m_{\text{aver}}}$${\estilo de visualización i}$${\estilo de visualización i}$${\estilo de visualización i}$

Durante el muestreo de mezclas heterogéneas de partículas, la varianza del error de muestreo generalmente no es cero.

Pierre Gy derivó, a partir del modelo de muestreo de Poisson, la siguiente fórmula para la varianza del error de muestreo en la concentración de masa en una muestra:

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

en donde V es la varianza del error de muestreo, N es el número de partículas en la población (antes de que se tomara la muestra), q _i es la probabilidad de incluir la i- ésima partícula de la población en la muestra (es decir, la probabilidad de inclusión de primer orden de la i- ésima partícula), m _i es la masa de la i- ésima partícula de la población y a _i es la concentración de masa de la propiedad de interés en la i -ésima partícula de la población.   

La ecuación anterior para la varianza del error de muestreo es una aproximación basada en una linealización de la concentración de masa en una muestra.

En la teoría de Gy, el muestreo correcto se define como un escenario de muestreo en el que todas las partículas tienen la misma probabilidad de ser incluidas en la muestra. Esto implica que q _i ya no depende de  i y, por lo tanto, puede reemplazarse por el símbolo  q . La ecuación de Gy para la varianza del error de muestreo se convierte en: 

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

donde un _lote es la concentración de la propiedad de interés en la población de la que se extraerá la muestra y M _lote es la masa de la población de la que se extraerá la muestra.

Las investigaciones sobre la contaminación del aire ^{[16] [17]} muestran que los efectos biológicos y sobre la salud después de la exposición a mezclas son más potentes que los efectos de la exposición a componentes individuales. ^[18]

• Sustancia química
• Mezcla (ingeniería de procesos)

• IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª edición (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "mixture". doi :10.1351/goldbook.M03949