As misturas e as soluções

A maior parte dos materiais não é formada por elementos ou compostos puros. Por essa razão, elas não são substâncias no sentido técnico do termo: elas são misturas de várias substâncias. Assim, o ar, o sangue e a água do mar são misturas. Medicamentos, como os xaropes contra a tosse, são misturas de vários ingredientes, ajustados para conseguir um melhor efeito biológico.

As misturas homogêneas e heterogêneas

Um composto tem composição fixa, porém as misturas podem ter qualquer composição desejada. Existem sempre dois átomos de $\ce{H}$ para cada átomo de $\ce{O}$ em uma amostra de água, mas açúcar e areia, por exemplo, podem ser misturados em diferentes proporções. Como os componentes de uma mistura são meramente mesclados, eles retêm suas propriedades químicas na mistura. Por outro lado, um composto tem propriedades químicas que diferem das de seus componentes.

• Em uma misturas heterogênea, as partículas que as compõem são tão grandes que é possível reconhecê-las com a ajuda de um microscópio óptico ou mesmo a olho nu.
• Em uma mistura homogênea, as substâncias componentes estão tão bem dispersas que a composição é a mesma em toda a amostra, independentemente do seu tamanho.

Uma solução é uma mistura homogênea com uma substância dominante: o solvente. As demais substâncias presentes são denominadas solutos. A água do mar filtrada é uma solução de sal (cloreto de sódio) e muitas outras substâncias em água. Existem, também, soluções sólidas, nas quais o solvente é um sólido. Um exemplo é o bronze, que é uma solução de cobre em zinco. Embora uma solução pareça ter composição uniforme, seus componentes retêm suas identidades. A formação de uma solução é um processo físico, não um processo químico. Na prática, as misturas gasosas não são consideradas soluções, ainda que um gás possa ser a substância dominante (como o nitrogênio na atmosfera).

As bebidas e a água do mar são exemplos de soluções aquosas, soluções em que o solvente é a água. As soluções em água são muito comuns no nosso dia a dia e na rotina dos laboratórios e, por isso, a maior parte das soluções mencionadas neste texto são em água. As soluções não aquosas são as soluções em que o solvente não é a água. Embora sejam menos comuns do que as soluções em água, elas têm importantes aplicações. Na lavagem a seco, por exemplo, a gordura e a sujeira depositadas sobre os tecidos são dissolvidas em um solvente líquido não aquoso, como o tetracloroeteno, $\ce{C2Cl4}$.

A separação de misturas

O petróleo bruto é uma mistura de muitos compostos, que precisam ser separados nos componentes de combustíveis e em substâncias usadas como matéria-prima na indústria química. Para analisar a composição de qualquer amostra que é supostamente uma mistura, é preciso separar seus componentes por métodos físicos e identificar cada substância presente. As técnicas físicas comuns de separação são a decantação, a filtração, a cromatografia e a destilação.

Figura 2D.1.1

As separações por criação de fase

Os métodos mais comuns de separação de misturas aproveitam as diferenças nas propriedades físicas das substâncias para separá-las. A criação de uma nova fase pode ser feita por adição ou remoção de calor. Essa nova fase terá uma composição diferente da mistura original.

• A destilação usa as diferenças de pontos de ebulição para separar as misturas. Na destilação, os componentes de uma mistura vaporizam-se em temperaturas diferentes e condensam-se em um tubo resfriado chamado de condensador. A técnica pode ser usada para remover água do sal comum (cloreto de sódio), que só se funde em $\pu{801 \degree C}$. O sal permanece sólido quando a água evapora.
• A cristalização é o processo em que um soluto lentamente se converte em cristais, às vezes por evaporação do solvente. Isso acontece, por exemplo, com os cristais de sal que se formam quando a água evapora nas salinas.

As separações por adição de fase

Os componentes de uma mistura podem ser separados explorando a diferença de afinidade que eles apresentam com um agente externo. Esse agente pode ser um solvente, ou uma superfície capaz de adsorver os componentes da mistura. A diferença na interação com a fase adicionada permite que as diferentes substâncias da mistura sejam separadas

• A extração usa um líquido com capacidade de retirar um componente de uma mistura. Por exemplo, quando água contaminada com bromo é agitada com clorofórmio e o conjunto é deixado em repouso, formam-se duas camadas líquidas: a inferior contém bromo dissolvido em clorofórmio e a superior contém água praticamente sem bromo. Dizemos então que o clorofórmio extraiu o bromo da água.
• A cromatografia, uma das técnicas mais sensíveis de separação de misturas, usa a capacidade diferente das substâncias de adsorver-se, ou grudar-se, nas superfícies.

As separações mecânicas

As técnicas mecânicas de separação de misturas se baseiam nas diferenças de propriedades mecânicas dos seus componentes, como tamanho e densidade. Esses métodos aproveitam as diferenças na forma como os componentes se comportam em relação a essas propriedades para separá-los.

• A decantação aproveita a diferença de densidades. Um líquido que flutua sobre outro líquido ou está acima de um sólido pode ser decantado.
• A filtração é usada para separar substâncias quando existem diferenças de solubilidade (a capacidade de se dissolver em um dado solvente). Agita-se a amostra com o solvente que, então, passa por um filtro fino. Os componentes da mistura que são solúveis se dissolvem no líquido e passam pelo filtro, mas os componentes insolúveis ficam retidos. A técnica pode ser usada para separar açúcar de areia, porque o açúcar é solúvel em água e a areia, não.

Os coloides

Um coloide é uma dispersão de partículas pequenas (de $\pu{1 mm}$ a $\pu{1 um}$ de diâmetro) em um solvente. As partículas coloidais são muito maiores do que a maior parte das moléculas, mas são muito pequenas para serem vistas nos microscópios ópticos. Como resultado, as propriedades dos coloides estão entre as das soluções e as das misturas heterogêneas. As partículas pequenas dão ao coloide um aspecto homogêneo, mas são grandes o suficiente para espalhar a luz. O espalhamento de luz explica por que o leite é branco e não transparente, e por que a luz das lanternas e os feixes de laser são mais visíveis nos nevoeiros, na fumaça e nas nuvens do que em ar claro e seco. O espalhamento da luz por coloides é conhecido como efeito Tyndall. Muitos alimentos são coloides, como também o são as partículas de poeira, a fumaça e os fluidos de células vivas.

A classificação dos coloides

Os coloides são classificados de acordo com as fases de seus componentes (Tab. 2D.1.1).

• Um sol é uma dispersão de um sólido num líquido (por exemplo, de aglomerados de átomos de ouro em água) ou de um sólido num sólido (por exemplo, o vidro rubi, que é um sol de ouro no vidro, e cuja cor é fruto do espalhamento da luz).
• Um aerossol é uma dispersão de um líquido num gás (como muitos sprays) ou de um sólido num gás (por exemplo, fumaça). Nesses casos as partículas são frequentemente suficientemente grandes para serem vistas com um microscópio.
• Uma emulsão é uma dispersão de um líquido num líquido (por exemplo, o leite). Uma espuma é uma suspensão de um gás em um líquido ou em um sólido.

Os coloides liofílicos e liofóbicos

Os coloides em água podem ser classificados como hidrofílicos ou hidrofóbicos, dependendo da força das interações entre a substância em suspensão e a água. Suspensões de gordura em água (como o leite) e água em gordura (como a maionese e as loções hidratantes) são coloides hidrofóbicos porque as moléculas de gordura têm pouca atração pelas moléculas de água. Os géis e mingaus são exemplos de coloides hidrofílicos. As macromoléculas de proteínas nas gelatinas e de amido nos mingaus têm muitos grupos hidrofílicos que atraem água. As moléculas gigantes de proteínas das gelatinas se estendem em água quente, e seus numerosos grupos polares formam ligações hidrogênio com a água. Quando a mistura esfria, as cadeias de proteína se enrolam novamente, porém, agora, elas se enroscam para formar uma rede tridimensional que acomoda muitas moléculas de água, bem como moléculas de açúcar, corantes e condimentos. O resultado é um gel, uma rede aberta de cadeias proteicas que mantém a água em uma estrutura sólida flexível.

Muitos precipitados, como o $\ce{Fe(OH)3}$, formam inicialmente suspensões coloidais. As pequenas partículas não precipitam devido ao movimento browniano, o movimento que as partículas adquirem ao serem continuamente bombardeadas por moléculas de solvente. O sol é ainda estabilizado pela adsorção de íons na superfície das partículas. Os íons atraem uma camada de moléculas de água que impede que as partículas se aglutinem.

Figura 2D.1.2