Los Estados de la Materia y los Cambios de Fase
La materia tiene masa, ocupa un lugar en el espacio y puede encontrarse en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Cuando una sustancia se somete a variaciones de temperatura o presión, experimenta cambios de estado. En términos generales, una sustancia es sólida a baja temperatura y gaseosa a alta temperatura.
Principales Cambios de Fase
- Fusión: La temperatura a la que un sólido se funde se conoce como punto o temperatura de fusión, una propiedad característica de cada sustancia.
- Solidificación: El proceso contrario a la fusión, donde un líquido pasa a estado sólido.
- Evaporación: Es un cambio que se presenta en la superficie de un líquido. Al transferirle energía en forma de calor, las fuerzas de repulsión comienzan a predominar, provocando que las partículas de la superficie se desprendan y cambien de estado líquido a gaseoso.
- Condensación: El cambio de estado de gaseoso a líquido. Si el vapor se acumula sobre la superficie del líquido, la velocidad de condensación aumenta y compite con la evaporación.
- Licuefacción: Proceso que se lleva a cabo cuando una sustancia en estado gaseoso a condiciones ambientales cambia a estado líquido por efecto de la temperatura y la presión.
- Sublimación: El cambio de estado sólido a estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. No todas las sustancias pueden sublimarse.
El Fenómeno de la Ebullición
La ebullición es un proceso masivo de vaporización que ocurre en el seno de un líquido. Se caracteriza por la formación de burbujas de vapor en todo el volumen del líquido, las cuales se elevan a la superficie debido a la diferencia de densidades entre el vapor (menos denso) y el líquido circundante (más denso). Este fenómeno, tal como indica su etimología (del latín ebullitǐo, que significa "formar burbujas"), transcurre de manera intensa, tumultuosa o violenta.
La temperatura de ebullición o punto de ebullición es la temperatura a la que un líquido se transforma en gas. Este proceso ocurre debido a que la presión de vapor del líquido iguala la presión atmosférica circundante. La temperatura de saturación significa punto de ebullición, siendo la temperatura para una presión de saturación correspondiente a la que un líquido hierve en su fase de vapor.
TestLab: ¿De qué depende el punto de ebullición del agua?
Factores que Influyen en el Punto de Ebullición
Presión Externa y Altitud
Como la presión atmosférica cambia con las condiciones meteorológicas y con la altitud, los puntos o temperaturas de ebullición son variables. Un líquido en un vacío parcial tiene un punto de ebullición más bajo que a presión atmosférica, mientras que a alta presión, su punto de ebullición es más alto. Por ejemplo, el agua hierve a 100 °C a nivel del mar, pero a 93.4 °C a 1.905 metros de altitud. En elevaciones más altas, donde la presión atmosférica es mucho menor, el punto de ebullición también es menor.
El punto de ebullición normal (también llamado punto de ebullición atmosférico) de un líquido es el caso especial en el que la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica definida a nivel del mar (1 atmósfera). A esa temperatura, la presión de vapor del líquido es suficiente para superar la presión atmosférica y permitir que se formen burbujas de vapor dentro de la mayor parte del líquido. El punto de ebullición aumenta con el aumento de la presión hasta el punto crítico, donde las propiedades del gas y del líquido se vuelven idénticas, y el punto de ebullición no puede elevarse más allá de este punto. Del mismo modo, el punto de ebullición disminuye con la presión decreciente hasta que se alcanza el punto triple.
Propiedades Moleculares de la Sustancia
El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Permite distinguir una sustancia de otra, ya que ninguna otra sustancia presenta los mismos valores bajo las mismas condiciones.
- Masa Molecular: Generalmente, en compuestos con moléculas unidas covalentemente, a medida que aumenta el tamaño o masa molecular, el punto de ebullición normal tiende a aumentar.
- Polaridad y Enlaces de Hidrógeno: Otro factor que afecta el punto de ebullición normal de un compuesto es la polaridad de sus moléculas. A medida que aumenta la polaridad, aumenta su punto de ebullición normal, siendo iguales otros factores. Esto está estrechamente relacionado con la capacidad de una molécula para formar enlaces de hidrógeno en estado líquido, lo que dificulta que las moléculas abandonen dicho estado y, por lo tanto, aumenta el punto de ebullición.
- Enlaces Iónicos: En general, los compuestos con enlaces iónicos tienen puntos de ebullición normales altos, si no se descomponen antes de alcanzar temperaturas tan elevadas.
Efecto de Impurezas Disueltas
Las presiones de vapor y los puntos de ebullición de las sustancias pueden verse afectados por la presencia de impurezas disueltas (solutos) u otros compuestos miscibles. La presencia de impurezas no volátiles, como sales, o compuestos de una volatilidad muy inferior al componente principal, disminuye la fracción molar y la volatilidad de la solución y, por lo tanto, eleva el punto de ebullición normal en proporción a la concentración de los solutos. Este efecto se conoce como elevación del punto de ebullición.
La Densidad: Una Propiedad Fundamental y su Relación con la Temperatura
La densidad de una sustancia se define como la masa contenida en la unidad de volumen. Es común decir que el mercurio es más pesado que el agua, lo que realmente significa es que un volumen dado de mercurio contiene más materia que un volumen igual de agua.
Dado que la mayor parte de los materiales se expanden al ser calentados, sus densidades normalmente disminuyen al elevarse la temperatura. Esto ocurre porque las moléculas, al adquirir mayor energía cinética, se mueven más rápidamente y tienden a ocupar un mayor volumen.
Demostración Práctica: Experimento de Densidad del Agua Caliente y Fría
Podemos observar el efecto de la temperatura en la densidad del agua mediante un experimento sencillo:
- Llene dos vasos que tengan la misma forma y tamaño con la misma cantidad de agua hasta el límite. En uno, coloque agua muy fría (incluso con cubitos de hielo); en el otro, agua caliente.
- Coge un trozo de plástico y colócalo encima del vaso de agua fría. Acto seguido, haciendo vacío, dale la vuelta al vaso y ponlo encima del de agua caliente.
- Cuando vayas retirando el plástico, verás que ambos líquidos se irán uniendo, pero el agua caliente tenderá a flotar sobre el agua fría.
Este fenómeno ilustra que el agua caliente es menos densa que el agua fría. Cuando el agua está caliente, las moléculas están en continuo movimiento y se chocan constantemente, lo que genera un mayor volumen para la misma masa y, por lo tanto, una densidad más baja. Por el contrario, las moléculas de agua fría están más juntas, lo cual genera una mayor concentración de partículas y explica por qué el agua fría tiene mayor densidad. A pesar de que la diferencia de densidad no es muy grande, es suficiente para que el agua caliente se sitúe sobre el agua fría.
Es importante mencionar una excepción notable: el agua en el intervalo de 0 °C a 4 °C. En este rango, el agua se contrae con el aumento de temperatura y alcanza su máxima densidad a 4 °C, debido a un arreglo ordenado y de baja densidad de sus moléculas a temperaturas muy bajas.
Interconexión Directa e Indirecta entre Densidad del Líquido y Ebullición
La densidad del líquido y su comportamiento con la temperatura están intrínsecamente ligados al proceso de ebullición de varias maneras:
La forma más evidente es que las burbujas de vapor que se forman durante la ebullición ascienden a la superficie porque la densidad del vapor es significativamente menor que la del líquido circundante. Esta diferencia de densidades entre el vapor y el líquido es fundamental para que el proceso de ebullición se manifieste visiblemente, permitiendo que el vapor escape del seno del líquido.
En el punto crítico, la densidad de la fase gaseosa aumenta hasta que se vuelve indistinguible de la fase líquida con la que está en equilibrio. En este punto, las propiedades del gas y del líquido se vuelven idénticas, lo que marca el límite superior para la existencia de una fase líquida clara y, por tanto, para el fenómeno de la ebullición tal como lo conocemos como una transición de fases distintas.
Finalmente, el proceso de formación de burbujas de vapor, denominado nucleación, puede ser influenciado por fluctuaciones de densidad en el líquido. Para que un líquido alcance la ebullición, la temperatura en ciertas zonas puede ser superior al punto de ebullición teórico (fenómeno conocido como sobrecalentamiento). Este sobrecalentamiento es un estado metaestable que puede relajarse de manera enérgica y hasta violenta mediante la ebullición. La nucleación heterogénea, que se origina en imperfecciones de las paredes del recipiente, o la nucleación homogénea, generada por fluctuaciones espontáneas de densidad, son los mecanismos que inician la formación de las burbujas necesarias para el proceso de ebullición.