Objetivos de aprendizaje
- Definir fusión, congelación y sublimación.
Dependiendo de las condiciones del entorno, la materia normal suele existir como una de las tres fases: sólida, líquida o gaseosa.
Un cambio de fase es un proceso físico en el que una sustancia pasa de una fase a otra. Normalmente el cambio se produce al añadir o quitar calor a una temperatura determinada, conocida como punto de fusión o punto de ebullición de la sustancia. El punto de fusión es la temperatura a la que la sustancia pasa de sólido a líquido (o de líquido a sólido). El punto de ebullición es la temperatura a la que una sustancia pasa de líquido a gas (o de gas a líquido). La naturaleza del cambio de fase depende de la dirección de la transferencia de calor. El calor que entra en una sustancia la hace pasar de sólido a líquido, o de líquido a gas. El calor que se retira de una sustancia cambia un gas a un líquido, o un líquido a un sólido.
Vale la pena enfatizar dos puntos clave. En primer lugar, en el punto de fusión o de ebullición de una sustancia, pueden existir dos fases simultáneamente. Tomemos como ejemplo el agua (H2O). En la escala Celsius, el H2O tiene un punto de fusión de 0°C y un punto de ebullición de 100°C. A 0 °C, pueden coexistir las fases sólida y líquida del H2O. Sin embargo, si se añade calor, parte del H2O sólido se derrite y se convierte en H2O líquido. Si se elimina el calor, ocurre lo contrario: parte del H2O líquido se convierte en H2O sólido. Un proceso similar puede ocurrir a 100°C: si se añade calor, aumenta la cantidad de H2O gaseoso, mientras que si se quita el calor, aumenta la cantidad de H2O líquido (Figura \(\PageIndex{1})).
En segundo lugar, la temperatura de una sustancia no cambia cuando la sustancia pasa de una fase a otra. En otras palabras, los cambios de fase son isotérmicos (isotérmico significa «temperatura constante»). De nuevo, consideremos el H2O como ejemplo. El agua sólida (hielo) puede existir a 0°C. Si se añade calor al hielo a 0°C, parte del sólido cambia de fase para convertirse en líquido, que también está a 0°C. Recuerda que las fases sólida y líquida del H2O pueden coexistir a 0°C. Sólo después de que todo el sólido se haya fundido en líquido, la adición de calor cambia la temperatura de la sustancia.
Para cada cambio de fase de una sustancia, hay una cantidad característica de calor necesaria para realizar el cambio de fase por gramo (o por mol) de material. El calor de fusión (ΔHfus) es la cantidad de calor por gramo (o por mol) necesaria para un cambio de fase que se produce en el punto de fusión. El calor de vaporización (ΔHvap) es la cantidad de calor por gramo (o por mol) necesaria para un cambio de fase que se produce en el punto de ebullición. Si conoce el número total de gramos o moles de material, puede utilizar el ΔHfus o el ΔHvap para determinar el calor total que se transfiere para la fusión o la solidificación utilizando estas expresiones:
\
donde \(n\) es el número de moles y \(ΔH_{fus}\) se expresa en energía/ mol o
donde \(m\) es la masa en gramos y \(ΔH_{fus}\) se expresa en energía/gramo.
Para la ebullición o la condensación, utilice estas expresiones:
\
donde \(n\) es el número de moles) y \(ΔH_{vap}\) se expresa en energía/ mol o
\
donde \(m\) es la masa en gramos y \(ΔH_{vap}\) se expresa en energía/gramo.
Recuerde que un cambio de fase depende de la dirección de la transferencia de calor. Si el calor se transfiere hacia dentro, los sólidos se convierten en líquidos, y los líquidos en sólidos en los puntos de fusión y ebullición, respectivamente. Si el calor se transfiere hacia fuera, los líquidos se solidifican, y los gases se condensan en líquidos.
Ejemplo \(\PageIndex{1})
¿Cuánto calor es necesario para fundir 55,8 g de hielo (H2O sólido) a 0°C? El calor de fusión del H2O es de 79,9 cal/g.
Solución
Podemos utilizar la relación entre el calor y el calor de fusión (Ec. \(\PageIndex{1})b) para determinar cuántos julios de calor se necesitan para fundir este hielo:
\ & = (55.8: \\cel{g})\\\cel izquierda(\dfrac{79,9}: cal}{cancel{g}}\cel derecha)=4,460: cal}{end{align*}]
Ejercicio \cel}(\page{1})
¿Cuánto calor es necesario para vaporizar 685 g de H2O a 100°C? El calor de vaporización del H2O es de 540 cal/g.
La tabla (\PageIndex{1}) enumera los calores de fusión y vaporización de algunas sustancias comunes. Observe las unidades de estas cantidades; cuando utilice estos valores en la resolución de problemas, asegúrese de que las otras variables en su cálculo se expresan en unidades consistentes con las unidades en los calores específicos, o los calores de fusión y vaporización.
| Sustancia | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| aluminio (Al) | 94.0 | 2,602 |
| oro (Au) | 15,3 | 409 |
| hierro (Fe) | 63.2 | 1.504 |
| agua (H2O) | 79,9 | 540 |
| cloruro de sodio (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 |
| benceno (C6H6) | 30,4 | 94,1 |
Mirando más de cerca: Sublimación
También existe un cambio de fase en el que un sólido pasa directamente a gas:
Este cambio de fase se llama sublimación. Cada sustancia tiene un calor de sublimación característico asociado a este proceso. Por ejemplo, el calor de sublimación (ΔHsub) del H2O es de 620 cal/g.
Nos encontramos con la sublimación de varias maneras. Es posible que ya esté familiarizado con el hielo seco, que es simplemente dióxido de carbono (CO2) sólido. A -78,5 °C (-109 °F), el dióxido de carbono sólido se sublima, pasando directamente de la fase sólida a la fase gaseosa:
El dióxido de carbono sólido se llama hielo seco porque no pasa a la fase líquida. En su lugar, pasa directamente a la fase gaseosa. (El dióxido de carbono puede existir como líquido, pero sólo a alta presión.) El hielo seco tiene muchos usos prácticos, como la conservación a largo plazo de muestras médicas.
Incluso a temperaturas inferiores a 0°C, el H2O sólido se sublima lentamente. Por ejemplo, una fina capa de nieve o escarcha en el suelo puede desaparecer lentamente a medida que el H2O sólido se sublima, aunque la temperatura exterior esté por debajo del punto de congelación del agua. Del mismo modo, los cubitos de hielo en un congelador pueden reducirse con el tiempo. Aunque esté congelada, el agua sólida se sublima lentamente, volviéndose a depositar en los elementos de refrigeración más fríos del congelador, lo que hace necesario descongelar periódicamente (los congeladores sin escarcha minimizan esta redeposición). Bajar la temperatura de un congelador reducirá la necesidad de descongelar con tanta frecuencia.
En circunstancias similares, el agua también se sublima de los alimentos congelados (por ejemplo, carnes o verduras), dándoles un aspecto moteado poco atractivo llamado quemadura por congelación. No se trata realmente de una «quemadura», y el alimento no se ha estropeado necesariamente, aunque tenga un aspecto poco apetecible. La quemadura por congelación puede minimizarse reduciendo la temperatura del congelador y envolviendo bien los alimentos para que el agua no tenga espacio para sublimarse.
Punto de fusión
Los sólidos se parecen a los líquidos en que ambos son estados condensados, con partículas que están mucho más juntas que las de un gas. Sin embargo, mientras que los líquidos son fluidos, los sólidos no lo son. Las partículas de la mayoría de los sólidos están fuertemente empaquetadas en una disposición ordenada. El movimiento de los átomos, iones o moléculas individuales de un sólido se limita al movimiento vibratorio en torno a un punto fijo. Los sólidos son casi completamente incompresibles y son los más densos de los tres estados de la materia.
Cuando un sólido se calienta, sus partículas vibran más rápidamente a medida que el sólido absorbe energía cinética. Finalmente, la organización de las partículas dentro de la estructura sólida comienza a romperse y el sólido empieza a fundirse. El punto de fusión es la temperatura a la que un sólido se convierte en líquido. En su punto de fusión, las vibraciones disruptivas de las partículas del sólido superan las fuerzas de atracción que operan dentro del mismo. Al igual que los puntos de ebullición, el punto de fusión de un sólido depende de la fuerza de esas fuerzas de atracción. El cloruro de sodio (\ce{NaCl} \right)\Nes un compuesto iónico que está formado por una multitud de fuertes enlaces iónicos. El cloruro de sodio se funde a \\N(801^text{o} \NC). El hielo (sólido \ce{H_2O}) es un compuesto molecular formado por moléculas que se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno. Aunque los enlaces de hidrógeno son los más fuertes de las fuerzas intermoleculares, la fuerza de los enlaces de hidrógeno es mucho menor que la de los enlaces iónicos. El punto de fusión del hielo es de \\N(0^text{o} \\NC).
El punto de fusión de un sólido es el mismo que el punto de congelación del líquido. A esa temperatura, los estados sólido y líquido de la sustancia están en equilibrio. En el caso del agua, este equilibrio se da a \(0^\text{o} \text{C}\).
\
Tendemos a pensar en los sólidos como aquellos materiales que son sólidos a temperatura ambiente. Sin embargo, todos los materiales tienen algún tipo de punto de fusión. Los gases se convierten en sólidos a temperaturas extremadamente bajas, y los líquidos también se vuelven sólidos si la temperatura es lo suficientemente baja. La siguiente tabla muestra los puntos de fusión de algunos materiales comunes.
| Materiales | Punto de fusión (ºC) |
|---|---|
| Hidrógeno | -259 |
| Oxígeno | -219 |
| Etil éter | -116 |
| Etanol | -114 |
| Agua | 0 |
| Plata pura | 961 |
| Oro puro | 1063 |
| Hierro | 1538 |
Ejercicio \(\PageIndex{2})
- Explicar qué ocurre cuando el calor entra o sale de una sustancia en su punto de fusión o ebullición.
- ¿Cómo se relaciona la cantidad de calor necesaria para un cambio de fase con la masa de la sustancia?
Responde a
La energía va al cambio de fase, no a la temperatura.
La cantidad de calor es una constante por gramo de sustancia.
Resumen
- Hay un cambio de energía asociado a cualquier cambio de fase.
- La sublimación es el cambio de estado de un sólido a un gas, sin pasar por el estado líquido.
- La sublimación es el cambio de estado de un gas a un sólido.
- El dióxido de carbono es un ejemplo de material que experimenta fácilmente la sublimación.
- El punto de fusión es la temperatura a la que un sólido pasa a líquido.
- Las fuerzas intermoleculares tienen una gran influencia en el punto de fusión.
Contribuciones & Atribuciones
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