Los cambios de estado. Su interpretación cinético molecularLos cambios de estadoCuando una sustancia pasa de un estado a otro se dice que cambia de estado. En el esquema, salen todos los nombres que reciben los diferentes cambios de estado.

Para que un sólido se funda o un líquido se evapore, es necesario que absorba energía, generalmente en forma de calor.Por el contrario, cuando un gas pasa a líquido y un líquido se solidifica, se desprende energía en forma de calor.

2 Fusión-solidificaciónObserva la experiencia siguiente:A. Llenamos una cuarta parte de un tubo de ensayo grande con naftaleno en polvo. El naftaleno es una sustancia pura de color blanco (la naftalina utilizada como antipolillas es naftaleno impuro).El tubo de ensayo está provisto de un termómetro, de forma que el depósito queda en el interior del sólido. A continuación, lo calentamos al baño María. Calentar al baño María consiste en colocar el recipiente que contiene la sustancia dentro de otro donde haya agua en contacto con el foco calorífico.

Cuando el termómetro marca unos 50 °C empezamos a tomar nota, cada medio minuto, de las temperaturas. Anotamos también los cambios que observamos en el interior del tubo.Con los datos obtenidos, completamos el cuadro siguiente:

Tiempo(minutos)

Temperatura(°C)

Observaciones

0 50 El tubo de ensayo contiene solo naftaleno sólido.0,5 55

1 601,5 652 702,5 753 783,5 80 El naftaleno se empieza a fundir.

El tubo de ensayo contiene una mezcla de naftaleno sólido y líquido.

4 804,5 805 805,5 82 Todo el naftaleno se ha fundido.

La temperatura del líquido aumenta.

6 856,5 897 92

Representamos los datos que hemos obtenido en una gráfica temperatura/tiempo.B. La gráfica obtenida consta de tres partes:a) Entre los minutos 0 y 3,5, la gráfica nos indica cómo aumenta la temperatura del sólido cuando se calienta.b) A 80 °C, el naftaleno se funde y su temperatura no varía, a pesar de que continuamos calentándolo (minutos 3,5 a 5).c) Cuando todo el sólido se ha fundido (minuto 5), al continuar calentando, la temperatura del líquido vuelve a aumentar.

La gráfica indica la variación de la temperatura en función del tiempo de calentamiento.

C. A continuación, retiramos el bunsen y sustituimos el agua caliente del baño María por agua muy fría. Cada medio minuto, anotamos las temperaturas y las observaciones que hacemos:

Tiempo(minutos)

Temperatura(°C)

Observaciones

0 90 El tubo de ensayo solo contiene naftaleno líquido.0,5 85

1 81

1,5 80 El naftaleno empieza a solidificarse.El tubo de ensayo contiene una mezcla de sustancia sólida y líquida.

2 802,5 803 803,5 78 Todo el naftaleno se ha solidificado.

El sólido se va enfriando gradualmente.

4 744,5 705 665,5 626 58

Observando la tabla, podemos comprobar que la temperatura del naftaleno baja y cuando llega al mismo valor anterior (80 °C) no varía durante un rato.Representamos estos datos en una gráfica de temperatura/tiempo.

2.1 Leyes de la fusiónComo resultado de muchas experiencias, se puede afirmar lo siguiente:a) Cuando una sustancia pura se funde, lo hace a una temperatura determinada, llamada temperatura de fusión.b) Mientras dura la fusión –es decir, mientras coexisten sólido y líquido–, la temperatura se mantiene invariable.c) Todos los líquidos puros bastante enfriados acaban solidificándose a la misma temperatura a la que se funden.d) Mientras dura la solidificación, la temperatura se mantiene invariable.Así pues, la temperatura de fusión y la de solidificación de una sustancia pura son idénticas.Estas conclusiones reciben el nombre de leyes de la fusión y la solidificación de las sustancias puras.La temperatura de fusión (o solidificación) de una sustancia pura varía –aunque muy poco– según la presión que actúa sobre ella.El punto de fusión se define como la temperatura a partir de la cual una sustancia pura pasa de estado sólido a estado líquido a la presión atmosférica normal, que es de 1 013 hPa (1 atm).En la tabla 1 se muestran los puntos de fusión (o solidificación) de algunas sustancias puras. Se puede observar, por ejemplo, que el mercurio se funde a –39 °C. Esto significa que este elemento es un líquido a temperatura ordinaria y que se tiene que enfriar a 39 °C bajo cero para que empiece a solidificarse.

TABLA 1 Puntos de fusión de algunas sustancias puras

Alcohol –114 ºCMercurio –39 ºCAgua 0 ºCAzufre 115 ºCPlomo 327 ºCPlata 962 ºCOro 1 064 ºCHierro 1 538 ºCPlatino 1 768 ºCTungsteno 3 422 ºC

Observa también el elevado punto de fusión del tungsteno. Hay que calentarlo a una temperatura de 3 422 °C para que empiece a fundirse.El punto de fusión o solidificación de una sustancia pura es una propiedad característica que puede servir para identificarla.

OTROS EJEMPLOS DE SOLIDIFICACIÓNLa experiencia nos enseña que al enfriar agua salada, un refresco, limonada u otras mezclas líquidas la temperatura no se mantiene constante durante el cambio de estado.Si la temperatura de una sustancia varía durante un cambio de estado, entonces no se puede considerar que sea una sustancia pura.

La presencia de impurezas en un líquido o de sustancias en disolución hace disminuir su punto de solidificación. Así, por ejemplo, el agua pura solidifica a 0 °C, pero el agua del mar lo hace a una temperatura un poco más baja.

Curva de solidificación del agua salada.

2.2 Cambio de volumen al fundirse o al solidificarse una sustancia puraLa inmensa mayoría de las sustancias puras, al fundirse, aumentan de volumen; por el contrario, al solidificarse, disminuyen de volumen.El agua es una excepción, puesto que al solidificase aumenta de volumen.En cambio, la masa de la sustancia que se funde o se solidifica se mantiene siempre constante.

ExperienciaA. Llena hasta arriba de agua destilada una botella de plástico transparente de unos 250 cm3.Tápala bien y déjala en el congelador de la nevera. Al día siguiente sácala del congelador y observa qué ha pasado.

– ¿Cómo lo puedes explicar?– ¿El agua aumenta o disminuye de volumen al solidificarse?– ¿Por qué el hielo flota en el agua?Razónalo.

B. Observa las fotografías.1. Introduce cubitos triturados en un erlenmeyer pequeño.El recipiente debe estar bien tapado para que no se pierda agua por evaporación.– ¿Cuál es la masa total?2. Una vez que esté todo el hielo fundido, pesa de nuevo el recipiente.– ¿Cuál es ahora la masa total?– ¿Qué conclusiones puedes sacar de esta experiencia?

VaporizaciónSe llama vaporización al paso del estado líquido al gaseoso.Vamos a ver cómo la vaporización puede tener lugar de dos maneras diferentes.

ExperienciasA. Pon dos o tres gotas de alcohol en una cápsula y algunas otras en la palma de la mano. Observa cómo el líquido no tarda en desaparecer, lentamente el de la cápsula y más rápidamente el de la mano. ¿Notas el olor característico y a la vez un enfriamiento en la palma de la mano? Repite la experiencia utilizando acetona. ¿Qué diferencia observas?El alcohol y la acetona han pasado del estado líquido al gaseoso, y se han convertido en vapor. Por eso se dice que se han evaporado.

B. Calienta un líquido –agua, por ejemplo– y observa cómo aumenta gradualmente la temperatura, hasta que llega un momento en que se nota un movimiento tumultuoso en toda la masa líquida, que da lugar a burbujas de vapor que suben desde el fondo hasta la superficie. Cuando esto pasa, se dice que el agua hierve o entra en ebullición, y también aquí el agua pasa del estado líquido al gaseoso. Con un termómetro se puede comprobar que la temperatura del agua se mantiene constante mientras está hirviendo.

Tanto en la experiencia A como en la B los líquidos se vaporizan, pero la vaporización ha tenido lugar de 2 maneras muy diferentes.La vaporización se puede producir por evaporación o por ebullición.• Por evaporación, cuando el paso del líquido a gas se efectúa a cualquier temperatura, de manera más o menos lenta y solo a través de la superficie libre del líquido (superficie en contacto con el aire), sin notarse ningún fenómeno en el interior. Se dice que el líquido se evapora.• Tiene lugar por ebullición cuando se efectúa a una temperatura determinada, de manera rápida, y el líquido se vaporiza en toda la masa, hecho que se advierte por su movimiento tumultuoso. Se dice que el líquido hierve.Tanto la evaporación como la ebullición se llevan a cabo mediante absorción de energía. En la experiencia A, la energía absorbida por el alcohol o por la acetona durante la evaporación procede de la mano; por eso se aprecia un enfriamiento en la palma. En la experiencia B, la energía procede del foco calorífico.

3.1 Factores que influyen en la velocidad de evaporaciónPensemos en situaciones de la vida cotidiana.– ¿Por qué la ropa mojada se seca más rápidamente si la tendemos que si la dejamos amontonada dentro de una cesta?– ¿Por qué en un día de viento la ropa tendida se seca antes que en un día sin viento?– ¿Por qué un charco de agua se seca antes en verano que en invierno?En todas las cuestiones propuestas, el agua se evapora; pero, ¿qué factores influyen para que un líquido se evapore más o menos rápidamente?

ExperienciasA. La influencia de la clase de líquido en la velocidad de evaporación.Se vierte una cierta cantidad de alcohol en un recipiente. Otro recipiente igual contiene la misma cantidad de agua a la misma temperatura que el alcohol. Al cabo de unas horas comprobamos que el alcohol se ha evaporado más rápidamente que el agua.

B. La influencia de la superficie libre. Vierte volúmenes iguales de alcohol en un recipiente ancho (un plato) y en uno estrecho (una probeta). Al cabo de unas cuantas horas, mide el volumen de alcohol que queda en cada recipiente.¿En cuál de los dos el alcohol se ha evaporado más rápidamente?

C. La influencia de la temperatura. Diseña una experiencia para demostrar la influencia de la temperatura en la velocidad de evaporación.

D. La influencia de la ventilación. Impregna con la misma cantidad de agua dos trapos de la misma medida. Tiéndelos y cuélgalos, pero pon uno delante de un ventilador en funcionamiento. ¿Cuál de los dos se seca antes?

En un día de viento la ropa se seca antes.

La experiencia demuestra que la velocidad de evaporación depende de:• La clase de líquido. Hay líquidos, como el éter, el bromo o la acetona que se evaporan rápidamente a temperatura ambiente. Se dice que son muy volátiles.Otros, como el aceite, prácticamente no se evaporan. Se dice que son muy poco volátiles o que son fijos.• La superficie libre. La velocidad a la que se evapora un líquido es mayor cuanta más superficie libre ofrece.• La temperatura. La velocidad a la que se evapora un líquido aumenta con la temperatura.• La ventilación. La renovación del aire sobre el líquido favorece la evaporación, puesto que la capa de vapor que se encuentra en contacto con el líquido es desplazada por el aire. En el caso contrario, el vapor se acumula sobre el líquido y se frena la evaporación, que incluso se puede llegar a parar.

3.2 La ebulliciónObserva la experiencia siguiente:

ExperienciaHemos montado el aparato de la fotografía (El erlenmeyer inicialmente contiene agua pura a temperatura ambiente. Observa que el bulbo del termómetro está sumergido dentro del líquido pero sin tocar el fondo del recipiente).

Cuando el agua hierve se pueden observar burbujas que suben continuamente hacia la superficie desde diferentes puntos del interior.

A medida que se calienta el agua contenida en el erlenmeyer la evaporación se produce más rápidamente.Llega un momento en que el agua hierve –decimos que entra en ebullición– y lo hace a una temperatura fija que no varía mientras dura la ebullición.Podemos comprobarlo observando que, a presión normal (1 013 hPa), el termómetro marca 100 °C.A medida que el agua hierve, el erlenmeyer se va llenando de vapor de agua que desplaza el aire. Este vapor incoloro y transparente no es visible. A la salida del recipiente, el vapor se enfría y se condensa en pequeñísimas gotas de agua, que forman una niebla o vaho que sí que se puede ver.Si en vez de agua utilizamos alcohol, este hierve a 78 °C a la presión normal.Podemos comprobar que, mientras dura la ebullición, la temperatura se mantiene constante.

LAS LEYES DE LA EBULLICIÓNComo resultado de la observación de muchas experiencias parecidas se puede afirmar que:a) Cada líquido puro hierve, a presión fija, a una temperatura determinada, llamada temperatura de ebullición.b) Mientras el líquido está hirviendo, la temperatura se mantiene invariable.Estas dos conclusiones se denominan leyes de la ebullición de las sustancias puras.

3.3 La temperatura de ebullición varía con la presiónLa temperatura de ebullición de un líquido no siempre es la misma, sino que varía con la presión exterior a la cual está sometido. Por ejemplo, el agua hierve a 100 °C a la presión normal; no obstante, en la cumbre de una montaña, donde la presión atmosférica es más baja, el agua hierve a

menos de 100 °C. Así, en la cumbre del Mont Blanc, a 4 800 metros de altitud, el agua hierve a unos 84 °C; y el alcohol, a unos 65 °C, puesto que a esta altitud la presión atmosférica es casi la mitad de la que hay a nivel del mar.

En la cumbre del Mont Blanc, a 4.800 m de altitud, el agua hierve a 84 °C.

Si la presión que se ejerce sobre un líquido aumenta, se puede comprobar que también aumenta la temperatura de ebullición. Es lo que pasa en el interior de las ollas a presión. En estos recipientes cerrados (provistos de una válvula de seguridad) el agua se calienta y la presión en el interior de la olla aumenta. Este aumento de la presión sobre el líquido lo provocan los mismos vapores que se desprenden del líquido. Por lo tanto: una disminución de presión sobre un líquido hace disminuir la temperatura de ebullición. Un aumento de la presión sobre un líquido aumenta la temperatura de ebullición.A causa de estas variaciones el punto de ebullición de un líquido se define como la temperatura a la cual hierve, cuando la presión exterior es de 1 013 hPa (1 atmósfera).El punto de ebullición de un líquido puro es una propiedad característica que sirve para identificarlo.La presencia de impurezas –sustancia en solución– hace aumentar la temperatura de ebullición de la sustancia. En la tabla 2 están los puntos de ebullición de algunas sustancias puras.

TABLA 2 Puntos de ebullición de algunas sustancias puras

Helio –269 ºCOxígeno –183 ºC

Éter 35 ºCAcetona 56 ºCAlcohol 78 ºCAgua 100 ºC

Mercurio 357 ºCAzufre 445 ºC

Aluminio 2 519 ºCHierro 2 861 ºC

ExperienciaMontad el aparato según las instrucciones de la página anterior. Llenad el Erlenmeyer hasta la mitad con agua destilada. Ponedla a calentar suavemente y anotad la temperatura cada minuto hasta que el agua hierva. Mantenedla en ebullición durante tres o cuatro minutos más. Mientras un compañero o compañera avisa cada minuto, otro hace la lectura del termómetro y un tercero anota el tiempo, la temperatura y las observaciones. Con los datos obtenidos completad una tabla parecida a la del apartado 2 de esta unidad.Representad los datos obtenidos en una gráfica temperatura/tiempo.– ¿Cómo es la parte de la gráfica correspondiente a la ebullición del agua?– En tu experiencia, ¿el termómetro marcó exactamente 100 °C mientras duró la ebullición?– Si no marcase exactamente 100 °C, ¿cómo se explicaría este hecho?

SublimaciónObserva las experiencias siguientes:

ExperienciaCalienta un poco de ácido benzoico, sólido de color blanco, muy suavemente, en un vaso de precipitado tapado con un vidrio de reloj. Observa que esta sustancia pasa directamente de sólido a gas. En la parte fría del vaso de precipitado y en la del vidrio de reloj, el gas se vuelve a solidificar, en forma de finísimas agujas, sin pasar por el estado líquido.Puedes repetir la experiencia colocando una espiga de trigo, en vez del vidrio de reloj, encima del vaso de precipitado o de una cápsula, según aparecen en la figura A.

Cuando calentamos suavemente el ácido benzoico, pasa directamente a gas. Cuando lo enfriamos, el gas pasa a sólido.

ExperienciaCalienta un poco de yodo (sólido), suavemente, en un tubo de ensayo o en una cápsula. Observa también que esta sustancia pasa directamente de sólido a gas y aparecen unos vapores de color violeta. En la parte fría del tubo se vuelve a solidificar en pequeños cristales (figura B).

Cuando el yodo gas toca la parte fría del recipiente vuelve a solidificarse en pequeños cristales.

De esto se puede deducir que:El paso directo del estado sólido a gas sin pasar por líquido se llama sublimación.El paso inverso, de gas a sólido, se llama cristalización o sublimación inversa.Las sustancias que subliman son muy pocas. Son ejemplos el yodo, la naftalina, el alcanfor, el ácido benzoico y la nieve carbónica (dióxido de carbono sólido), llamada también hielo seco.Muchos perfumes sólidos contienen sustancias aromáticas que subliman.

Has aprendido que la mayoría de los sólidos, cuando se calientan lo suficiente, se funden o subliman, y los líquidos hierven. No obstante, hay sustancias que, al calentarlas, se descomponen y se transforman en otras sustancias diferentes; otras se queman o se carbonizan, como el azúcar.

Explicación cinética de la fusión, de la evaporación y de la ebulliciónLA FUSIÓNCuando se calienta un sólido puro, la energía que se le transmite hace aumentar el movimiento de vibración de las partículas situadas en los nudos de la red cristalina. La temperatura del sólido aumenta gradualmente. A partir de una temperatura determinada, llamada temperatura de fusión, las partículas adquieren suficiente energía cinética para desprenderse de las fuerzas de atracción de sus vecinas, y presentan más movilidad y desorden. La estructura cristalina se desmonta, y el sólido se empieza a fundir.La experiencia nos enseña que, mientras dura la fusión, la temperatura se mantiene invariable. ¿Cómo se puede explicar?Según la teoría cinética molecular, esto es consecuencia de que mientras un sólido puro se funde, toda la energía que se le suministra se usa para pasar las moléculas del estado sólido al estado líquido.Se denomina calor de fusión o calor latente de fusión a la energía que se tiene que suministrar a la unidad de masa de un sólido puro, que se encuentra a la temperatura de fusión, para convertirlo en líquido a la misma temperatura.Así, por ejemplo, el calor de fusión del agua (hielo) es de 334,4 kJ/kg. Este dato nos indica que, si se tiene un kilogramo de hielo a 0 °C y se quiere convertir en agua a 0 °C, es necesario subministrar 334,4 kJ.

Se ha de transmitir energía a un sólido para que pase a líquido.

LA EVAPORACIÓNYa sabemos que, experimentalmente, se observa que la velocidad a la cual se evapora un líquido aumenta con la temperatura.La razón es que cuando la temperatura de un líquido aumenta la energía cinética media de sus moléculas crece y como consecuencia aumenta el número de las que se pueden escapar y pasar a gas.A la misma temperatura, los líquidos presentan tendencias diversas a pasar al estado gaseoso; entonces se dice que son más o menos volátiles.

La velocidad a la que se evapora un líquido aumenta con la temperatura.

LA EBULLICIÓNYa sabemos que mientras un líquido hierve la temperatura se mantiene constante.¿Cómo se puede explicar? Según la teoría cinética molecular, mientras un líquido puro hierve, toda la energía suministrada en forma de calor se usa para que las moléculas pasen del estado líquido al gaseoso.Se denomina calor de vaporización a la energía que se tiene que suministrar a la unidad de masa de un líquido puro para convertirla totalmente en gas (a presión constante), sin modificar su temperatura.Así, por ejemplo, el calor de vaporización del agua a 100 °C es de 2 255 kJ/kg.Este dato nos indica que, si tenemos un kilogramo de agua líquida a 100 °C y la queremos convertir en vapor de agua a 100 °C, le tendremos que suministrar 2 255 kJ.

Se ha de transmitir energía a un líquido para que pase a gas.

Los anticongelantes

El punto de solidificación de una solución es siempre más bajo que el del disolvente puro.Este es el fundamento de los anticongelantes.Los anticongelantes son sustancias que se añaden a un líquido, generalmente agua, para rebajar su punto de solidificación.La utilización más extendida de estas sustancias consiste en prevenir la congelación del agua en los sistemas de refrigeración de los motores de los automóviles expuestos a la intemperie y sometidos a bajas temperaturas. A menudo se añade a la gasolina y el diésel para evitar su solidificación en invierno, y también al agua de refrigeración de los motores. Otra aplicación es la de inhibir la corrosión de los sistemas de refrigeración que a menudo contienen metales como el aluminio, el hierro, el cobre, etc.Los anticongelantes son sustancias muy solubles en agua.Tienen que ser ininflamables y no corrosivos. El más utilizado es un líquido llamado etilenglicol. Un kilogramo de esta sustancia disuelto en cinco litros de agua desciende el punto de solidificación hasta unos 6 °C bajo cero.La disminución del punto de congelación de las soluciones es también el fundamento de las mezclas llamadas frigoríficas, utilizadas para obtener temperaturas inferiores a 0 °C.Así, por ejemplo, si el hielo se mezcla con sal común, se pueden obtener temperaturas de hasta –20 °C, si se prepara bien la mezcla. La utilización de sal común para rebajar el punto de fusión del hielo o de la nieve se usa a menudo para fundir la nieve en las calles y las carreteras.Como norma general, el anticongelante se tiene que sustituir cada dos años o 40 000 km. Y recuerda que hacer las revisiones periódicas a nuestros vehículos evita gran cantidad de accidentes. Llevar el coche al taller para una revisión completa del motor, cambiar el aceite regularmente, comprobar la presión de los neumáticos, etc. tendrían que ser acciones habituales para todos los conductores.

Aumento del nivel del marComo ya sabes, los combustibles fósiles producen gases cuando queman, especialmente dióxido de carbono, CO2. El CO2 es uno de los principales responsables de que la temperatura del planeta aumente.Ningún país, grande o pequeño, rico o pobre, desarrollado o en vías de desarrollo, se puede escapar del cambio climático: tormentas, inundaciones cada vez más devastadoras, sequías, pérdida de cosechas, incendios, desaparición de glaciares, desertización, etc. una secuencia sin precedentes de fenómenos climáticos extremos.El año 2010 se han registrado temperaturas «récord» en 17 países y han tenido lugar inundaciones en Asia y Europa central, oleadas de calor en Rusia y sequía en África.En Pakistán, las intensas lluvias repentinas han provocado grandes estragos.Sin embargo, uno de los efectos más graves del cambio climático es el aumento del nivel del mar. Cuando el agua del mar se calienta aumenta su temperatura, se dilata y como consecuencia aumenta el nivel del mar. Este hecho es muy preocupante dado el incremento progresivo de la temperatura global del planeta.El aumento del nivel del mar afectará a millones de personas y grandes ciudades como Nueva York, Los Ángeles, Río de Janeiro, Tokio, El Cairo, entre otras, pueden quedar seriamente afectadas antes de acabar este siglo.Muchas zonas agrícolas pueden quedar también inundadas o convertirse en salobres.El deshielo de las grandes capas de hielo del Ártico y el Antártico contribuye también al aumento progresivo del nivel del mar.