Punto de fusión y ebullición

¿Qué es el punto de ebullición en química?

Puntos de fusión y ebullición de sólidos, líquidos y gases

En estos puntos comienza el cambio de estado. ¿A qué se debe esto? Bueno, primero hablemos de los distintos estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso (mostrados a continuación)

Fig.1 Los distintos estados de la materia

En un sólido, las partículas están muy juntas y sólo tienen energía suficiente para vibrar en su lugar. En un líquido, las partículas están algo más separadas y pueden cambiar de posición entre sí. Por último, tenemos un gas, cuyas partículas pueden moverse libremente en su recipiente.

Las razones por las que cada estado tiene esas características de las partículas son: la temperatura y la atracción, y las interacciones entre las partículas.

• Las partículas/moléculas tienen distintas fuerzas que las atraen entre sí, que son más fuertes en los sólidos, más débiles en los líquidos y casi inexistentes en los gases.
• La temperatura es una medida de la energía, de modo que cuanto mayor es la temperatura, más energía tiene una especie.

¿Qué significa esto para los puntos de fusión y ebullición? Bueno, estas temperaturas son las marcas de temperatura a las que se alcanza la energía necesaria para superar las interacciones entre las partículas, de modo que puedan alejarse (y estar en el siguiente estado).

Normalmente, los puntos de ebullición son bastante más altos que los de fusión, ya que en los gases es necesario cortar casi por completo las fuerzas entre las partículas, mientras que los líquidos siguen teniendo fuerzas algo fuertes entre ellas.

Procesos de fusión y ebullición

Es importante recordar que estos puntos marcan el inicio del proceso de fusión/ebullición. Se necesita energía para alejar las partículas, y el punto de fusión/ebullición marca el momento en que nuestro sistema tiene la energía suficiente para iniciar la tarea. A medida que se añade más energía al sistema, el proceso continúa hasta que el sistema ha cambiado completamente de estado. Una vez que esto ocurre, el sistema puede empezar a calentarse de nuevo.

Por ejemplo, supongamos que colocas un cubito de hielo en un vaso sobre la encimera de tu cocina. El cubito de hielo se calentará hasta que empiece a derretirse a 0°C. Si colocas un termómetro en el agua (mientras aún quede algo de hielo), el agua seguirá estando a 0°C. Esto se debe a que la energía añadida al sistema (hielo/agua) se está utilizando para convertir el hielo en agua, por lo que no aumentará la temperatura del agua.

Esto es lo que parece en forma de gráfico:

Fig. 2. Gráfico del punto de fusión y ebullición del agua.

Verás que la temperatura se mantiene estable durante un tiempo, y luego aumentará como era de esperar. Los valores de energía indicados son la cantidad de energía térmica que necesita cada proceso para completarse.

Puntos de fusión y ebullición de los metales

Como ya hemos dicho, las interacciones entre las partículas influyen mucho en la energía necesaria para cambiar de estado. Por ello, los metales tienen puntos de fusión y ebullición muy elevados.

Los metales son grandes estructuras reticulares cristalinas. Esto significa que las partículas están ordenadas en forma de rejilla. Se necesita mucha energía para mantener las estructuras así organizadas, por lo que también se necesita mucha energía para romperlas.

Sin embargo, hay algunas excepciones, como el mercurio, que tiene un punto de fusión de -39ºC. Como referencia, el cobre tiene un punto de fusión de 1085ºC.

Debido a lo fuertes que son las interacciones en los metales, a menudo sólo hablamos de sus puntos de fusión en lugar de incluir también sus puntos de ebullición. Esto se debe a que es mucho menos práctico hervir la mayoría de los metales. Por ejemplo, el platino tiene un punto de ebullición de 3827ºC, mientras que un soplete puede alcanzar unos 1700ºC.

Experimento de elevación del punto de ebullición

Hagamos un experimento,

Coges dos vasos de precipitados, cada uno con 1 L de agua. En el segundo vaso, añades 116 gramos de sal (NaCl) al agua. Colocas cada uno sobre una placa calefactora y pones un termómetro en el agua. Después de encender la placa calefactora a 120ºC, observas cada vaso de precipitados. En cuanto notes que la solución hierve (grandes burbujas suben del fondo a la superficie), marcas la temperatura en el termómetro. Después de tres ensayos, obtienes estos resultados

Está claro que añadir sal marca la diferencia, pero ¿por qué?

Los líquidos se evaporan, lo que significa que pueden convertirse en gases sin hervir. Sin embargo, si no hay suficiente volumen, el gas volverá a condensarse en líquido al mismo ritmo que se evapora. En este punto, la presión del gas se denomina presión de vapor.

Cuando un líquido hierve, la presión de vapor es igual a la presión del aire circundante (llamada presión atmosférica). Cuando se añade un soluto (sólido), disminuye la presión de vapor, ya que el soluto tiene 0 presión de vapor (es decir, es un sólido, por lo que no puede evaporarse). Esto significa que se necesita más energía para aumentar la presión de vapor y que pueda producirse la ebullición.

Esencialmente, el soluto "diluye" la presión de vapor. Esto significa que la elevación del punto de ebullición es una propiedad coligativa, es decir, que se basa en el número de partículas y no en su identidad (por ejemplo, la sal frente al azúcar).

Para tener una idea más clara, veamos la fórmula de elevación del punto de ebullición:

$$\Delta T=i*K_b*m$$

Donde \(\Delta T\) es la diferencia del punto de ebullición (\(\Delta T=T_{sol}-T_{puro}\)), i es el factor de Van 't Hoff,_Kb es una constante y m es la molalidad (mol de soluto por kilogramo de disolvente).

El factor de Van't Hoff nos indica cuántos iones se forman cuando se disuelve el soluto. Por ejemplo, el NaCl tiene un factor de Van't Hoff de 1,9 (normalmente simplificado a 2), ya que se disocia casi totalmente en ^Na+ y ^Cl- en disolución.

_Kb se denomina constante ebullioscópica. Su valor depende de la identidad del disolvente (para el agua, es 0,512 K*kg/mol). Básicamente es una constante de proporcionalidad que "pondera" lo importante que es la molalidad para la elevación del punto de ebullición

Ejemplos de puntos de fusión y ebullición

Cuando observamos los puntos de fusión/ebullición de los elementos, surgen algunas tendencias generales.

• El punto de fusión y ebullición aumenta a medida que se desciende en un grupo
• Al aumentar el tamaño atómico, aumentan las fuerzas entre las partículas más difíciles de fundir/hervir

Veamos otro ejemplo:

Todas estas tendencias tienen que ver con el carácter metálico de estos elementos. Normalmente, a medida que aumenta el tamaño de un elemento (bajando de grupo), también lo hace el carácter metálico, lo que hace que estas interacciones sean más fuertes y difíciles de romper (es decir, más difíciles de fundir).

Sin embargo, al atravesar los grupos, nos centramos en el número de electrones. La fuerza de las interacciones aumenta con el número de electrones no apareados. Del grupo 3 al 6, todos los electrones añadidos son no apareados, por lo que las interacciones son fuertes. Sin embargo, a partir del grupo 7, los electrones añadidos están emparejados, por lo que las interacciones se debilitan. Esta es también la razón por la que el grupo 12 es diferente, ya que tiene electrones totalmente apareados.