Solidificación: punto de solidificación y ejemplosbuscar
La solidificación es el cambio que experimenta un líquido cuando pasa a la fase sólida. El líquido puede tratarse de una sustancia pura o de una mezcla. Asimismo, el cambio puede deberse por un descenso de la temperatura o como resultado de una reacción química.
¿Cómo puede explicarse este fenómeno? Visualmente, el líquido comienza a tornarse petrificado o endurecido, hasta el punto que deje de fluir libremente. Sin embargo, la solidificación consiste en realidad en una serie de pasos que ocurren a escalas microscópicas.
Un ejemplo de solidificación es una burbuja líquida que se congela. En la imagen superior puede apreciarse cómo una burbuja se congela al contacto de la nieve. ¿Cuál es la parte de la burbuja que comienza a solidificarse? Aquella que está en contacto directo con la nieve. La nieve funciona como un soporte sobre el cual puede acomodarse las moléculas de la burbuja.
Desde la parte inferior de la burbuja se desencadena rápidamente la solidificación. Esta puede observarse en los “pinos acristalados” que se extienden hasta cubrir toda la superficie. Estos pinos reflejan el crecimiento de cristales, los cuales no son más que arreglos ordenados y simétricos de las moléculas.
Para que ocurra la solidificación es necesario que las partículas del líquido puedan ordenarse, de tal manera que interactúen unas con otras. Estas interacciones se van haciendo más fuertes a medida que disminuye la temperatura, lo cual repercute en la cinética molecular; es decir, se hacen más lentas y pasan a formar parte del cristal.
Este proceso se conoce como cristalización, y la presencia de un núcleo (pequeños agregados de partículas) y un soporte acelera este proceso. Una vez que el líquido haya cristalizado, se dice entonces que ha solidificado o congelado.
Índice del artículo
- 1 Entalpía de solidificación
- 2 Punto de solidificación
- 3 Sobreenfriamiento
- 4 Ejemplos de solidificación
- 5 Referencias
No todas las sustancias se solidifican a la misma temperatura (o bajo el mismo tratamiento). Algunas inclusive se “congelan” por encima de la temperatura ambiente, como ocurre con los sólidos con altos punto de fusión. Esto depende del tipo de partículas que conforman el sólido o el líquido.
En el sólido, éstas interactúan fuertemente y permanecen vibrando en posiciones fijas del espacio, sin libertad de movimiento y con volumen definido, mientras que en el líquido, tienen la capacidad de desplazarse como numerosas capas que se mueven unas sobre otras, ocupando el volumen del recipiente que lo contiene.
El sólido requiere energía térmica para pasar a la fase líquida; en otras palabras, necesita calor. El calor lo obtiene de sus alrededores, y la mínima cantidad que absorbe para generar la primera gota de líquido se conoce como calor latente de fusión (ΔHf).
Por otro lado, el líquido debe liberar calor a sus alrededores para poder ordenar sus moléculas y cristalizar en la fase sólida. El calor liberado es, entonces, el calor latente de solidificación o congelamiento (ΔHc). Tanto ΔHf y ΔHc son iguales en magnitud pero con direcciones contrarias; el primero lleva signo positivo, y el segundo signo negativo.
En un momento determinado el líquido comienza a congelarse, y el termómetro marca una temperatura T. Mientras éste no se haya solidificado por completo, T permanece constante. Como ΔHc tiene signo negativo, consiste de un proceso exotérmico que libera calor.
Por lo tanto, el termómetro leerá el calor desprendido por el líquido durante su cambio de fase, contrarrestando el descenso de temperatura impuesto. Por ejemplo, si se mete el recipiente que contiene el líquido dentro de un baño de hielo. Así, T no disminuye hasta la solidificación haya finalizado en su totalidad.
¿Qué unidades acompañan estas mediciones de calor? Por lo general kJ/mol o J/g. Estas se interpretan del siguiente modo: kJ o J es la cantidad de calor que requiere 1 mol de líquido o 1 g para poder enfriarse o solidificarse.
Para el caso del agua, por ejemplo, ΔHc es igual a 6,02 kJ/mol. Es decir, 1 mol de agua pura necesita desprender 6,02 kJ de calor para poder congelarse, y este calor es el que mantiene constante la temperatura en el proceso. Del mismo modo, 1 mol de hielo necesita absorber 6,02 kJ de calor para derretirse.
A la temperatura exacta donde ocurre el proceso se conoce como punto de solidificación (Tc). Éste varía en todas las sustancias dependiendo de qué tan fuertes son sus interacciones intermoleculares en el sólido.
La pureza también es una variable importante, ya que un sólido impuro no solidifica a la misma temperatura que uno puro. Lo anterior se conoce como descenso del punto de congelamiento. Para comparar los puntos de solidificación de una sustancia es necesario usar como referencia aquella que sea lo más pura posible.
No obstante, lo mismo no puede aplicarse para las soluciones, como el caso de las aleaciones metálicas. Para comparar sus puntos de solidificación debe considerarse mezclas con iguales proporciones másicas; es decir, con idénticas concentraciones de sus componentes.
Ciertamente, el punto de solidificación cobra un gran interés científico y tecnológico en lo que respecta a las aleaciones y otras variedades de materiales. Esto se debe a que, controlando el tiempo y cómo ellos se enfrían, pueden obtenerse algunas propiedades físicas deseables o evitar las inapropiadas para determinada aplicación.
Por esta razón la comprensión y el estudio de este concepto es de gran importancia en metalurgia y mineralogía, así como en cualquier otra ciencia que amerite fabricar y caracterizar un material.
Teóricamente Tc debería ser igual a la temperatura o punto de fusión (Tf). Sin embargo, esto no se cumple siempre para todas las sustancias. El principal motivo se debe a que, a primera vista, es más fácil desordenar las moléculas del sólido que ordenar las del líquido.
De aquí a que se prefiera en la práctica recurrir a Tf para medir cualitativamente la pureza de un compuesto. Por ejemplo, si un compuesto X tiene muchas impurezas, entonces su Tf estará más distante del de X puro en comparación a otro con mayor pureza.
Como se ha dicho hasta ahora, la solidificación procede a la cristalización. Algunas sustancias, dada la naturaleza de sus moléculas y sus interacciones, requieren de temperaturas muy bajas y de altas presiones para poder solidificarse.
Por ejemplo, el nitrógeno líquido se obtiene a temperaturas inferiores de -196ºC. Para solidificarlo, haría falta enfriarlo aún más, o aumentar la presión sobre él, obligando de esta manera a las moléculas de N2 a agruparse para crear núcleos de cristalización.
Lo mismo puede considerarse para otros gases: oxígeno, argón, flúor, neón, helio; y para el más extremo de todos, el hidrógeno, cuya fase sólida ha despertado mucho interés por sus posibles propiedades sin precedentes.
Por otro lado, el caso más conocido es el hielo seco, que no es más que CO2 cuyos vapores blancos se deben a la sublimación del mismo a la presión atmosférica. Éstos se han utilizado para recrear neblina en los escenarios.
Para que un compuesto se solidifique no depende únicamente de Tc, sino además de la presión y otras variables. Mientras más pequeñas sean las moléculas (H2) y más débiles sus interacciones, más difícil será lograr que éstas pasen al estado sólido.
El líquido, ya sea una sustancia o mezcla, comenzará a congelarse a la temperatura en el punto de solidificación. Sin embargo, en ciertas condiciones (como de alta pureza, un tiempo lento de enfriamiento o un entorno muy energético), el líquido puede tolerar temperaturas más bajas sin congelarse. A esto se le llama sobreenfriamiento.
No existe todavía una explicación absoluta del fenómeno, pero la teoría sustenta que todas aquellas variables que impidan el crecimiento de los núcleos de cristalización promueven el sobreenfriamiento.
¿Por qué? Porque a partir de los núcleos se forman cristales grandes tras añadir a ellos moléculas de los alrededores. Si se limita este proceso, aunque la temperatura esté por debajo de Tc, el líquido permanecerá inalterado, tal como ocurre con las diminutas gotas que conforman y hacen visibles las nubes en el cielo.
Todos los líquidos sobreenfriados son metaestables, esto es, son susceptibles a la más leve perturbación externa. Por ejemplo, si a éstos se le agregan un trozo pequeño de hielo, o se les sacuden un poco, se congelarán instantáneamente, lo cual resulta en un experimento entretenido y fácil de realizar.
-Aunque no se trate propiamente de un sólido, la gelatina es un ejemplo de un proceso de solidificación mediante enfriamiento.
-El vidrio fundido se utiliza para crear y diseñar muchos objetos, que tras enfriarse, conservan sus formas finales definidas.
-Así como la burbuja se congeló al contacto de la nieve, una botella de refresco puede sufrir el mismo proceso; y si está sobreenfriada, su congelamiento resultará instantáneo.
-Al surgir la lava de los volcanes cubriendo sus bordes o la superficie terrestre, ésta se solidifica cuando pierde temperatura, hasta transformarse en rocas ígneas.
-Los huevos y las tortas se solidifican con un incremento de la temperatura. Igualmente, la mucosa nasal lo hace pero a causa de la deshidratación. Otro ejemplo puede encontrarse también en la pintura o en los pegamentos.
Sin embargo, cabe resaltar que la solidificación no ocurre en estos últimos casos como producto del enfriamiento. Por lo tanto, el hecho de que un líquido se solidifique no significa obligatoriamente que se congele (no reduce su temperatura apreciablemente); pero cuando un líquido se congela, éste termina solidificándose.
Otros:
– La conversión del agua al hielo: esta ocurre a 0 °C produciendo cubos de hielo, nieve o glaciales.
– La cera de vela que se derrite con la llama y se solidifica nuevamente.
– La congelación de la comida para su preservación: en este caso se congela las moléculas de agua dentro de las células de las carnes o vegetales.
– El soplado de vidrio: este se funde para darle forma y luego se solidifica.
– La fabricación de helados: por lo general son lácteos que se solidifican.
– En la obtención del caramelo, que es azúcar fundido y solidificado.
– La mantequilla y la margarina son ácidos grasos en estado sólido.
– Metalurgia: en la fabricación de lingotes o vigas o estructuras de ciertos metales.
– El cemento es una mezcla de calizas y arcillas que al mezclarse con agua tiene la propiedad de endurecerse.
– En la fabricación del chocolate se mezcla el polvo de cacao con agua y leche que al ser desecado, solidifica.
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