Punto de congelación: cómo calcularlo y ejemplos
El punto de congelación es la temperatura en la que una sustancia experimenta un equilibrio de transición líquido-sólido. Cuando se habla de sustancia, esta puede ser un compuesto, elemento puros o una mezcla. Teóricamente, toda la materia se congela a medida que la temperatura disminuye hasta el cero absoluto (0K).
Sin embargo, no hacen falta temperaturas extremas para observar el congelamiento de los líquidos. Los icebergs son uno de los ejemplos más evidentes de masas de agua congeladas. Asimismo, al fenómeno se le puede hacer seguimiento en tiempo real mediante baños de nitrógeno líquido, o empleando un simple congelador.
¿Cuál es la diferencia entre congelación y solidificación? Que el primer proceso es altamente dependiente de la temperatura, de la pureza del líquido, y es un equilibrio termodinámico; mientras que el segundo, se relaciona más a cambios en la composición química de la sustancia que se solidifica, aun sin ser del todo líquida (una pasta).
Por lo tanto, una congelación es una solidificación; pero lo contrario no siempre es cierto. Además, para descartar el término solidificación, debe haber una fase líquida en equilibrio con el sólido de la misma sustancia; los icebergs cumplen con esto: flotan sobre agua líquida.
Así, se está frente a la congelación de un líquido cuando se forma una fase sólida como consecuencia de un descenso de la temperatura. La presión también influye en esta propiedad física, aunque sus efectos son menores en líquidos con bajas presiones de vapor.
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A medida que desciende la temperatura, la energía cinética promedio de las moléculas disminuye, y por lo tanto, se enlentecen un poco. Al ir más lentas en el líquido, llega un punto donde interactúan lo suficiente para formar un arreglo ordenado de molécula; este es el primer sólido, del cual crecerán cristales más grandes.
Si este primer sólido se “tambalea” demasiado, entonces será necesario disminuir aún más la temperatura hasta que sus moléculas permanezcan lo suficientemente quietas. La temperatura a la que se alcanza esto corresponde con el punto de congelamiento; a partir de allí, se establece el equilibrio líquido-sólido.
El escenario anterior acontece para sustancias puras; pero, ¿y si no lo son?
En dicho caso, las moléculas del primer sólido debe arreglárselas para incorporar a las moléculas foráneas. Como resultado, se forma un sólido impuro (o solución sólida), el cual necesita de una temperatura más baja que la del punto de congelación para su formación.
Se habla entonces del descenso del punto de congelación. Mientras haya más moléculas foráneas, o más correctamente hablando, impurezas, el líquido se congelará a temperaturas cada vez menores.
Dada una mezcla de dos compuestos, A y B, al descender la temperatura, A se congela, mientras que B permanece líquido.
El escenario es similar a lo recién explicado. Una parte de A todavía no se ha congelada, y está por tanto disuelta en B. ¿Se habla entonces del equilibrio de solubilidad más que el de una transición líquido-sólido?
Ambas descripciones son válidas: A precipita o se congela separándose de B al descender la temperatura. Toda A habrá precipitado cuando ya no quede nada de él disuelto en B; lo que es igual a decir que A se habrá congelado por completo.
Sin embargo, resulta más conveniente tratar el fenómeno desde el punto de vista de la congelación. Así, A se congela primero por tener un punto de congelación menor, mientras que B necesitará de temperaturas más frías.
No obstante, realmente el “hielo de A” consiste de un sólido que tiene una composición más rica de A que de B; pero B está allí también. Esto se debe a que A + B se trata de una mezcla homogénea, y por lo tanto, parte de esa homogeneidad se transfiere al sólido congelado.
¿Cómo se puede predecir o calcular el punto de congelación de una sustancia? Existen cálculos fisicoquímicos que permiten obtener un valor aproximado de dicho punto bajo otras presiones (distintas a 1atm, la presión ambiente).
Sin embargo, estos desembocan en la entalpía de fusión (ΔFus); ya que, la fusión es el proceso en sentido contrario de la congelación.
Además, experimentalmente es más fácil de determinar el punto de fusión de una sustancia o mezcla que su punto de congelación; aunque puedan parecer lo mismo, muestran ciertas diferencias.
Como se mencionó en el apartado anterior: a mayor concentración de impurezas, mayor será el descenso del punto de congelación. Esto también puede decirse del siguiente modo: mientras menor sea la fracción molar X del sólido en la mezcla, congelará a una menor temperatura.
La siguiente ecuación expresa y resume todo lo dicho:
LnX= -(ΔFus/R)(1/T – 1/Tº) (1)
Donde R es la constante de los gases ideales, la cual tiene un uso casi universal. Tº es el punto de congelación normal (a presión ambiente), y T es la temperatura a la que se congelará el sólido a una fracción molar X.
De esta ecuación, y tras una serie de simplificaciones, se obtiene la siguiente, más conocida:
ΔTc= KFm (2)
Donde m es la molalidad del soluto o impureza, y KF es la constante crioscópica del solvente o componente líquido.
A continuación se dará una breve descripción de la congelación de algunas sustancias.
El agua se congela alrededor de los 0ºC. Sin embargo, este valor puede menguar si contiene un soluto disuelto en ella; a decir, sal o azúcar.
Dependiendo de la cantidad de soluto disuelto, se tiene diferentes molalidades m; y al aumentar m, disminuye X, cuyo valor se puede sustituir en la ecuación (1) y así despejar T.
Por ejemplo, si se introduce en un congelador un vaso con agua, y otro con agua dulcificada (o cualquier bebida a base de agua), el vaso con agua se congelará primero. Esto se debe a que sus cristales se forman más rápido sin la perturbación de las moléculas de glucosa, iones, u otras especies.
Lo mismo pasaría si se metiera en el congelador un vaso con agua del mar. Ahora bien, el vaso con agua del mar puede o no congelarse primero que el vaso con agua dulcificada; la diferencia dependerá de la cantidad de soluto y no de su naturaleza química.
Es por esta razón que el descenso de Tc (temperatura de congelación) es una propiedad coligativa.
Los alcoholes se congelan a temperaturas más frías que el agua líquida. Por ejemplo, el etanol se congela alrededor de los -114ºC. Si se mezcla con agua y otros ingredientes, habrá al contrario un aumento del punto de congelación.
¿Por qué? Porque el agua, sustancia líquida y miscible con el alcohol, congela a una temperatura mucho mayor (0ºC).
Volviendo a la nevera con los vasos con agua, si esta vez se introduce una con una bebida alcohólica, esta será la última en congelarse. Mientras mayor sea el grado etílico, el congelador deberá enfriarla aún más para congelar la bebida. Es por esta razón que bebidas como el tequila son más difíciles de congelar.
La leche es una sustancia a base de agua, en la cual se encuentra dispersada la grasa junto con lactosa y fosfatos de calcio, además de otras lipoproteínas.
Aquellos componentes más solubles en agua son los que determinan qué tanto variará su punto de congelación con la composición.
En promedio, la leche se congela a una temperatura alrededor de los -0.54ºC, pero oscila entre -0.50 y -0.56 dependiendo del porcentaje de agua. Así, se puede saber si la leche ha sido adulterada. Y como puede verse, un vaso con leche se congelará casi a la par con el vaso con agua.
No todas las leches congelan a la misma temperatura, pues su composición también depende de su fuente animal.
El mercurio es el único metal que se encuentra en forma líquida a temperatura ambiente. Para congelarlo, es necesario disminuir la temperatura hasta los -38.83ºC; y esta vez se evitará la idea de verterlo en un vaso e introducirlo en un congelador, ya que podría acarrear terribles accidentes.
Nótese que el mercurio congela antes que el alcohol. Esto quizás se deba a que el cristal de mercurio vibra menos al consistir de átomos enlazados por enlaces metálicos; mientras que en el etanol, son moléculas de CH3CH2OH relativamente livianas que deben acomodarse lentamente.
De todos los ejemplos de punto de congelación, el de la gasolina es el más complejo. Al igual que la leche, es una mezcla; pero su base no es el agua, sino un grupo de varios hidrocarburos, cada uno con sus propias características estructurales. Algunos de moléculas pequeñas, y otras grandes.
Aquellos hidrocarburos con menores presiones de vapor se congelarán primero; mientras que los otros permanecerán en estado líquido, incluso si un vaso de gasolina se ve rodeado con nitrógeno líquido. No se formará propiamente un “hielo de gasolina”, sino un gel con tonalidades amarillas-verdosas.
Para congelar la gasolina completamente, quizás haga falta enfriar la temperatura hasta los -200ºC. A esta temperatura es probable que sí se forme el hielo de gasolina, pues todos los componentes de la mezcla se habrán congelado; es decir, ya no habrá una fase líquida en equilibrio con un sólido.
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