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Vocabulario | equilibrio mezcla eutéctica depresión del punto de congelación fusión punto diagrama de fase soluto |
(Nota: Si ya estás familiarizado con los potenciales químicos, puede interesarte esta explicación termodinámica alternativa.)
Cuando el hielo y el agua se ponen en contacto ocurren dos cosas:
- Las moléculas de la superficie del hielo escapan hacia el agua(fusión), y
- las moléculas de agua son capturadas en la superficie del hielo (congelación).
- Cuando la tasa de congelación es la misma que la de fusión, la cantidad de hielo y la cantidad de agua no cambian en promedio (aunque hay fluctuaciones a corto plazo en la superficie del hielo).Se dice que el hielo y el agua están en equilibrio dinámico entre sí. El equilibrio entre la congelación y la fusión puede mantenerse a 0°C, el punto de fusión del agua, a menos que las condiciones cambien de manera que favorezcan uno de los procesos sobre el otro.
Si no ves la animación de arriba, hay una versión no animada disponible; o puedes descargar el plugin Flash gratuito de Macromedia.
El equilibrio entre los procesos de congelación y fusión puede alterarse fácilmente. Si la mezcla de hielo y agua se enfría, las moléculas se mueven más lentamente. Las moléculas que se mueven más lentamente son capturadas más fácilmente por el hielo, y la congelación se produce a un ritmo mayor que la fusión. Puedes ver una demostración de esto haciendo clic en la temperatura de la animación y poniéndola en un valor más bajo (digamos, -10).
A la inversa, calentar la mezcla hace que las moléculas se muevan más rápido en promedio, y se favorece la fusión. Reinicia la animación y luego introduce un valor más alto para la temperatura (digamos 10) y observa lo que ocurre.
Añadir sal al sistema también alterará el equilibrio. Considere la posibilidad de sustituir algunas de las moléculas de agua por moléculas de alguna otra sustancia. Las moléculas extrañas se disuelven en el agua, pero no se empaquetan fácilmente en el conjunto de moléculas del sólido.Prueba a pulsar el botón «Añadir soluto» en la animación anterior. Observa que hay menos moléculas de agua en el lado del líquido porque parte del agua ha sido sustituida por sal. El número total de aguas captadas por el hielo por segundo disminuye, por lo que la velocidad de congelación disminuye. La tasa de fusión no cambia por la presencia del material extraño, por lo que la fusión ocurre más rápido que la congelación.
Por eso la sal derrite el hielo.
Para restablecer el equilibrio, hay que enfriar la mezcla de hielo y agua salada por debajo del punto de fusión habitual del agua. Por ejemplo, el punto de congelación de una solución de NaCl 1 M es de aproximadamente -3,4°C. Cuanto mayor sea la concentración de sal, mayor será la depresión del punto de congelación.
Pero, según este modelo, ¿no causará cualquier sustancia extraña una depresión del punto de congelación? Sí. Por cada mol de partículas extrañas disueltas en un kilogramo de agua, el punto de congelación desciende aproximadamente entre 1,7 y 1,9 °C. El azúcar, el alcohol u otras sales también reducen el punto de congelación y derriten el hielo.La sal se utiliza en las carreteras y en las aceras porque es barata y fácil de conseguir.
Es importante darse cuenta de que la depresión del punto de congelación se produce porque la concentración de moléculas de agua en una solución es menor que la concentración en el agua pura. La naturaleza del soluto no importa. A partir del diagrama anterior, cabría esperar que los solutos con moléculas grandes bloquearan mejor las moléculas de agua que se desplazan hacia la superficie del hielo. La hipótesis de que los solutos con moléculas grandes provocan una mayor depresión del punto de congelación que los que tienen moléculas más pequeñas no concuerda con los datos experimentales. El error se debe a que el diagrama no se puede dibujar a escala; el tamaño de las moléculas es muy pequeño comparado con la distancia entre ellas.
Mapa de fases del agua salada. Extraído de un diagrama de R. E. Dickerson (Nota 3)
A medida que el hielo comienza a congelarse fuera del agua salada, la fracción de agua en la solución se hace más baja y el punto de congelación desciende aún más. La temperatura más baja posible para una solución salina líquida es de -21,1°C. A esa temperatura, la sal comienza a cristalizar fuera de la solución (como NaCl-2 H2O), junto con el hielo, hasta que la solución se congela completamente. La solución congelada es una mezcla de cristales de NaCl-2H2O separados y cristales de hielo, no una mezcla homogénea de sal y agua. Esta mezcla heterogénea se denomina mezcla eutéctica.
Referencias y notas
- Nótese que cuando la fusión se ha completado, puede pasar un tiempo para que el hielo comience a formarse de nuevo, incluso si la temperatura es bastante baja. Un «cristal semilla» de hielo debe formarse por colisiones fortuitas antes de que el crecimiento del cristal comience realmente. Los líquidos reales pueden existir durante algún tiempo por debajo de sus puntos de fusión normales.
- Para una explicación termodinámica de la depresión del punto de congelación, véase ¿Cómo se puede explicar la depresión del punto de congelación en términos de energías libres?
- El diagrama de fases del agua salada se basa en la Figura 6-59, p. 376 de Molecular Thermodynamics de R. E. Dickerson (Pasadena, California), 1969.
Autor: Fred Senese [email protected]