Técnico de Laboratorio DGA. Tema Tema 2: Leyes fundamentales
TEMA TE MA 2 LE LEYE YES S FU FUND NDAM AMEN ENTA TALE LES S DE LA MA MATE TERI RIA. A. CA CAMB MBIO IOS S DE ESTADO. FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN, EVAPORACIÓN Y EBULLICIÓN, SUBLIMACIÓN Y CONDENSACIÓN. DESTILACIÓN. 1. Cambios d s!ado. F"si#$ % so&idi'i(a(i#$, )a*o+a(i#$ % b"&&i(i#$, s"b&ima(i#$ s"b&ima(i# $ % (o$d$sa(i# (o$d$sa(i#$. $. Se denomina cambio de estado la evolución de la materia materia entre entre varios estados de agrega agregación ción sin que ocurra un cambio en su comosición. Los tres estados m!s estudiados y comunes en la Tierra son son el sólido sólido"" el l#quido y el gaseoso gaseoso$$ no obstante" el estado de agregación m!s com%n en el &niverso es el lasma lasma"" material del que est!n comuestas las estrellas 'si se descarta la materia oscura(. oscura (. Son los rocesos en los que un estado de la materia cambia a otro manteniendo una seme)an*a en su comosición. La siguiente tabla indica cómo se denominan los cambios de estado:
\Final
Inicial
Sólido
Líquido
Sólido Líquido Gas
G as sublimación"" sublimació sublimación sublimación n rogresiva rogresiva o
fusión
sublimación directa
solidificación subl su blima imaci ción ón
evaoración o evaoración o ebullición inve in vers rsa a" condensación
regresiva o deosición
y
licuefacción
'licuación(
También se uede ver claramente con el siguiente gr!fico:
+
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,n el diagrama ad)unto" faltar#a concretar lo que es -licuefacción-" que es aso a l#quido. Se dice que el a*%car se lic%a cuando al calentarse asa de estado en granos cristali*ados a ser un l#quido marrón" de alta viscosidad.
De Sólido Líquido Gas Plasma
a Sólido
Líquido
Gas
Transformación de sólido a sólido usión Sublimación Solidificación 01A ,bullición1,vaoración Deosición ondensación 01A / / 4ecombinación1Deioni*ación Tabla +. 5aso de una sustancia de un estado a otro
Plasma / / 3oni*ación 01A
,s imortante 6acer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias" éstas no se transforman en otras sustancias" solo cambia su estado f#sico. Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y rovec6osas ara la vida y el sustento del 6ombre cuando se desarrollan normalmente. Los cambios de estado est!n divididos generalmente en dos tios: rogresivos y regresivos. Cambios progresivos: 7aori*ación" fusión y sublimación rogresiva. Cambios regresivos: ondensación" solidificación y sublimación regresiva
A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia.
FUSIÓN ,s el aso de un sólido al estado l#quido or medio del calor $ durante este roceso endotérmico 'roceso que absorbe energ#a ara llevarse a cabo este cambio( 6ay un unto en que la temeratura ermanece constante. La fusión es un roceso f#sico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al estado l#quido or la acción del calor . uando se calienta un sólido" se transfiere calor a los !tomos" los cuales vibran con m!s raide* a medida que ganan energ#a.
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,l roceso de fusión de la materia es el mismo que el de fundición" ero este %ltimo término se alica generalmente a sustancias como los metales" que se lic%an a altas temeraturas" y a sólidos cristalinos. uando una sustancia se encuentra a su temeratura de fusión" el calor que se suministra es absorbido or la sustancia durante su transformación" y no roduce variación de su temeratura. ,ste calor adicional se conoce como calor de fusión. ,l término fusión se alica también al roceso de calentar una me*cla de sólidos ara obtener una disolución l#quida simle.
Punto de fusión ,l -unto de fusión- es la temeratura a la cual la materia asa de estado sólido a estado l#quido" es decir" se funde" or lo que su valor es articular ara cada sustancia. uando dic6as moléculas se mover!n en una forma indeendiente" transform!ndose en un l#quido. &n e)emlo odr#a ser un 6ielo derritiéndose" ues asa de estado sólido al l#quido.
5untos de fusión 'en a*ul( y untos de ebullición 'en rosado( de los oc6o rimeros !cidos carbo8#licos '9(.
Al efecto de fundir un metal se le llama fusión 'no odemos confundirlo con el unto de fusión(. También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir una sustancia sólida" congelada o astosa" en l#quida. ,n la mayor#a de las sustancias" el unto de fusión y de congelación" son iguales. 5ero esto no siemre es as#: or e)emlo" el agar/agar se funde a ; 9 y se solidifica a artir de los <+ 9 a => 9$ este roceso se conoce como 6istéresis. ,n geolog#a" se denomina unto de solidus a la temeratura en la que emie*a a fundirse una roca y unto de liquidus a la temeratura en la que la fusión es total. Tanto la resencia de agua como una disminución de la resión ueden reba)ar los untos de solidus y liquidus de una roca" facilitando la formación de magmas sin aumentar la temeratura.
SOLIDIFICACIÓN ,s el aso de un l#quido a sólido or medio del enfriamiento$ el roceso es e8otérmico. La solidificación es un roceso f#sico que consiste en el cambio de estado de la materia de l#quido a sólido roducido or una disminución en la temeratura o or una comresión de este material. ,s el roceso inverso a la fusión" y sucede a la misma temeratura. ,)emlo de esto es cuando colocamos en el congelador agua" como la temeratura es muy ba)a esto 6ace que se 6aga 6ielo" o en ocas alabras" aumenta el volumen al solidificarse" aunque no sucede en todos los casos. <
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También se llama solidificación al roceso de endurecimiento de materiales como el cemento o la arcilla" en esos casos al des6idratarse a temeratura constante. ,l -unto de solidificación- o de congelación es la temeratura a la cual el l#quido se solidifica y ermanece constante durante el cambio" y coincide con el unto de fusión si se reali*a de forma lenta 'reversible($ su valor es también esec#fico.
VAPORIZACIÓN ! "#ULLICIÓN Son los rocesos f#sicos en los que un l#quido asa a estado gaseoso. Si se reali*a cuando la temeratura de la totalidad del l#quido iguala al unto de ebullición del l#quido a esa resión continuar calent!ndose el l#quido" éste absorbe el calor" ero sin aumentar la temeratura: el calor se emlea en la conversión del agua en estado l#quido en agua en estado gaseoso" 6asta que la totalidad de la masa asa al estado gaseoso. ,n ese momento es osible aumentar la temeratura del gas. La $a%o&i'ación es el rincial roceso mediante el cual el agua cambia de estado. ,n el camo teraéutico" la vaori*ación denomina el uso medicinal de vaores" en esecial en conte8tos relacionados con aguas termales.
"$a%o&ación( se roduce cuando el estado l#quido cambia lentamente y gradualmente a estado gaseoso" tras 6aber adquirido suficiente energ#a ara vencer la tensión suerficial. A diferencia de la ebullición" la evaoración se roduce a cualquier temeratura" siendo m!s r!ida cuanto m!s elevada esta. 0o es necesario que toda la masa alcance el unto de ebullición. uando e8iste un esacio libre encima de un l#quido" una arte de sus moléculas est! en forma gaseosa" al equilibrase" la cantidad de materia gaseosa define la resión de vaor saturante" la cual no deende del volumen" ero var#a seg%n la naturale*a del l#quido y la temeratura. Si la cantidad de gas es inferior a la resión de vaor saturante" una arte de las moléculas asan de la fase l#quida a la gaseosa: eso es la evaoración. uando la resión de vaor iguala a la atmosférica" se roduce la ebullición.?@ ,n 6idrolog#a" la evaoración es una de las variables 6idrológicas imortantes al momento de establecer el balance 6#drico de una determinada cuenca 6idrogr!fica o arte de esta. ,n este caso" se debe distinguir entre la evaoración desde suerficies libres y la evaoración desde el suelo. La evaoración de agua es imortante e indisensable en la vida" ya que el vaor de agua" al condensarse se transforma en nubes y vuelve en forma de lluvia" nieve" niebla o roc#o. 7ista como una oeración unitaria" la evaoración es utili*ada ara eliminar el vaor formado or ebullición de una solución o susensión l#quida.
Fenómeno físico ,l movimiento térmico de una molécula de l#quido debe ser suficiente ara vencer la tensión suerficial y evaorar" esto es" su energ#a cinética debe e8ceder el traba)o de co6esión alicado or la tensión suerficial a la suerficie del l#quido. 5or eso" la evaoración acontece m!s r!idamente a altas temeraturas" a altos caudales entre las fases l#quida y vaor y en l#quidos con ba)as tensiones suerficiales 'esto es" con resión de vaor m!s elevadas(. =
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on solamente una roorción equea de moléculas locali*ada cerca de la suerficie y moviéndose en la dirección correcta ara escaar del l#quido en un cierto instante" la tasa de evaoración es limitada. Adem!s" como las moléculas de mayor energ#a escaan y las que quedan tienen menor energ#a cinética media" la temeratura del l#quido se reduce. ,ste fenómeno también es llamado de enfriamiento evaporativo. &n e)emlo ara dic6o fenómeno es la transiración 'sudor (.
Equilibrio evaporativo Si la evaoración ocurre en un reciiente cerrado" las moléculas que escaan del l#quido se acumulan en forma de vaor arriba del l#quido. Buc6as de esas moléculas regresan al estado l#quido. uando el roceso de escae y regreso alcan*a un equilibrio" el vaor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la resión de vaor o en la temeratura del l#quido.
5resión del vaor de agua frente a la temeratura. 'C> Torr E + atm(
")ullición( es el roceso f#sico en el que la materia asa a estado gaseoso. ambio de estado que ocurre or aumento de la temeratura en el interior del l#quido. Se reali*a cuando la temeratura de la totalidad del l#quido iguala al unto de ebullición del l#quido a esa resión. Si se contin%a calentando el l#quido" éste absorbe el calor" ero sin aumentar la temeratura: el calor se emlea en la conversión de la materia en estado l#quido al estado gaseoso" 6asta que la totalidad de la masa asa al estado gaseoso. ,n ese momento es osible aumentar la temeratura de la materia" ya como gas. ,ste roceso es muy distinto a la evaoración" que es aulatino y ara el que" en altitudes sueriores" la resión atmosférica media disminuye" or lo que el l#quido necesita temeraturas menores ara entrar en ebullición. ,n una olla a resión" el agua" or e)emlo" llega a una temeratura de +2> o +<> 9 antes de 6ervir" debido a la mayor resión alcan*ada or los gases en su interior. Gracias a esta mayor temeratura del agua en el interior de la olla" la cocción de la comida se da m!s r!idamente. La adición de aditivos al agua uede 6acer aumentar o disminuir su unto de ebullición. ,l roceso de ebullición del agua" esecialmente a alta resión" se utili*a desde la antigFedad como medio ara esterili*ar el agua" debido a que algunos microorganismos mueren a esta temeratura.
Punto de ebullición ,l unto de ebullición es la temeratura a la cual un l#quido determinado 6ierve 'a una resión dada(" y ermanece constante mientras dure el roceso de cambio de estado. ,s aquella ;
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temeratura en la cual la materia cambia de estado l#quido a gaseoso" es decir se ebulle. ,8resado de otra manera" en un l#quido" el unto de ebullición es la temeratura a la cual la resión de vaor del l#quido es igual a la resión del medio que rodea al l#quido. ,n esas condiciones se uede formar vaor en cualquier unto del l#quido. La temeratura de una sustancia o cuero deende de la energ#a cinética media de las moléculas. A temeraturas inferiores al unto de ebullición" sólo una equea fracción de las moléculas en la suerficie tiene energ#a suficiente ara romer la tensión suerficial y escaar. ,ste incremento de energ#a constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entro#a del sistema 'tendencia al desorden de las art#culas que lo comonen(. ,l unto de ebullición deende de la masa molecular de la sustancia y del tio de las fuer*as intermoleculares de esta sustancia. 5ara ello se debe determinar si la sustancia es covalente olar" covalente no olar" y determinar el tio de enlaces ' diolo ermanente / diolo inducido o uentes de 6idrógeno(.
COND"NSACIÓN Se denomina condensación al cambio de fase de la materia que se encuentra en forma gaseosa 'generalmente vaores( y asa a forma l#quida. ,s el roceso inverso a la vaoración. Si se roduce un aso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa" el roceso es llamado sublimación inversa. Si se roduce un aso del estado l#quido a sólido se denomina solidificación.
Proceso Aunque el aso de gas a l#quido deende" entre otros factores" de la resión y de la temeratura" generalmente se llama condensación al tr!nsito que se roduce a resiones cercanas a la ambiental. uando se usa una sobreresión elevada ara for*ar esta transición" el roceso se denomina licuefacción. ,l roceso de condensación suele tener lugar cuando un gas es enfriado 6asta su unto de roc#o" sin embargo este unto también uede ser alcan*ado variando la resión. ,l equio industrial o de laboratorio necesario ara reali*ar este roceso de manera artificial se llama condensador . La ciencia que estudia las roiedades termodin!micas del aire 6%medo y los efectos que tiene la variación de la 6umedad atmosférica sobre los materiales y el ser 6umano. Las interrelaciones entre los ar!metros que determinan la condición del aire 6%medo se reresentan en los diagramas sicrométricos. La condensación es un roceso regido con los factores en cometición de energ#a y entro#a. Bientras que el estado l#quido es m!s favorable desde el unto de vista energético" el estado gas es el m!s entróico.
Condensación en la naturaleza ,n la naturale*a se da el roceso de la condensación de vaor de agua al ba)ar la temeratura" or e)emlo" con el roc#o en la madrugada. ,l vaor sólo se condensa en una suerficie cuando la temeratura de dic6a suerficie es menor que la temeratura del vaor. Durante este roceso la molécula de agua libera energ#a en forma de calor" esto tiene arte de la resonsabilidad de la sensación de temeratura mayor en un ambiente muy c!lido y muy 6%medo: la 6umedad que
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condensa en nuestra iel nos est! transmitiendo un calor adicional. Adicionalmente" esta 6umedad 6ace in%til el roceso natural de refrigeración or sudor y evaoración. La temeratura ambiental también aumenta ligeramente.
Aplicaciones La condensación es esencial ara el roceso de destilación" un roceso muy imortante tanto ara el traba)o en el laboratorio como ara alicaciones industriales. ,l 6ec6o de que la condensación sea un roceso natural" el llamado roc#o" rovoca que sea de gran utilidad ara conseguir agua: 5odemos encontrar muc6as estructuras creadas con el %nico roósito de conseguir agua a artir de la condensación" como el caso del estanque de roc#o o un colador ara recoger la 6umedad del aire. Buc6os de los sistemas que se usan ara recoger agua a artir de la condensación son usados ara arovec6ar y mantener la 6umedad de la tierra en *onas con una avan*ada desertificación en roceso. Algunas organi*aciones educan a los 6abitantes de dic6as *onas ara ayudarles a afrontar la situación.
SU#LI*ACIÓN Del lat#n sublimāre, también denominado volatili*ación" es el roceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin asar or el estado l#quido. Al roceso inverso se le denomina de%osición o su)limación &e+&esi$a$ es decir" el aso directo del estado gaseoso al estado sólido. &n e)emlo cl!sico de sustancia caa* de sublimarse a resión y temeratura ambiente es el 6ielo seco.
El ciclo del agua y la sublimación ,l agua uede encontrarse en cuatro estados: sólida" l#quida" gaseosa y lasm!tica. ,l agua en la Tierra constituye la 6idrosfera" y se distribuye en tres tios de reservas o comartimentos esenciales" articularmente dentro del medio ecológico" los océanos" los continentes y la atmósfera" entre los que e8iste una continua circulación que configura el ciclo 6idrológico. ,l ciclo 6idrológico es mantenido or la radiación del sol" que roorciona la energ#a" y la fuer*a gravitatoria " que condiciona y orienta la circulación. 5or medio de esta secuencia de fenómenos" el agua de la suerficie terrestre asa como vaor a la atmósfera y regresa a sus fases l#quidas y sólidas a través de las diversas formas de reciitación. ,l agua asa al estado de vaor" no sólo or la evaoración directa y la transiración de las lantas y animales" sino or sublimación 'aso directo del agua sólida a vaor de agua(.
El fenómeno de sublimación progresiva Los sólidos tienen resiones de vaor" caracter#sticas que oscilan con la temeratura como sucede con l#quidos. Aumentando la temeratura" aumenta también la resión de vaor del sólido. ,l suceso de la estabili*ación de un sólido con vaor saturado" que var#a su resión con la temeratura" a esa infle8ión se llama curvatura de sublimación. ,ste fenómeno ocurre a menor resión y menor temeratura que el unto trile de un Diagrama de fase de la sustancia estudiada. Se determina como sublimación el indicar la conversión directa sólido/vaor" sin la intervención C
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l#quida. 5or e)emlo" la urificación del yodo" a*ufre" naftaleno o !cido ben*oico resultan muy viables or sublimación" debido a que las resiones de vaor de estos sólidos tienen valores bastante elevados. Los olores caracter#sticos de muc6as sustancias sólidas" como las nombradas" son debido a que estas sustancias tienen una resión de vaor areciable a temeratura ambiente. tro e)emlo es el m!s com%n ara ilustrar sublimación es a través de 6ielo seco" que es el nombre com%n que se le da al 2 sólido. uando el 6ielo seco se e8one al aire" éste comien*a a sublimar 'se convierte en vaor(. Algunos e)emlos odr#an ser: /&na naftalina cuando se ec6a a la sartén asa de sólido a gas inmediatamente.
El fenómeno de sublimación regresiva o inversa deposición! ,s el roceso inverso a la sublimación rogresiva" es decir" el aso directo de gas a sólido. 5or e)emlo" cuando se roducen vaores al calentarse cristales de yodo y luego se one sobre ellos un ob)eto que est! muy fr#o$ entonces" los vaores se transformar!n nuevamente en cristales de yodo. Históricamente la alabra sublimado se refirió a las sustancias formadas or deosición a artir de IvaoresJ 'gases(" como el Isublimado corrosivoJ" cloruro merc%rico" formado or alteración de los calomelanos cristali*ado obtenido durante las oeraciones alqu#micas. ualquier sustancia ura uede sublimarse" esto es debido a condiciones de resiones sueriores y temeraturas inferiores a la que se roduce dic6a transición. ,n la naturale*a la sublimación inversa se observa en la formación de la nieve o de la escarc6a. Las art#culas artiendo de las cuales se roduce la acreción o acrecimiento lanetario" se forman or sublimación inversa a artir de comuestos en estado gaseoso originados en suernovas.
D"SIONIZACIÓN ,s el cambio de un lasma a gas.
IONIZACIÓN ,s el cambio de un gas a un lasma.
