Cambios de estado

¿Qué son los cambios de estado?

Los cambios de estado, o de fase, son un fenómeno termodinámico donde la materia experimenta cambios físicos reversibles. Se dice que es termodinámico porque ocurre una transferencia de calor entre la materia y los alrededores; o lo que es igual, hay interacciones entre la materia y la energía que induce un reordenamiento de las partículas.

Las partículas que experimentan el cambio de estado siguen siendo las mismas antes y después del mismo. La presión y la temperatura son variables importantes en cómo estas se acomodan en una fase o en otra. Cuando acontece un cambio de estado, se forma un sistema bifásico, conformado por la misma materia en dos estados físicos diferentes.

En la imagen superior se muestran los principales cambios de estado que experimenta la materia en condiciones normales.

Un cubo sólido de una sustancia azulada puede tornarse líquido o gaseoso dependiendo de la temperatura y la presión de sus alrededores. Por sí solo representa una sola fase: la sólida. Pero, al momento de derretirse, esto es, fundirse, se establece un equilibrio sólido-líquido llamado fusión (flecha roja entre el cubo y la gota azulados).

Para que ocurra la fusión, el cubo necesita absorber calor de sus alrededores para aumentar su temperatura; por lo tanto, se trata de un proceso endotérmico. Una vez fundido el cubo por completo, se vuelve a tener una sola fase: la del estado líquido.

Esta gota azulada puede continuar absorbiendo calor, lo cual aumenta su temperatura y da lugar a la formación de burbujas gaseosas. Nuevamente, hay dos fases: una líquida y la otra gaseosa. Cuando todo el líquido se ha evaporado a través de su punto de ebullición, se dice entonces que ha hervido o se ha vaporizado.

Ahora, las gotas azuladas se transformaron en nubes. Hasta aquí, todos los procesos han sido endotérmicos. El gas azulado puede continuar absorbiendo calor hasta calentarse; sin embargo, dadas las condiciones terrestres, el gas, por el contrario, tiende a enfriarse y condensar nuevamente en el líquido (condensación).

Por otro lado, las nubes pueden también depositarse directamente en una fase sólida, formando otra vez el cubo sólido (deposición). Estos dos últimos procesos son exotérmicos (flechas azules); es decir, liberan calor al entorno o a los alrededores.

Además de la condensación y deposición, se da un cambio de estado cuando la gota azulada se congela a bajas temperaturas (solidificación).

Tipos de cambios de estado y sus características

En la imagen se muestran los cambios típicos para los tres estados (más comunes) de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Los cambios acompañados por las flechas rojas son endotérmicos, implican la absorción de calor; mientras que los acompañados por las flechas azules son exotérmicos, liberan calor.

A continuación, se hará una breve descripción de cada uno de estos cambios, resaltando algunas de sus características desde un razonamiento molecular y termodinámico.

• Fusión. La fusión es el cambio de estado de una sustancia desde el estado sólido al líquido. En el estado sólido, las partículas (iones, moléculas, clústeres, etc.) se encuentran “prisioneras”, ubicadas en posiciones fijas del espacio sin poder moverse con libertad. Sin embargo, son capaces de vibrar a diferentes frecuencias, y si estas son muy fuertes, comenzará a “desmoronarse” el riguroso orden impuesto por las fuerzas intermoleculares. Como resultado, se obtienen dos fases: una donde las partículas continúan confinadas (sólido) y otra donde son más libres (líquido), lo suficiente para aumentar las distancias que las separan entre sí. Para lograr esto, el sólido debe absorber calor, y así sus partículas vibrarán con mayor fuerza. Por esta razón la fusión es endotérmica, y cuando empieza se dice que ocurre un equilibrio entre las fases sólido-líquido. El calor necesario para dar pie a este cambio se le llama calor o entalpía molar de fusión (ΔH_Fus). Expresa la cantidad de calor (energía, en unidades de kJ principalmente) que debe absorber un mol de sustancia en estado sólido para fundirse, y no simplemente elevar su temperatura.
  • Bola de nieve. Con esto en mente, se entiende por qué una bola de nieve se derrite cuando se toma en la mano. La nieve absorbe el calor corporal, suficiente para elevar la temperatura de la nieve por encima de los 0 °C. Los cristales de hielo presentes en la nieve absorben el calor justo para derretirse y para que sus moléculas de agua adopten una estructura más desordenada. Mientras la nieve se funde, el agua formada no aumentará su temperatura, ya que todo el calor de la mano lo aprovecha la nieve para completar su fusión.

• Vaporización. La vaporización es el cambio de estado de una sustancia desde el estado líquido al gaseoso. Continuando con el ejemplo del agua, colocando ahora un puñado de nieve en una olla y encendiendo el fuego, se observa que rápidamente la nieve se funde. A medida que el agua se calienta, en su interior empiezan a formarse pequeñas burbujas de dióxido de carbono y otras posibles impurezas gaseosas. El calor dilata molecularmente las configuraciones desordenadas del agua, expandiendo su volumen y aumentando su presión de vapor; por lo tanto, hay varias moléculas que escapan de la superficie producto de la evaporación creciente. El agua líquida va aumentando su temperatura lentamente, debido a su alto calor específico (4,184J/°C∙g). Llega un punto en el que el calor que absorbe ya no lo utiliza para elevar su temperatura, sino para dar inicio al equilibrio líquido-vapor; es decir, comienza a hervir y todo el líquido pasará al estado gaseoso mientras absorbe calor y mantiene constante la temperatura. Aquí es donde se observa el burbujeo intenso en la superficie del agua al hervir. El calor que absorbe el agua líquida para que la presión de vapor de sus incipientes burbujas iguale a la presión externa, se llama entalpía de vaporización (ΔH_Vap).
  • El rol de la presión. La presión también es determinante en los cambios de estado. ¿Cuál es su efecto en la vaporización? Que a mayor presión, mayor es el calor que debe absorber el agua para hervir, y por tanto, se vaporiza por encima de los 100 °C. Esto se debe a que el incremento de la presión dificulta el escape de las moléculas de agua desde la fase líquida a la gaseosa. Las ollas de presión utilizan este hecho a su favor para cocinar los alimentos en agua a una temperatura por encima de su punto de ebullición. Por otro lado, al haber un vacío o disminución de la presión, el agua líquida necesita de una menor temperatura para hervir y pasar a la fase gaseosa. Con mucha o poca presión, al momento de hervir el agua necesita absorber su respectivo calor de vaporización para completar su cambio de estado.

• Condensación. La condensación es el cambio de estado de una sustancia desde el estado gaseoso al estado líquido. El agua se ha vaporizado. ¿Qué sigue? El vapor de agua puede aumentar todavía su temperatura, convirtiéndose en una corriente peligrosa capaz de provocar graves quemaduras. Sin embargo, en lugar de eso, supongamos que se enfría. ¿Cómo? Liberando calor al entorno, y al liberar calor se dice que está ocurriendo un proceso exotérmico. Al liberar calor, las moléculas gaseosas de agua muy energéticas empiezan a ralentizarse. Asimismo, sus interacciones empiezan a ser más efectivas a medida que desciende la temperatura del vapor. Primero se formarán gotitas de agua, condensadas del vapor, seguido de gotas de mayor tamaño que terminan por ser atraídas por la gravedad. Para condensar por completo una cantidad determinada de vapor, necesita liberar la misma energía, pero con signo opuesto, a ΔH_Vap; esto es, su entalpía de condensación ΔH_Cond. Así, se establece el equilibrio inverso, vapor-líquido.
  • Ventanas humedecidas. La condensación puede observarse en las ventanas de los hogares. En un clima frío, el vapor de agua contenido dentro de la casa colisiona con la ventana, la cual, por su material, tiene menor temperatura que otras superficies. Allí, les es más fácil a las moléculas de vapor agruparse, creando una fina capa blanquecina fácilmente removible con la mano. A medida que estas moléculas liberan calor (calentando el vidrio y el aire), comienzan a formar cúmulos más numerosos hasta poder condensar las primeras gotas (imagen superior). Cuando las gotas aumentan mucho su tamaño, se deslizan por la ventana y dejan una estela de agua.

• Solidificación. La solidificación es el cambio de estado de una sustancia desde el estado líquido al estado sólido.
  Ocurre a raíz del enfriamiento; en otras palabras, el agua se congela. Para congelarse, el agua debe liberar la misma cantidad de calor que absorbe el hielo para fundirse. Nuevamente, este calor se llama entalpía de solidificación o congelación, ΔH_Cong (-ΔH_Fus). Al enfriarse, las moléculas de agua pierden energía y sus interacciones intermoleculares se hacen más fuertes y direccionales. Como resultado, se ordenan gracias a sus puentes de hidrógeno y forman los denominados cristales de hielo. El mecanismo mediante el cual crecen los cristales de hielo ejerce un impacto sobre su apariencia: transparentes o blancos. Si los cristales de hielo crecen muy lentamente, estos no ocluyen impurezas, como los gases que a bajas temperaturas se solubilizan en el agua. Así, las burbujas van escapando y no pueden interaccionar con la luz; y en consecuencia, se tiene un hielo tan transparente como el de una estatua de hielo. Lo mismo que sucede con el hielo puede ocurrir con cualquier otra sustancia que solidifique por enfriamiento. Quizás este sea el cambio físico más complejo en condiciones terrestres, ya que se pueden obtener varios polimorfos.

• Sublimación. La sublimación es el cambio de estado de una sustancia desde el estado sólido al gaseoso.
  ¿Puede el agua sublimarse? No, al menos no en condiciones normales (T= = 25 °C, P=1 atm). Para que ocurra la sublimación, esto es, el cambio de estado de sólido a gas, la presión de vapor del sólido debe ser alta. Asimismo, es indispensable que sus fuerzas intermoleculares no sean muy fuertes, preferiblemente si constan solamente de fuerzas de dispersión. El ejemplo más emblemático es el yodo sólido. Es un sólido cristalino de tonalidades grisáceo-moradas, el cual presenta una presión de vapor elevada. Tal es así que en el acto, de él se desprende un vapor morado, cuyo volumen y expansión se hacen notables cuando se somete a calentamiento. En la imagen inferior se muestra un experimento típico donde se evapora yodo sólido en un recipiente de vidrio. Resulta interesante y llamativo observar cómo se difunden los vapores morados, y el estudiante iniciado puede constatar la ausencia de yodo líquido. Esta es la principal característica de la sublimación: no hay presencia de una fase líquida. Asimismo, es endotérmica, ya que el sólido absorbe calor para aumentar su presión de vapor hasta igualarse a la presión externa.

• Deposición. La deposición es el cambio de estado de una sustancia desde el estado gaseoso al estado sólido. Paralelo al experimento de sublimación del yodo, se tiene el de su deposición. La deposición es el cambio o transición contrario: la sustancia pasa del estado gaseoso al sólido sin la formación de una fase líquida. Cuando los vapores morados de yodo entran en contacto con una superficie fría, estos liberan calor para calentarla, perdiendo energía y reagrupándose sus moléculas nuevamente en el sólido grisáceo-morado (imagen superior). Se trata entonces de un proceso exotérmico. La deposición se usa mucho para las síntesis de materiales en donde se dopan con átomos metálicos mediante técnicas sofisticadas. Si la superficie es muy fría, el intercambio de calor entre ella y las partículas del vapor es brusco, omitiéndose el paso por la respectiva fase líquida. El calor o entalpía de deposición (y no depositación) es el inverso al de la sublimación (ΔH_Sub=- ΔH_Dep). En teoría, numerosas sustancias pueden sublimarse, pero para lograrlo es necesario manipular las presiones y temperaturas, además de que debe tener a la mano su diagrama P vs. T; en el cual pueden visualizarse sus distintas fases posibles.

Otros cambios de estado

Aunque no se mencionen, existen otros estados de la materia. A veces se caracterizan por tener “un poco de cada uno”, y ser por tanto una combinación de ellos. Para generarlos, se deben manipular las presiones y temperaturas a magnitudes muy positivas (grandes) o negativas (pequeñas).

Así, por ejemplo, si los gases se calientan sobremanera, perderán sus electrones y sus núcleos cargados positivamente en esa marea negativa constituirán lo que se conoce como plasma. Es sinónimo de “gas eléctrico”, ya que presenta una conductividad eléctrica alta.

Por otro lado, al descender demasiado las temperaturas, la materia puede comportarse de maneras insospechadas; es decir, exhibe propiedades únicas alrededor del cero absoluto (0 K).

Una de estas propiedades es la superfluidez y superconductividad; así como la formación de los condensados de Bose-Einstein, donde todos los átomos se comportan como uno solo.

Incluso, algunas investigaciones apuntan a la materia fotónica. En ellas, las partículas de la radiación electromagnética, los fotones, se agrupan para formar moléculas fotónicas. Es decir, se le estaría dando masa a unos cuerpos de luz, teóricamente.

Referencias

1. Helmenstine, A.M. List of Phase Changes Between States of Matter. Recuperado de thoughtco.com.
2. State of matter. Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Meyers, A. Phase Change: Evaporation, Condensation, Freezing, Melting, Sublimation & Deposition. Recuperado de study.com.
4. Bagley, M. Matter: Definition & the Five States of Matter. Recuperado de livescience.com.
5. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química (8va ed.). CENGAGE Learning.