Ebullición

¿Qué es la ebullición?

La ebullición es el cambio de estado o fase de un líquido al estado gaseoso. Se produce cuando un líquido es calentado hasta alcanzar su punto de ebullición: la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala la presión atmosférica que se ejerce sobre la superficie del mismo.

En general, en la ebullición, el calor es suministrado en la parte inferior del recipiente que contiene el líquido. Allí comienza la formación de las burbujas que van aumentando de volumen a medida que ascienden hacia la superficie del líquido, debido a que la presión sobre ellas va disminuyendo al ascender.

Cuando el líquido que se calienta es agua, las burbujas contienen vapor de agua; es decir, ya contienen el agua en estado gaseoso. Además, las burbujas se encuentran distribuidas en todo el volumen del líquido. La temperatura de ebullición del agua es alrededor de 100 °C, a una presión de 1 atm (760 mmHg).

Para producirse el cambio de estado de la fase líquida a la gaseosa, es necesario suministrar energía (entalpía de vaporización). Mientras se produce la ebullición, la temperatura del agua permanece constante en 100 °C, ya que a medida que salen moléculas de agua líquida como vapor de agua, se pierde energía térmica.

Tipos de ebullición

Hay dos tipos principales de ebullición: de nucleado y de flujo de calor crítico. 

En la ebullición de nucleado se forman burbujas de pequeño volumen en diferentes sitios del volumen del líquido.

Mientras, en la ebullición de flujo de calor crítico, ocurre cuando la superficie donde se suministra calor para originar la ebullición se calienta por encima de un valor crítico de temperatura, formándose una capa de vapor sobre la superficie.

Punto de ebullición

• Factores que determinan el punto de ebullición
  • Presión atmosférica. Un aumento de la presión atmosférica trae como consecuencia una elevación del punto de ebullición, ya que es necesario incrementar la presión de vapor de agua para igualar la presión atmosférica. Para lograrlo, debe aumentarse la temperatura del agua, haciendo necesario un mayor gasto calórico. Por el contrario, al disminuir la presión atmosférica, tal como ocurre en una montaña de gran altitud sobre el nivel del mar, disminuye el punto de ebullición, ya que se requiere de una presión de vapor menor que iguale a la presión atmosférica.
  • Fuerzas intermoleculares. Las moléculas en solución tienen varios tipos de interacciones, entre ellas, las fuerzas de dispersión o de London, las fuerzas dipolo-dipolo y los puentes de hidrógenos. Cuanto mayor sea la magnitud de estas fuerzas, mayor será el punto de ebullición. Se requiere de energía calórica para romper la interacción entre las moléculas, de modo que puedan tener la energía suficiente para la ebullición. Por ejemplo, el éter metílico (C₂H₆O) tiene un punto de ebullición de 25 °C, mientras el éter etílico (C₄H₁₀O) tiene un punto de ebullición de 78,5 °C. La diferencia entre los puntos de ebullición, a pesar de tener estructuras químicas semejantes, se explica porque el éter etílico tiene mayor masa molecular; ambos forman puentes de hidrógeno, pero las fuerzas dispersivas en el C₄H₁₀O son más fuertes que en el C₂H₆O.

Diferencia entre ebullición y evaporación

La ebullición se origina en el líquido cercano de la fuente de calor, extendiéndose luego por todo el volumen del líquido. Se observa en esta animación:

Mientras tanto, la evaporación es un fenómeno de la superficie del líquido.

La evaporación ocurre cuando una molécula del líquido de la interfase aire-líquido tiene suficiente energía para vencer la tensión superficial ejercida sobre ella, por lo que se produce su escape del seno del líquido y pase a la fase gaseosa.

La evaporación puede producirse a cualquier temperatura, pero la posibilidad de su ocurrencia aumenta con la temperatura. En la siguiente imagen se observa agua evaporándose del suelo:

Ejemplos de ebullición

• Esterilización por vapor de agua. Se realiza en un equipo llamado autoclave, el cual tiene la capacidad de generar presiones altas ejercidas por el vapor de agua imposibilitado de escapar. Asimismo, se produce un aumento del punto de ebullición del agua, lo que permite alcanzar temperaturas superiores a los 100 °C. En la autoclave se esterilizan materiales para el cultivo de tejidos, materiales quirúrgicos, materiales de uso en los laboratorios, medios de cultivo, etc. Las condiciones usadas para la esterilización en la autoclave son: 15 libras de presión, temperatura de 121 °C y una duración de 15 minutos.

• Cocción de alimentos. Los alimentos se calientan colocándolos dentro del agua. Durante su cocción se usan temperaturas que igualan el punto de ebullición del agua (100 °C). Los alimentos son calentados, durante el tiempo que la experiencia señala, para alcanzar las condiciones óptimas para su ingestión. La comida china utiliza un mínimo de ebullición y vapor con el fin de preservar el color, la textura y el sabor de los alimentos. El tipo de cocina conocido como simmer utiliza temperaturas debajo del punto de ebullición. También se usa el cocimiento de los alimentos mediante el uso del vapor de agua.
• Olla de presión. La olla de presión se usa en la cocción de los alimentos. Su funcionamiento se basa en su capacidad para limitar el escape del vapor de agua producido a la atmósfera, lo que genera un incremento de la presión interna. El aumento de la presión ejercida sobre la superficie del líquido en la olla se traduce en un aumento del punto de ebullición y el alcance de temperaturas superiores a 100 °C. Esto reduce el tiempo de cocción y, por ende, se ahorra en el uso de combustibles.

• Disipación del calor. El agua se hierve en superficies hidrofílicas para enfriar los reactores nucleares y los dispositivos electrónicos de alta potencia, evitando así que se sobrecalienten. Para alcanzar el punto de ebullición y hervir, el agua debe tomar calor de su entorno y esto produce una disminución en la temperatura de este.
• Determinación de la masa molar de solutos. El aumento del punto de ebullición del agua es una propiedad coligativa y, por lo tanto, dependiente de la concentración del soluto disuelto. Conociéndola, se puede estimar la masa molar del soluto. Sin embargo, hay métodos más precisos, como, por ejemplo, la espectrometría de masa, la cual sigue siendo un método útil.
• Industria azucarera. En la refinación del azúcar de caña para la producción del azúcar cristalina, se hierve el jugo de caña y la temperatura que alcanza depende de la concentración del azúcar en él. La elevación del punto de ebullición del jugo de caña es una medida de concentración del azúcar en la solución. Esta es una información importante para lograr la cristalización del azúcar.

Referencias

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química (8va ed.). CENGAGE Learning.
2. Helmenstine, A.M. Boiling Definition in Chemistry. Recuperado de thoughtco.com.
3. Boiling point. Recuperado de en.wikipedia.org.
4. Boiling. Recuperado de britannica.com.
5. Brennan, J. Uses of the Boiling Point Elevation. Recuperado de sciencing.com.