Punto de ebullición

¿Qué es el punto de ebullición?

El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido iguala la presión atmosférica que rodea al líquido, haciendo que se transforme en vapor. Durante esta fase ocurre la aparición de burbujas que ascienden hacia la superficie del líquido y escapan al aire.

Por otro lado, el punto de ebullición normal o estándar es la temperatura a la cual hierve un líquido al nivel de mar; es decir, a una atmósfera de presión (101,325 kPa). Mientras, el IUPAC (1982) define el punto de ebullición como la temperatura a la cual hierve un líquido a una presión de 100,000 kPa.

El punto de ebullición normal del agua es 99,97 °C. Pero en el monte Everest, a una altura sobre el nivel de mar de 8.848 m y a una presión atmosférica de 34 kPa, es de 71 °C. El punto de ebullición estándar recomendado por el IUPAC es de 99,61 °C a una presión de 100,00 kPa (1 bar).

De lo anterior se deduce que la presión atmosférica es un factor determinante en el valor del punto de ebullición, ya que es la presión que debe alcanzar un líquido para hervir. Cuanto mayor es la presión atmosférica a la que se expone un líquido, mayor será su punto de ebullición. Lo contrario también es cierto.

¿Cómo calcular el punto de ebullición?

Tomando como ejemplo el agua, una manera sencilla de calcular el valor del punto de ebullición es utilizando una de sus propiedades coligativas; es decir, el aumento de su punto de ebullición por la presencia de solutos en la solución acuosa.

El punto de ebullición del agua aumenta al añadirle solutos, debido a la interacción entre las moléculas de agua y las moléculas de los solutos.

El aumento del punto de ebullición del agua viene dado por la expresión matemática siguiente:

ΔT_e = K_e · m

ΔT_e = variación del  punto de ebullición

K_e = constante de ebullición

m = molalidad de la solución

Aumento del punto de ebullición

El punto de ebullición en sí mismo no puede calcularse sino determinarse. No obstante, la ecuación anterior permite calcular el aumento de este valor. El siguiente ejercicio permite aclarar esto:

Ejercicio

Calcular la variación en el punto de ebullición del agua al agregarle 30 g de cloruro de sodio (NaCl) a 250 g de agua, sabiendo que la constante de ebullición (Ke) tiene un valor de 0,52 °C·Kg/mol. Peso molecular del NaCl = 58,5 g/mol.

Si el punto de ebullición del agua es de 100 °C: ¿Cuál será el valor del punto de ebullición de la solución de NaCl?

Primer paso

Cálculo de los moles de NaCl:

moles de NaCl = 30 g / (58,5 g/mol)

= 0,513 moles

Segundo paso

Cálculo de la molalidad de la solución:

0,513 moles de NaCl están disueltos en 300 g de agua. Para obtener la molalidad de la solución, se llevan los moles de NaCl a 1.000 g (kg).

Moles de solutos / kg de agua (molalidad) = (0,513 moles/300 g de agua)· (1000 g de agua/kg de agua)

= 1,71 moles/kg de agua

Tercer paso

Cálculo del aumento del punto de ebullición debido al añadido de NaCl:

ΔT_e = m · K_e

ΔT_e = 1,71 (mol/kg de agua) · 0,52 °C · (kg de agua/mol)

= 0,889 °C

Cuarto paso

Cálculo del punto de ebullición de la solución de NaCl:

T_eNaCl = T_eH₂O  +   ΔTe

= 100 ºC  +  0,889 °C

= 100,889 °C

Ejemplos de puntos de ebullición

• Agua. El punto de ebullición normal del agua es de 99,97 °C. Este valor es relativamente alto dado el tamaño pequeño de su molécula. Sin embargo, se explica por su inusual polaridad y su capacidad de establecer enlaces de hidrógeno con moléculas vecinas o afines. El átomo de oxígeno tiene mayor afinidad por los electrones que el átomo de hidrógeno. Por lo tanto, los electrones del enlace covalente O-H se desplazan hacia el oxígeno, quedando este cargado negativamente; mientras que el átomo de hidrógeno, cargado positivamente. En consecuencia, las moléculas de agua son dipolos que pueden interaccionar con otras moléculas de agua, constituyendo una fuerza intermolecular que contribuye al aumento del punto de ebullición. Además, el agua utiliza el átomo de oxígeno para formar puentes de hidrógeno con otras moléculas de agua (H₂O—HOH).

• Alcohol. Los alcoholes presentan en su estructura grupos OH. Estos grupos son polares, lo que genera la interacción dipolo-dipolo entre las moléculas similares. Los alcoholes también pueden formar puentes de hidrógeno. Estas dos interacciones representan las principales contribuciones a las fuerzas intermoleculares. Estas fuerzas explican por qué los puntos de ebullición de los alcoholes son más elevados que los hidrocarburos correspondientes. Los principales factores que determinan los puntos de ebullición en los alcoholes son la masa molecular y su estructura. El punto de ebullición se incrementa al aumentar el número de átomos de carbono y disminuye con la ramificación. Por ejemplo: el etanol tiene un punto de ebullición de 78,37 °C, pero el metanol de 66 °C, y el alcohol isopropílico de 80,3 °C.
• Aceites. Los aceites se descomponen por el calentamiento antes de alcanzar el punto de ebullición o hervir, por lo que las estimaciones de sus puntos de ebullición son escasas e imprecisas. El punto de ebullición estimado para el aceite de soja es de 300 °C. En lugar de los puntos de ebullición, se reportan sus puntos de humo o de combustión. Estos son alcanzados al calentar un aceite hasta una temperatura determinada, a la cual aparece un humo de color azulado, indicativo del inicio de la descomposición del aceite. Los siguientes son ejemplos del punto de humo de algunos aceites: aceite de almendra 221 °C; aceite canola 220 °C; aceite de coco 232 °C; y aceite de oliva virgen 210 °C.

• Oro. El oro es un metal precioso con una densidad de 19,32 g/cm³. Presenta un punto de ebullición elevado, debido a la presencia del enlace metálico. Sin embargo, hay discrepancias entre los valores reportados para su punto de ebullición, que quizás reflejan diferencias en el grado de pureza de las muestras de oro sometidas al estudio.
• Leche. La leche es una solución acuosa que presenta solutos de diferente naturaleza y composición; sales, azúcares, proteínas, lípidos, aminoácidos, etc. El punto de ebullición de la leche es ligeramente superior al del agua, debido a lo afines que son estos compuestos con el agua, por lo que es más difícil evaporarla.
• Azúcar. La glucosa tiene un punto de fusión de 146 °C, el cual coincide con el punto de descomposición de la glucosa. Por lo tanto, no se puede obtener su punto de ebullición. Igual situación ocurre con la sacarosa, el azúcar de mesa, que tiene un punto de fusión de 186 °C y un punto de descomposición de 186 °C. El punto de fusión es la temperatura a la cual un elemento o compuesto químico pasa del estado sólido al estado líquido. Por lo que al descomponerse el azúcar no hay un líquido estable para la determinación de su punto de ebullición.
• Hierro. El punto de ebullición del hierro es 2.861 °C. Este valor alto se explica por la gran cantidad de energía necesaria para vencer la fuerza de atracción entre los átomos metálicos. Además, es necesario vencer numerosas fuerzas electrostáticas debido a la estructura en forma de red del metal.

Referencias

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química (8va ed.). CENGAGE Learning.
2. Boiling point. Recuperado de en.wikipedia.org.
3. Helmenstine, A.M. Definition of Boiling Point in Chemistry. Recuperado de thoughtco.com.
4. Belcher, S. Gold. Recuperado de chemistry.pomona.edu.
5. Helmenstine, A.M. What Is the Boiling Point of Milk? Recuperado de thoughtco.com.