Cómo predecir las transiciones de fase utilizando un diagrama de fase

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Por Peter J. Mikulecky, Chris Hren

Cada estado de la materia, ya sea sólido, líquido o gaseoso, se denomina fase y los diagramas de fase son herramientas útiles para describir los estados de un determinado tipo de materia a través de diferentes temperaturas y presiones.

Cuando la materia se mueve de una fase a otra debido a cambios en la energía térmica y/o presión, se dice que la materia sufre una transición de fase. El paso del líquido al gas se denomina ebullición, y la temperatura a la que se produce la ebullición se denomina punto de ebullición. El paso de sólido a líquido se denomina fusión, y la temperatura a la que se produce la fusión se denomina punto de fusión. El punto de fusión es el mismo que el punto de congelación, pero la congelación implica que la materia pasa de la fase líquida a la sólida.

En la superficie de un líquido, las moléculas pueden entrar en la fase gaseosa más fácilmente que en cualquier otra parte del líquido porque los movimientos de esas moléculas no están tan limitados por las moléculas que las rodean. De este modo, estas moléculas de superficie pueden entrar en la fase gaseosa a temperaturas por debajo del punto de ebullición característico del líquido. Este cambio de fase a baja temperatura se llama evaporación y es muy sensible a la presión. Las bajas presiones permiten una mayor evaporación, mientras que las altas presiones estimulan a las moléculas a volver a entrar en la fase líquida en un proceso llamado condensación.

La presión del gas sobre la superficie de un líquido se denomina presión de vapor. Es comprensible que los líquidos con bajos puntos de ebullición tiendan a tener altas presiones de vapor debido a que las partículas se atraen débilmente entre sí. En la superficie de un líquido, las partículas que interactúan débilmente tienen una mejor oportunidad de escapar a la fase de vapor, aumentando así la presión del vapor. ¿Ves cómo la teoría molecular cinética ayuda a dar sentido a las cosas?

Con la combinación correcta de presión y temperatura, la materia puede pasar directamente de un sólido a un gas o vapor. Este tipo de cambio de fase se llama sublimación, y es el tipo de cambio de fase responsable de la niebla blanca que emana del hielo seco, el nombre común del dióxido de carbono sólido. El movimiento en la dirección opuesta, desde el gas directamente a la fase sólida, se denomina deposición.

La tabla resume los cambios de fase.

Cambios de fase
Cambio de fase (aumento de energía) Cambio de fase (disminución de energía) Fusión: Sólido a líquidoCongelación: Líquido a sólidoVaporización (evaporación o ebullición): Líquido a gasCondensación: Gas a líquidoSublimación: Sólido a gasDepósito: El

diagrama de fase

de gas a sólido

suele mostrar los cambios de temperatura en el eje horizontal y los cambios de presión (en atmósferas o atm) en el eje vertical. Las líneas trazadas dentro del campo temperatura-presión del diagrama representan los límites entre fases, como se muestra en la figura para el agua y el dióxido de carbono.

2O, y dióxido de carbono, CO2.» width=»535″/>Los diagramas de fase para agua, H2O, y dióxido de carbono, CO2

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El etanol (C2H6O) tiene un punto de congelación de -114 grados Celsius. El compuesto 1-propanol (C3H8O) tiene un punto de fusión de -88 grados Celsius. A 25 grados centígrados (donde ambos compuestos son líquidos), ¿cuál es probable que tenga la presión de vapor más alta y por qué?

En primer lugar, observe que un punto de congelación y un punto de fusión son la misma cosa – ese punto es la temperatura a la que una sustancia sufre la transición de fase líquida a sólida o de sólida a líquida. Luego, compare los puntos de congelación/fusión de etanol y propanol. Para congelar el etanol es necesario alcanzar temperaturas mucho más frías que para congelar el propanol. Esto sugiere que las moléculas de etanol tienen menos fuerzas atractivas entre sí que las moléculas de propanol. A 25 grados centígrados, ambos compuestos están en fase líquida. En líquidos puros cuyas partículas tienen una atracción intermolecular (entre moléculas) más débil, la presión de vapor es mayor porque las moléculas en la superficie del líquido pueden escapar más fácilmente a la fase de vapor (gas).

Por lo tanto, el etanol tiene la mayor presión de vapor a 25 grados Celsius.

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