3. LOS CAMBIOS DE ESTADO

Recuerda

El hielo a temperatura ambiente se derrite y se transforma en agua líquida; si la calentamos, se transforma en vapor.

¿Qué harías para transformar un cubito de hielo en agua líquida? ¿Y para conseguir el proceso contrario?

Habrás visto muchas veces cómo se derrite un cubito de hielo una vez que lo sacas del congelador. Para conseguirlo, lo único que necesitamos es suministrarle calor (aunque no seamos conscientes de ello, le estamos sometiendo al calor de la habitación, cuya temperatura es mayor que la del congelador). En cambio, si lo que queremos es hacer cubitos de hielo, lo más fácil es poner agua líquida en una cubitera y dejarla un tiempo en el congelador, es decir, enfriarla.

En ambos casos estamos pasando de un estado de la materia a otro, lo que conocemos como cambios de estado.

Un cambio de estado es una modificación en el estado de agregación de la materia sin variar su composición química (es decir, la sustancia sigue siendo la misma en todo momento).

Dado que los estados de agregación de la materia están relacionados con la disposición de sus partículas constituyentes, los cambios de estado supondrán una modificación de dicha disposición, pero nunca del tipo de partícula (de ahí que la sustancia continúe siendo la misma).

¿Sería posible hallar el oxígeno que respiramos, además de en estado gaseoso, en estado sólido o líquido?

Todas las sustancias pueden encontrase en los tres estados de la materia y pasar de uno a otro con solo modificar la temperatura. Sin embargo, hay sustancias, como el oxígeno, que solo conocemos en un estado, en este caso el gaseoso. ¿No es esto contradictorio? En absoluto. En el caso del oxígeno, lo que ocurre es que necesitaríamos alcanzar temperaturas muy bajas para poder observarlo en estado tanto líquido como sólido. Sería necesaria una temperatura inferior a –183 °C para conseguir oxígeno líquido, y menor de –218 °C para obtener oxígeno sólido. Estas temperaturas tan bajas no son habituales en la vida cotidiana, pero sí es posible alcanzarlas en los laboratorios.

¿Qué cambios de estado podemos encontrar?

En el siguiente esquema se muestran los nombres de todos los cambios de estado:

El hielo seco (CO₂ sólido) pasa directamente de estado sólido a gaseoso sin pasar por el estado líquido.

Actividad 6

3.1. Temperatura a la que ocurren los cambios de estado

3.1.1. Cambio sólido ⇔ líquido

A nivel del mar, el hielo se derrite a 0 °C.

El paso del estado sólido al líquido se denomina fusión. La temperatura a la que funden las sustancias no es igual para todas ellas, sino que depende de cada una. Por ejemplo, el hielo (agua sólida) funde a 0 °C a nivel del mar; sin embargo, el oro lo hace a 1063 °C.

La temperatura a la que un sólido pasa a estado líquido (es decir, funde) recibe el nombre de temperatura o punto de fusión, y es diferente para cada sustancia.

El proceso contrario a la fusión es la solidificación (por tanto, el paso de líquido a sólido).

La temperatura a la que solidifica un líquido coincide con aquella a la que funde el sólido de la misma sustancia, y recibe el nombre de temperatura o punto de solidificación (o de congelación).

Por ejemplo, si introducimos un termómetro en un vaso de agua y lo ponemos en la ventana en un día muy frío en el que esté nevando, el agua no se transforma en hielo hasta que no alcanza los 0 °C. Si recuerdas, esta es la temperatura a la que funden los cubitos de hielo.

3.1.2. Cambio líquido ⇔ gas

El paso del estado líquido al gaseoso se denomina vaporización, y puede producirse de dos formas diferentes:

Evaporación: ocurre en la superficie del líquido, capa a capa, y se produce a cualquier temperatura. Gracias a este fenómeno la ropa que lavamos puede secarse sea invierno o verano.

Puedes hacer la prueba echando un poco de colonia en un vaso y dejándolo al aire. Al cabo de los días, toda la colonia habrá desaparecido por evaporación.

Ebullición: sucede en toda la masa del líquido, de forma violenta y a una temperatura fija para cada sustancia. Este fenómeno lo hemos visto alguna vez en nuestra casa, al poner agua a hervir para cocinar. La temperatura a la que hierve cada sustancia también depende de cuál sea esta. Por ejemplo, el agua líquida lo hace a 100 °C a nivel del mar; en cambio, el oro hierve a 2857 °C.

La temperatura a la que un líquido hierve y pasa a estado gaseoso recibe el nombre de temperatura o punto de ebullición, y es diferente para cada sustancia.

El proceso contrario a la vaporización es la condensación, que es el paso de gas a líquido.

Actividad 7

Actividad 8

Actividad 9

3.2. Gráfica de calentamiento de una sustancia

Si calentamos unos cubitos de hielo que se encuentran inicialmente a –20 °C hasta que alcanzan los 130 °C, ¿qué forma tendrá la representación gráfica temperatura-tiempo?

Gas vs vapor

Hablamos de gas cuando nos referimos a sustancias que se encuentran en dicho estado en condiciones ambientales, como ocurre con el oxígeno y el nitrógeno.

En cambio, utilizamos el término vapor para referirnos al estado gaseoso de sustancias que, en condiciones ambientales, solemos encontrar como sólidos o líquidos, como en el caso del vapor de agua.

A medida que calentamos el hielo la temperatura comienza a subir poco a poco. Sin embargo, si nos fijamos bien, observaremos que el termómetro se mantendrá estable en dos momentos determinados en nuestro experimento:

Al alcanzar los 0 °C, coincidiendo con la transformación de todo el hielo en agua líquida (fusión).
Al alcanzar los 100 °C, coincidiendo con la transformación del agua líquida en vapor de agua (vaporización).

Algo curioso que veremos es que, mientras duran los cambios de estado, la temperatura permanece constante y no vuelve a subir hasta que el cambio ha terminado (no queda absolutamente nada de hielo en el primer caso y nada de agua líquida en el segundo).

La temperatura a la que se produce cada cambio de estado será distinta para cada sustancia.

Ideas claras

Cada cambio de estado ocurre a una temperatura diferente para cada sustancia.
La temperatura de un cambio de estado y la de su cambio inverso son la misma.
La representación gráfica temperatura-tiempo se llama gráfica de calentamiento o enfriamiento.

Esta representación gráfica temperatura-tiempo se conoce como gráfica de calentamiento.

Si en lugar de calentar enfriamos, obtendremos una gráfica similar, llamada gráfica de enfriamiento, que será descendente en lugar de ascendente.

Actividad 10

Actividad 11

Actividad 12

¿Encuentras alguna relación entre el cambio climático y el deshielo de los polos? Rellena los espacios en blanco.

El cambio climático está suponiendo un de la temperatura del planeta, como consecuencia del de la concentración de los llamados “gases de efecto invernadero” (CO₂, CH₄, etc.). Dicho de temperatura implica una agitación de las moléculas de agua que forman el hielo, por lo que la red cristalina comienza a desmoronarse y a producirse la (deshielo de los polos), transformándose el hielo en agua líquida.

A nivel del mar, el hielo se derrite a 0 ºC. ¿Por qué crees que se hace referencia al nivel del mar? Investígalo y elige la respuesta correcta:

Justifica la respuesta.

¿Qué relación hay entre la temperatura a la que funde una sustancia en estado sólido y la temperatura a la que solidifica esa misma sustancia?

¿Es imprescindible que los líquidos hiervan para conseguir que pasen a estado gaseoso?

Justifica tu respuesta ayudándote de algún ejemplo.

Construye la gráfica de enfriamiento del agua si partimos de vapor de agua a 130 °C y dejamos de enfriar a –10 °C.

Cuál de las siguientes gráficas representa el enfriamiento del agua si partimos de vapor de agua a 130 °C y dejamos de enfriar a –10 °C.

Razona, a partir de la gráfica del ejemplo, en qué estado de agregación se encontrará el agua a 50 °C y a 125 °C.

A 50 °C se encontrará en estado y a 125 °C en estado .

Ordena, paso a paso, cómo llevarías a cabo en el laboratorio el estudio experimental de los cambios de estado del agua.

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3. LOS CAMBIOS DE ESTADO

3.1. Temperatura a la que ocurren los cambios de estado

3.1.1. Cambio sólido ⇔ líquido

3.1.2. Cambio líquido ⇔ gas

3.2. Gráfica de calentamiento de una sustancia

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