Estados de la materia y diagramas de fases
Que una sustancia sea sólida, líquida o gaseosa no depende solo de la temperatura: también depende de la presión. Un diagrama de fases muestra, para cada combinación de presión y temperatura, cuál es la fase estable. Leerlo bien evita errores clásicos, como creer que el agua siempre hierve a 100 °C.
Las partes de un diagrama de fases
- Curvas de equilibrio: sobre cada línea conviven dos fases. La curva líquido–gas es la de presión de vapor; la sólido–líquido, la de fusión; la sólido–gas, la de sublimación.
- Punto triple: la única presión y temperatura donde coexisten sólido, líquido y gas. Para el agua es 0,01 °C y 611,657 Pa (unas 0,006 atm).
- Punto crítico: el final de la curva líquido–gas. Por encima de él no hay diferencia entre líquido y gas: la sustancia es un fluido supercrítico. Para el agua está en 373,9 °C y 22,06 MPa (unas 218 atm).
El agua, un caso raro
En casi todas las sustancias el sólido es más denso que el líquido, y aumentar la presión favorece al sólido. En el agua pasa lo contrario: el hielo es menos denso (por eso flota) y su curva de fusión tiene pendiente negativa. Si se comprime hielo apenas por debajo de 0 °C, puede fundirse.
El punto de ebullición también cambia con la presión. En una olla a presión, a unas 2 atm, el agua hierve cerca de 120 °C; en una ciudad a gran altura, con menos presión, hierve por debajo de 100 °C.
El dióxido de carbono y el hielo seco
El punto triple del CO₂ está en −56,6 °C y 5,1 atm, por encima de la presión atmosférica. Por eso a 1 atm el CO₂ sólido no se derrite: sublima directamente a gas a −78,5 °C. Ese es el "hielo seco". Su punto crítico está en 31 °C y unas 73 atm, y el CO₂ supercrítico se usa para extraer cafeína del café.
La ecuación de Clausius–Clapeyron
Relaciona la presión de vapor con la temperatura a partir de la entalpía de vaporización (ΔHvap):
ln(P₂/P₁) = −(ΔHvap/R)·(1/T₂ − 1/T₁)
Con ella se estima a qué temperatura hierve un líquido a otra presión, conociendo un punto de referencia y ΔHvap (40,7 kJ/mol para el agua).
Cómo lo ves en el laboratorio
En Quimiky la cámara tiene controles de temperatura y presión. El estado de cada sustancia sale de su diagrama de fases real: probá llevar el agua a 105 °C con 2 atm y vas a ver que sigue líquida, o bajar la presión casi a cero a temperatura ambiente y verla evaporarse.