Transiciones de Fase y Diagramas de Fases
1. Introducción
La materia puede
presentarse en diferentes estados físicos, principalmente sólido, líquido y
gas. El cambio de un estado a otro se conoce como transición de fase y ocurre
cuando se modifican condiciones como la temperatura o la presión. Entre las
transiciones de fase más comunes se encuentran la fusión, solidificación,
evaporación, condensación, sublimación y deposición.
El estudio de las
transiciones de fase permite comprender fenómenos cotidianos como la formación
de hielo, la evaporación del agua, la condensación del vapor y la sublimación
de algunas sustancias. Además, estos procesos pueden representarse mediante diagramas
de fases, los cuales muestran las condiciones de temperatura y presión en las
que una sustancia se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso.
En esta práctica se estudiarán transiciones de fase sencillas
utilizando agua, hielo, yodo sublimado, parafina líquida, cloruro de sodio y
gelatina sin sabor. También se construirá e interpretará un diagrama de fases
cualitativo, relacionando los cambios observados con los conceptos de punto de
fusión, punto de ebullición, sublimación y equilibrio de fases.
2. Objetivo
general
Estudiar experimentalmente algunas transiciones de fase y relacionarlas
con la interpretación de diagramas de fases.
3. Objetivos específicos
- Observar cambios de estado físico en
sustancias comunes.
- Identificar procesos de fusión,
solidificación, evaporación, condensación y sublimación.
- Comparar el comportamiento de
diferentes sustancias frente al calentamiento y enfriamiento.
- Analizar el efecto de un soluto sobre
el comportamiento físico del agua.
- Representar cualitativamente los
cambios de fase mediante un diagrama de fases.
- Relacionar las
transiciones de fase con la temperatura y la energía absorbida o liberada.
4. Fundamento teórico
4.1 Estados de
la materia
La materia puede encontrarse en estado sólido, líquido o gaseoso. En
los sólidos, las partículas se encuentran muy próximas y con posiciones
relativamente fijas. En los líquidos, las partículas están próximas, pero
tienen mayor movilidad. En los gases, las partículas se encuentran separadas y
se mueven libremente.
4.2 Transiciones
de fase
Las transiciones de
fase son cambios físicos en los que una sustancia pasa de un estado de
agregación a otro sin cambiar su composición química.
Las principales transiciones son:
- Fusión:
paso de sólido a líquido.
- Solidificación: paso de líquido a sólido.
- Evaporación o vaporización: paso de líquido a gas.
- Condensación: paso de gas a líquido.
- Sublimación: paso directo de sólido a gas.
- Deposición: paso directo de gas a sólido.
4.3 Punto de
fusión y punto de ebullición
El punto de fusión es la temperatura a la cual una sustancia pasa de
sólido a líquido. El punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido
pasa a gas en toda su masa. Estas temperaturas pueden variar dependiendo de la
presión externa y de la presencia de solutos.
4.4 Calor y
cambios de fase
Durante una
transición de fase, la energía absorbida o liberada no siempre produce un
aumento o disminución inmediata de la temperatura. En muchos casos, la energía
se utiliza para vencer fuerzas intermoleculares y permitir el cambio de estado.
Por ejemplo, durante la fusión del hielo, el calor suministrado se
emplea en romper parcialmente las interacciones que mantienen el agua en estado
sólido.
4.5 Sublimación
La sublimación es el paso directo de sólido a gas. Algunas sustancias,
como el yodo, pueden sublimar al calentarse suavemente, produciendo vapores
coloreados. Al enfriarse, estos vapores pueden volver a depositarse como sólido
sobre una superficie fría.
4.6 Diagramas de
fases
Un diagrama de
fases es una representación gráfica que muestra las condiciones de temperatura
y presión en las que una sustancia existe como sólido, líquido o gas. En estos
diagramas se observan regiones de estabilidad y líneas de equilibrio entre
fases.
Los puntos
importantes de un diagrama de fases son:
- Punto triple: condiciones donde coexisten sólido, líquido y gas.
- Punto crítico: condiciones a partir de las cuales no se distingue claramente
entre líquido y gas.
- Línea de fusión: separa sólido y líquido.
- Línea de vaporización: separa líquido y gas.
- Línea de
sublimación: separa sólido y gas.
5. Materiales y reactivos
Materiales
- Tubos de
ensayo.
- Gradilla.
- Vasos de precipitados.
- Cápsula de
porcelana o vidrio de reloj.
- Placa de calentamiento o baño María.
- Termómetro.
- Pinzas para tubo de ensayo.
- Varilla de
agitación.
- Espátula.
- Cronómetro.
- Papel
absorbente.
- Marcador.
- Bata de
laboratorio.
- Guantes.
- Gafas de seguridad.
Reactivos
- Agua.
- Hielo.
- Cloruro de
sodio.
- Yodo sublimado.
- Parafina
líquida.
- Gelatina sin
sabor.
- Aceite de
oliva.
- Solución
salina.
6. Procedimiento experimental
Parte A: Fusión
del hielo
- Coloque varios cubos pequeños de hielo
en un vaso de precipitados.
- Introduzca un termómetro sin tocar
directamente el fondo del vaso.
- Registre la
temperatura inicial.
- Deje que el hielo se funda a
temperatura ambiente o caliente suavemente en baño María.
- Registre la temperatura cada minuto
hasta observar la formación de agua líquida.
- Anote el momento en que ocurre la
fusión.
- Describa el cambio de
estado observado.
Parte B:
Evaporación y condensación del agua
- Coloque aproximadamente 20 mL de agua
en un vaso de precipitados.
- Caliente suavemente el agua usando una
placa de calentamiento o baño María.
- Observe la formación de vapor.
- Coloque cuidadosamente un vidrio de
reloj frío sobre la parte superior del vaso, sin cerrar completamente el
sistema.
- Observe la formación de gotas en la
superficie fría.
- Registre las
observaciones.
Interpretación esperada: El calentamiento
favorece la evaporación del agua. El vapor, al entrar en contacto con una
superficie fría, se condensa formando gotas líquidas.
Parte C:
Sublimación del yodo
- Coloque una pequeña cantidad de yodo
sublimado en una cápsula de porcelana o vidrio de reloj.
- Cubra con otro vidrio de reloj frío.
- Caliente
suavemente la muestra.
- Observe la formación de vapores de
color violeta.
- Retire el calentamiento y observe si se
forman cristales en la superficie fría.
- Registre las
observaciones.
Precaución: Realizar esta parte en un área
ventilada. No inhalar los vapores de yodo.
Parte D:
Solidificación de gelatina
- Prepare una pequeña cantidad de
gelatina sin sabor con agua caliente.
- Coloque la mezcla en un recipiente
pequeño.
- Deje enfriar a temperatura ambiente y
luego en baño frío o refrigeración, si está disponible.
- Observe el
cambio de líquido a sólido o semisólido.
- Registre el tiempo aproximado en que
ocurre la solidificación.
- Describa la textura
final de la gelatina.
Parte E: Efecto
del cloruro de sodio sobre el hielo
- Coloque hielo
en dos vasos de precipitados rotulados como E1 y E2.
- En el vaso E1, deje el hielo sin
agregar sustancias.
- En el vaso E2, agregue una pequeña
cantidad de cloruro de sodio sobre el hielo.
- Observe cuál muestra mayor velocidad de
fusión.
- Registre las
diferencias observadas.
- Explique el efecto del
cloruro de sodio sobre el punto de congelación del agua.
Parte F:
Comparación de comportamiento térmico de líquidos
- Coloque pequeñas cantidades de agua,
solución salina, aceite de oliva y parafina líquida en tubos o vasos
separados.
- Observe su
apariencia inicial.
- Caliente suavemente cada muestra en
baño María.
- Compare la facilidad con que se observa
evaporación, cambio de viscosidad o modificación de apariencia.
- No llevar las sustancias a
calentamiento excesivo.
- Registre
los cambios observados.
Parte G:
Construcción de un diagrama de fases cualitativo
- Dibuje un sistema de ejes con
temperatura en el eje horizontal y presión en el eje vertical.
- Divida el gráfico en tres regiones:
sólido, líquido y gas.
- Dibuje las líneas de equilibrio entre:
- Sólido y
líquido.
- Líquido y
gas.
- Sólido y gas.
- Señale el punto
triple.
- Señale el punto
crítico.
- Ubique en el diagrama los procesos
observados:
- Fusión del
hielo.
- Evaporación
del agua.
- Condensación
del vapor.
- Sublimación
del yodo.
- Solidificación
de la gelatina.
- Interprete
el diagrama de forma cualitativa.
7. Registro de datos
|
Experimento |
Sustancia evaluada |
Cambio observado |
Transición de fase |
Resultado |
|
A |
Hielo |
Fusión |
||
|
B |
Agua caliente |
Evaporación |
||
|
B |
Vapor de agua en superficie fría |
Condensación |
||
|
C |
Yodo sublimado |
Sublimación |
||
|
C |
Vapor de yodo en superficie fría |
Deposición |
||
|
D |
Gelatina sin sabor |
Solidificación |
||
|
E |
Hielo + NaCl |
Descenso del punto de congelación |
||
|
F |
Agua |
Comportamiento térmico |
||
|
F |
Solución salina |
Comportamiento térmico |
||
|
F |
Aceite de oliva |
Cambio de viscosidad |
||
|
F |
Parafina líquida |
Cambio de viscosidad |
||
|
G |
Diagrama de fases |
Interpretación cualitativa |
8. Resultados y
análisis
El estudiante
deberá:
- Identificar las transiciones de fase
observadas en cada experimento.
- Explicar qué ocurre durante la fusión
del hielo.
- Relacionar la evaporación y
condensación del agua con cambios de temperatura.
- Explicar por qué el yodo puede sublimar
al calentarse.
- Comparar la solidificación de la
gelatina con la solidificación del agua.
- Analizar el efecto del cloruro de sodio
sobre la fusión del hielo.
- Interpretar el diagrama de fases
cualitativo construido en clase.
- Relacionar las líneas
del diagrama de fases con los cambios de estado observados.
9. Conclusiones
Redacte conclusiones sobre:
- La importancia de las transiciones de
fase en el estudio de la materia.
- La relación entre temperatura, energía
y cambio de estado.
- Las diferencias entre fusión,
evaporación, condensación, sublimación y solidificación.
- El efecto de los solutos sobre las
propiedades físicas del agua.
- La utilidad de los diagramas de fases
para representar el comportamiento de una sustancia.
- La relación entre las
observaciones experimentales y los conceptos teóricos estudiados.
10. Cuestionario
- ¿Qué es una transición de fase?
- Defina fusión, solidificación,
evaporación, condensación y sublimación.
- ¿Qué ocurre con la temperatura durante
un cambio de fase ideal?
- ¿Por qué el hielo se funde al aumentar
la temperatura?
- ¿Qué evidencia permitió identificar la
condensación del vapor de agua?
- ¿Qué característica del yodo permite
observar la sublimación?
- ¿Qué efecto tuvo el cloruro de sodio
sobre el hielo?
- ¿Qué representa un diagrama de fases?
- ¿Qué es el punto triple?
- ¿Qué diferencia existe entre el punto
triple y el punto crítico?
- ¿Por qué la gelatina no se comporta
exactamente igual que el agua pura durante la solidificación?
- Mencione dos ejemplos
cotidianos de transiciones de fase.
11. Normas de seguridad
- Utilizar bata, guantes y gafas de
seguridad durante toda la práctica.
- Manipular el material caliente con
pinzas o guantes adecuados.
- No calentar
tubos de ensayo cerrados.
- Evitar el
calentamiento excesivo de aceites o parafina líquida.
- Realizar la sublimación del yodo en un
área ventilada.
- No inhalar
vapores de yodo.
- Evitar el contacto directo del yodo con
la piel.
- No ingerir
ninguna sustancia utilizada.
- Mantener el área de trabajo limpia y
ordenada.
- Desechar los residuos según las
indicaciones del docente.
- Lavar las manos al
finalizar la práctica.
12. Referencias
Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E., Murphy, C., Woodward, P.,
& Stoltzfus, M. W. (2018). Química: La ciencia
central (13.ª ed.). Pearson.
Chang, R., &
Goldsby, K. (2016). Química (12.ª ed.). McGraw-Hill Education.
Petrucci, R. H., Herring, F. G., Madura, F. G., & Bissonnette, C.
(2017). Química general: Principios y aplicaciones
modernas (11.ª ed.). Pearson.
Atkins, P., &
de Paula, J. (2018). Fisicoquímica (10.ª ed.). Oxford University Press.
Zumdahl, S. S., & Zumdahl, S. A. (2014). Chemistry (9th ed.).
Cengage Learning.
