Como os había comentado en el post anterior, hoy vamos a hablar sobre los cambios de estado. Este es un tema de vital importancia dentro del ADR (y dentro de cualquier otra legislación que trate sobre mercancías peligrosas 🙂 )
Cambio de estado es el proceso mediante el cual las sustancias pasan de un estado de agregación a otro. El estado de la materia depende de las fuerzas de cohesión que mantienen unidas a las partículas. La modificación de la temperatura o de la presión modificará dichas fuerzas de cohesión pudiendo provocar un cambio de estado.
Por ejemplo, en condiciones normales de presión y temperatura (1 atm y 20 ºC), el agua es líquida, el oxígeno es gaseoso y el hierro es sólido. Sin embargo, en otras condiciones, las sustancias pueden cambiar de estado: el agua puede ser sólida, el mercurio gaseoso, y el oxígeno líquido.
Los mecanismos de transformación entre estados se clasifican en dos grandes grupos:
Cambios de estado progresivos
Fusión
Paso de sólido a líquido. El punto de fusión es la temperatura que debe alcanzar una sustancia sólida para fundirse. Cada sustancia posee un punto de fusión característico (es una propiedad específica de la materia). Por ejemplo, el punto de fusión del agua pura es 0 °C a la presión atmosférica normal.
La teoría cinética explica esta transformación de la siguiente manera:
En el estado sólido, las partículas están ordenadas y se mueven vibrando en sus posiciones fijas. A medida que se aporta más energía (por ejemplo, con un aumento de temperatura), las partículas ganan energía cinética y se agitan más deprisa, pero conservando sus posiciones.
Cuando la temperatura alcanza el punto de fusión, la velocidad de las partículas es lo suficientemente alta para que algunas de ellas puedan vencer las fuerzas de cohesión del estado sólido y abandonan las posiciones fijas que ocupan. La estructura cristalina se va desmoronando poco a poco. Una vez alcanzado el punto de fusión, durante todo el proceso de fusión la temperatura permanece constante.
Vaporización
Paso de líquido a gas. La vaporización se puede producir mediante dos procesos distintos: evaporación y ebullición.
Evaporación:
Es el proceso por el cual un líquido pasa lentamente al estado gaseoso sin que se haya alcanzado la temperatura de ebullición. Es un fenómeno que ocurre en la superficie de cualquier líquido. Algunos lo hacen lentamente, como el aceite, y otros, muy rápido, como el alcohol.
La explicación del proceso se hace a través de la teoría cinética, que supone que las partículas componentes de la misma están en continuo, caótico y rápido movimiento. La velocidad (energía cinética) de las partículas depende de la temperatura del líquido. En la superficie del líquido, la temperatura es mayor; por tanto, hay más partículas que tienen suficiente energía como para vencer las fuerzas de cohesión con el resto de las partículas y pasar a la atmósfera, o a la fase de vapor si la sustancia está en un recipiente cerrado.
La rapidez con que se efectúa el proceso depende de la superficie de evaporación, de la temperatura, de la naturaleza del líquido y, en el caso del agua, de la humedad relativa. Al ser un fenómeno de superficie, resulta independiente de la masa total del líquido.
Ebullición:
Si se incrementa la temperatura de un líquido, la velocidad con que se mueven las partículas es tan alta que el proceso de evaporación, además de darse en la superficie, se produce en todo el líquido, formándose grandes burbujas (llenas de vapor del líquido) que ascienden hasta la superficie. Se dice entonces que el líquido comienza a hervir, o que entra en ebullición.
La temperatura a la que un líquido hierve es otra propiedad característica llamada temperatura de ebullición. Varía con la presión: a medida que ésta disminuye la temperatura de ebullición desciende. La temperatura del líquido en ebullición se mantiene constante al punto de ebullición mientras dura la transformación entre estados.
Sublimación
Paso directo de sólido a gas, sin pasar por el estado líquido. Como la vaporización ocurre a cualquier temperatura. Las partículas de la superficie de un sólido pueden adquirir suficiente energía cinética para vencer las fuerzas de cohesión que las mantienen unidas y pasar directamente al estado gaseoso. La sublimación se produce en sustancias como el alcanfor, la naftalina, el yodo, el azufre, etc. Algunos ejemplos prácticos serían los ambientadores sólidos o los antipolillas.
Cambios de estado regresivos
Solidificación
Paso de líquido a sólido. Se produce por una disminución de la temperatura hasta alcanzar la temperatura de fusión. Las partículas pierden movilidad (energía cinética), favoreciendo la aparición de fuerzas de cohesión entre ellas. Varía con la presión.
Condensación o licuación
Paso de gas a líquido. La temperatura a la que ocurre es el punto de ebullición. La condensación se lleva a efecto invirtiendo las condiciones que favorecen la vaporización: la compresión del gas o su enfriamiento favorece la condensación.
Sublimación inversa
Cuando algunos gases se enfrían, pueden convertirse directamente en sólidos, sin pasar por líquidos. Es la sublimación inversa.
Visión global de los cambios de estado según la teoría cinética
La teoría cinético-molecular explica los cambios de estado del siguiente modo:
Al calentar un sólido, sus partículas aumentan su energía cinética, por lo que la vibración se hace cada vez más intensa hasta que, alcanzada la temperatura de fusión, las fuerzas de cohesión se hacen tan débiles que las partículas adquieren libertad de movimiento. Se dice que se ha llegado al estado líquido. Al continuar comunicando calor, las partículas siguen aumentando su energía cinética. En el momento que se alcanza la temperatura de ebullición, incluso las partículas del interior del líquido tienen suficiente energía cinética para pasar al estado gaseoso. En el estado gaseoso, las partículas prácticamente son libres. Si se sigue comunicando calor a presión constante, las partículas se separarán más y más debido al incremento de su energía cinética, aumentará el volumen del gas.
Es importante remarcar que mientras se producen los cambios de estado la temperatura permanece constante ya que la energía aportada al sistema es invertida en vencer las fuerzas de cohesión entre las partículas.
Modificación del volumen al cambiar de estado
Licuando un gas
La fuerza con que se atraen las moléculas (cohesión) es pequeña en los líquidos, pero muy pequeña en el caso de los gases. Por lo tanto, si licuamos un gas, sus moléculas se unirán con más fuerza y estarán mucho más juntas, ocupando así un volumen mucho menor.
¿Qué utilidad tiene esto?
Permite almacenar y transportar mucho más producto en el mismo espacio, con el consiguiente ahorro de costes. Ejemplo: 850 L de oxígeno gas, quedan reducidos a 1L de oxígeno líquido.
En la práctica, el transporte de gases en grandes cantidades se realiza con el gas en forma de líquido, por ejemplo, cisternas y envases de oxígeno, nitrógeno, butano, cloro, etc.
En el transporte de gases licuados por medio de frío, un riesgo a tener en cuenta será que el líquido se caliente, ya que se convertiría en gas, aumentaría mucho de volumen y podría reventar el recipiente o cisterna.
Solidificando un líquido
En este caso, el volumen también disminuirá por la misma causa que al licuar un gas, pero en este caso la diferencia de volumen no será tan grande.
El agua es una excepción, ya que no solo no disminuye de volumen al solidificarse, sino que aumenta en un 10%. Esto se debe a que las moléculas se reorganizan formando una estructura distinta.
Influencia de la presión
Hemos visto que algunas materias al calentarlas o enfriarlas cambian de estado. Lo mismo se puede lograr con muchas materias si en lugar de cambiar la temperatura, cambiamos la presión a la que están sometidas.
Si comprimimos un gas, por ejemplo, butano, en el interior de una botella, este se transforma en líquido. Esto es debido a que cuando presionamos el gas, lo que hacemos es juntar más sus moléculas, de tal forma que llegan a tener el mismo grado de unión que en estado líquido (por lo que ya es un líquido). Si presionásemos más, se transformaría en sólido. Si dejamos de ejercer presión, el líquido se transforma de nuevo en gas.
El calor y la presión se afectan mutuamente:
- Si comprimimos un gas, aumentará su temperatura.
- Si calentamos un gas encerrado en un recipiente, aumentará la presión.
Este caso representa otro riesgo importante durante el transporte ya que, si se calientan excesivamente los gases contenidos en envases o cisternas, aumentará la presión pudiendo incluso reventar el recipiente.
Experiencias amargas: Los Alfaques
Te dejo estos dos vídeos para que reflexionemos un poco sobre las condiciones en que se transportan las mercancías peligrosas. Desde luego, este fue un accidente extremo que cambió completamente los controles y la forma en que se transportan actualmente las mercancías peligrosas, pero no está de más recordar para no repetir errores.
En ocasiones pensamos que esto de los cambios de estado no va con nosotros, que son contenidos para estudiantes de la ESO. Viendo estos vídeos, entendemos que todo está relacionado y que deberíamos tener unos conocimientos básicos.
¿Te ha parecido interesante? ¿Crees que es importante tener conocimientos sobre los cambios de estado?
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excelente información..
Me pareció muy útil tu investigación 🙂
Buenísima explicación, muchas gracias!!!