Fusión y solidificación

Un vaso de precipitados con hielo, calentado por el aire de la habitación, permaneció exactamente a 0 °C durante más de media hora mientras el hielo se fundía.

Coloca sobre la mesa un vaso de precipitados con hielo a −12 °C. OpenStax muestra lo que ocurre. Al cabo de diez minutos, el hielo ha llegado a 0 °C y una pequeña parte se ha fundido. Treinta minutos después, se ha fundido más hielo, pero el termómetro sigue marcando 0 °C. La temperatura solo empieza a subir cuando desaparece el último resto de hielo, hasta llegar a 22.2 °C. El hielo absorbió calor de la habitación todo el tiempo. Durante la fusión, nada de ese calor elevó la temperatura.

Adónde va el calor

En un cristal, las moléculas vecinas mantienen cada molécula en su posición. Al calentar un sólido, las moléculas vibran con mayor intensidad y la temperatura aumenta. En el punto de fusión, las vibraciones bastan para liberar moléculas de sus posiciones fijas. Desde ese momento, la energía agregada se emplea en vencer esas fuerzas de sujeción, no en aumentar la rapidez; por eso la temperatura permanece constante hasta que todo el sólido se convierte en líquido. La energía necesaria para fundir un mol de sólido es su entalpía de fusión. Para el hielo vale 6.01 kJ/mol, así que fundir 18.02 g de hielo requiere 6.01 kJ.

¿Cuánto representan 6.01 kJ/mol? Compáralos con el calentamiento. El agua líquida necesita 4.18 J para elevar en 1 °C la temperatura de 1 g; por tanto, 18.02 g necesitan unos 75.3 J por grado. Los 6.01 kJ que funden ese mol de hielo podrían, en cambio, calentar el agua resultante en 6010 ÷ 75.3 ≈ 80 °C. Por eso una bebida con hielo permanece fría tanto tiempo: cada cubito absorbe mucho calor antes de desaparecer, y hasta entonces la bebida se mantiene cerca de 0 °C.

La solidificación recorre el mismo proceso a la inversa. Cuando el agua líquida a 0 °C se convierte en hielo, libera 6.01 kJ por cada mol. La fusión absorbe calor (es endotérmica); la solidificación lo libera (es exotérmica). Ambos cambios ocurren a la misma temperatura, de modo que el punto de fusión del hielo y el punto de congelación del agua tienen el mismo valor. En un recipiente perfectamente aislado, una mezcla de hielo y agua permanece a esa temperatura, con fusión y solidificación a igual ritmo.

Cada sustancia tiene su propio punto de fusión

La temperatura a la que un sólido se funde depende de la intensidad de la atracción entre sus partículas. Los valores siguientes corresponden a una presión de 1 atm y proceden del NIST Chemistry WebBook. El mercurio es el único metal de la lista que es líquido a temperatura ambiente; se solidifica a −38.84 °C, por lo que un termómetro de mercurio deja de funcionar por debajo de esa temperatura. El nitrógeno y el oxígeno, cuyas moléculas solo se atraen mediante fuerzas débiles, se funden a más de 200 grados bajo cero.

Como cada sustancia pura se funde a una temperatura fija, los químicos usan el punto de fusión para identificarla rápidamente. Una muestra que empieza a fundirse por debajo del valor esperado probablemente no es pura, porque las impurezas disueltas reducen el punto de congelación. La sal que se esparce sobre una carretera helada actúa así: una disolución de sal se congela por debajo de 0 °C, el punto de congelación del agua pura, por lo que el hielo se derrite aunque el aire esté por debajo de 0 °C (OpenStax 11.4).