Punto de congelación

El punto de congelación, también denominado punto de congelamiento, es la temperatura en la cual una sustancia en estado líquido pasa a encontrarse en estado sólido. En otras palabras: el punto de congelación es el momento en el cual un líquido se solidifica.

¿Cuál es la diferencia entre congelación y solidificación? Que el primer proceso es altamente dependiente de la temperatura, de la pureza del líquido, y es un equilibrio termodinámico; mientras que el segundo, se relaciona más a cambios en la composición química de la sustancia que se solidifica, aun sin ser del todo líquida (una pasta).

Por lo tanto, una congelación es una solidificación; pero lo contrario no siempre es cierto. Además, para descartar el término solidificación, debe haber una fase líquida en equilibrio con el sólido de la misma sustancia; los icebergs cumplen con esto: flotan sobre agua líquida.

Así, se está frente a la congelación de un líquido cuando se forma una fase sólida como consecuencia de un descenso de la temperatura. La presión también influye en esta propiedad física, aunque sus efectos son menores en líquidos con bajas presiones de vapor.

 

¿En qué consiste el punto de congelación?

A medida que desciende la temperatura, la energía cinética promedio de las moléculas disminuye, y por lo tanto, se enlentecen un poco. Al ir más lentas en el líquido, llega un punto donde interactúan lo suficiente para formar un arreglo ordenado de molécula; este es el primer sólido, del cual crecerán cristales más grandes.

Si este primer sólido se “tambalea” demasiado, entonces será necesario disminuir aún más la temperatura hasta que sus moléculas permanezcan lo suficientemente quietas. La temperatura a la que se alcanza esto corresponde con el punto de congelamiento; a partir de allí, se establece el equilibrio líquido-sólido.

El escenario anterior acontece para sustancias puras; en caso de ser impuras las moléculas del primer sólido debe arreglárselas para incorporar a las moléculas foráneas. Como resultado, se forma un sólido impuro (o solución sólida), el cual necesita de una temperatura más baja que la del punto de congelación para su formación.

Se habla entonces del descenso del punto de congelación. Mientras haya más moléculas foráneas, o más correctamente hablando, impurezas, el líquido se congelará a temperaturas cada vez menores.

¿Cómo calcularlo?

¿Cómo se puede predecir o calcular el punto de congelación de una sustancia? Existen cálculos fisicoquímicos que permiten obtener un valor aproximado de dicho punto bajo otras presiones (distintas a 1atm, la presión ambiente).

Sin embargo, estos desembocan en la entalpía de fusión (ΔFus); ya que, la fusión es el proceso en sentido contrario de la congelación.

Además, experimentalmente es más fácil de determinar el punto de fusión de una sustancia o mezcla que su punto de congelación; aunque puedan parecer lo mismo, muestran ciertas diferencias.

Como se mencionó en el apartado anterior: a mayor concentración de impurezas, mayor será el descenso del punto de congelación. Esto también puede decirse del siguiente modo: mientras menor sea la fracción molar X del sólido en la mezcla, congelará a una menor temperatura.

La siguiente ecuación expresa y resume todo lo dicho:

LnX= -(ΔFus/R)(1/T – 1/Tº)

Donde R es la constante de los gases ideales, la cual tiene un uso casi universal. Tº es el punto de congelación normal (a presión ambiente), y T es la temperatura a la que se congelará el sólido a una fracción molar X.

De esta ecuación, y tras una serie de simplificaciones, se obtiene la siguiente, más conocida:

ΔTc= KFm 

Donde m es la molalidad del soluto o impureza, y KF es la constante crioscópica del solvente o componente líquido.

Ejemplo 

En el caso del agua pura (H2O), el punto de congelación es 0 °C. Esto quiere decir que, mientras esté a una temperatura superior a 0ºC e inferior a los 100ºC (ya que ese es su punto de ebullición), el agua se encontrará en estado líquido. Si la temperatura desciende por debajo de los 0ºC, el agua se congelará y pasará a convertirse en un sólido (hielo).

Siguiendo con el ejemplo del agua, siempre tomando los valores teóricos (ya que en la práctica los procesos pueden darse a otras temperaturas), podemos ver cómo una sustancia va cambiando de estado de acuerdo a los diferentes puntos.

Tomemos el agua a una temperatura ambiente de 20 °C: el agua será un líquido. Si se somete el líquido a un proceso de enfriamiento, cuando llegue a los 0 °C alcanzará su punto de congelación y se volverá un sólido. En cambio, si desde los 20ºC se empieza a calentar el agua, cuando alcance los 100ºC se encontrará con su punto de ebullición y se transformará en vapor.

A pesar de que dicho valor, 0 °C, es en efecto el punto de congelación del agua, esto sólo se cumple si las condiciones de presión atmosférica son normales y si el agua no contiene un algo grado de impurezas. Si existen dichas impurezas, entonces es necesario conseguir que se congelen, que formen pequeñas semillas de hielo o núcleos para que colaboren con la congelación del líquido. Un estudio de simulación de agua a cargo de los investigadores H. Eugene Stanley y Pradeep Kumar desveló que en algunos casos el punto de congelación puede ser inferior a los 47 grados centígrados bajo cero, una diferencia abismal con el tradicional valor mencionado anteriormente.

Si analizamos el punto de congelación de una solución (por ejemplo del agua marina, que es agua con sal), éste dependerá del tipo de solvente y de la molalidad del soluto en el solvente en cuestión. A mayor molalidad, el punto de congelación será inferior.

La molalidad, por su parte, se expresa con la letra m y es el número de moles de soluto que se encuentran en un kilo de disolvente. Cuando se requiere la preparación de disoluciones de una molalidad en particular, es posible llevarla a cabo en un vaso de precipitados (un recipiente con forma de cilindro que se usa con frecuencia en el laboratorio, especialmente para calentar o preparar sustancias, y también para el traspaso de líquidos) y usar una balanza analítica para pesarla, sin olvidarse de anotar el peso del vaso antes de verter la sustancia para dar con el valor exacto.

Fuentes:

1. https://definicion.de/punto-de-congelacion/
2. https://definicion.de/punto-de-congelacion/