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Química 2ed

10.4 Diagramas de fase

Química 2ed10.4 Diagramas de fase

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Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. 2.5 La tabla periódica
    7. 2.6 Compuestos iónicos y moleculares
    8. 2.7 Nomenclatura química
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  4. 3 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 3.1 La fórmula de masa y el concepto de mol
    3. 3.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 3.3 Molaridad
    5. 3.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  5. 4 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 4.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 4.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 4.3 Estequiometría de la reacción
    5. 4.4 Rendimiento de la reacción
    6. 4.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  6. 5 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 5.1 Conceptos básicos de energía
    3. 5.2 Calorimetría
    4. 5.3 Entalpía
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  7. 6 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 6.1 Energía electromagnética
    3. 6.2 El modelo de Bohr
    4. 6.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 6.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 6.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  8. 7 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 7.1 Enlace iónico
    3. 7.2 Enlace covalente
    4. 7.3 Símbolos y estructuras de Lewis
    5. 7.4 Cargas formales y resonancia
    6. 7.5 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    7. 7.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  9. 8 Teorías avanzadas del enlace covalente
    1. Introducción
    2. 8.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 8.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 8.3 Enlaces múltiples
    5. 8.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  10. 9 Gases
    1. Introducción
    2. 9.1 Presión del gas
    3. 9.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 9.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 9.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 9.5 La teoría cinético-molecular
    7. 9.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Cinética
    1. Introducción
    2. 12.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 12.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 12.3 Leyes de velocidad
    5. 12.4 Leyes de tasas integradas
    6. 12.5 Teoría de colisiones
    7. 12.6 Mecanismos de reacción
    8. 12.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 16.1 Espontaneidad
    3. 16.2 Entropía
    4. 16.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 16.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  18. 17 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 17.1 Repaso de química redox
    3. 17.2 Celdas galvánicas
    4. 17.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 17.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 17.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 17.6 Corrosión
    8. 17.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 20.1 Hidrocarburos
    3. 20.2 Alcoholes y éteres
    4. 20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 20.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  22. 21 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 21.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 21.2 Ecuaciones nucleares
    4. 21.3 Decaimiento radiactivo
    5. 21.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 21.5 Usos de los radioisótopos
    7. 21.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Explicar la construcción y el uso de un diagrama de fases típico.
  • Utilizar los diagramas de fase para identificar las fases estables a determinadas temperaturas y presiones, y describir las transiciones de fase resultantes de los cambios en estas propiedades.
  • Describir la fase de fluido supercrítico de la materia.

En el módulo anterior se describió la variación de la presión de vapor de equilibrio de un líquido con la temperatura. Teniendo en cuenta la definición de punto de ebullición, los gráficos de presión de vapor frente a la temperatura representan cómo varía el punto de ebullición del líquido con la presión. También se describe el uso de las curvas de calentamiento y enfriamiento para determinar el punto de fusión (o de congelación) de una sustancia. La realización de este tipo de mediciones en un amplio rango de presiones arroja datos que pueden presentarse gráficamente como un diagrama de fases. Un diagrama de fase combina gráficos de presión frente a la temperatura para los equilibrios de transición de fase líquido-gas, sólido-líquido y sólido-gas de una sustancia. Estos diagramas indican los estados físicos que existen bajo condiciones específicas de presión y temperatura, y también proporcionan la dependencia de la presión de las temperaturas de transición de fase (puntos de fusión, puntos de sublimación, puntos de ebullición). Un diagrama de fases típico para una sustancia pura se muestra en la Figura 10.30.

Se muestra un gráfico en el que el eje x está marcado como "Temperatura" y el eje y como "Presión". Una línea se extiende desde la parte inferior izquierda del gráfico hacia arriba hasta un punto que es un tercio del eje x. Una segunda línea comienza en el tercio inferior de la primera línea en un punto marcado como "punto triple" y se extiende hasta la esquina superior derecha del gráfico donde se marca como "punto crítico". Las dos líneas dividen el área del gráfico para crear tres secciones, marcadas como "sólido" cerca de la parte superior izquierda, "líquido" en la parte superior central y "gas" cerca de la parte inferior derecha. Un par de flechas horizontales, una orientada a la izquierda y marcada como "deposición" y otra orientada a la derecha y marcada como "sublimación", se dibujan en la parte superior de la sección inferior de la primera línea. Un segundo par de flechas horizontales, una orientada a la izquierda y marcada como "congelación" y otra orientada a la derecha y marcada como "fusión", se dibujan sobre la sección superior de la primera línea. Un tercer par de flechas horizontales, una orientada a la izquierda y marcada como "condensación" y otra orientada a la derecha y marcada como "vaporización", se dibujan en la parte superior de la sección media de la segunda línea.
Figura 10.30 El estado físico de una sustancia y sus temperaturas de transición de fase se representan gráficamente en un diagrama de fases.

Para ilustrar la utilidad de estos gráficos, consideremos el diagrama de fases del agua que se muestra en la Figura 10.31.

Se muestra un gráfico en el que el eje x está marcado como "Temperatura en grados Celsius" y el eje y como "Presión ( k P a )" Una línea marcada como "A" se extiende de forma brusca hacia arriba desde el origen del gráfico hasta un punto en el tercio inferior del diagrama marcado como "B", donde se bifurca en una línea que se inclina ligeramente hacia atrás hasta llegar al punto más alto del eje Y marcado como "D" y una segunda línea que se extiende hasta la esquina superior derecha del gráfico, marcada como "C". C está marcado como "Punto crítico", con una línea de puntos que se extiende hacia abajo hasta el eje x marcado como 374 grados Celsius, y otra línea de puntos que se extiende hasta el eje y marcado como 22.089 k P a. Las dos líneas dividen el área del gráfico para crear tres secciones, marcadas como "Hielo (sólido)" cerca del centro de la izquierda, "Agua (líquido)" en la parte superior central y "Vapor de agua (gas)" cerca de la parte inferior central. El punto B está marcado como "Punto triple" y tiene una línea de puntos que se extiende hacia abajo hasta el eje x marcado como 0,01, y otra línea de puntos que se extiende hasta el eje y marcado como 0,6. En un punto medio entre los puntos B y C una línea de puntos se extiende desde la línea originalmente discutida hacia abajo hasta el punto 100 grados Celsius en el eje x, y otra línea de puntos se extiende hasta el eje y en 101 k P a. Otra línea de puntos se extiende desde esta línea de puntos hacia abajo a 0 grados Celsius.
Figura 10.31 Los ejes de presión y temperatura de este diagrama de fases del agua no están dibujados a escala constante para ilustrar varias propiedades importantes.

Podemos utilizar el diagrama de fases para identificar el estado físico de una muestra de agua en condiciones específicas de presión y temperatura. Por ejemplo, una presión de 50 kPa y una temperatura de −10 °C corresponden a la región del diagrama denominada "hielo". En estas condiciones, el agua solo existe como sólido (hielo). Una presión de 50 kPa y una temperatura de 50 °C corresponden a la región del "agua", donde esta solo existe como líquido. A 25 kPa y 200 °C, el agua solo existe en estado gaseoso. Observe que en el diagrama de fases del H2O, los ejes de presión y temperatura no están dibujados a una escala constante para permitir la ilustración de varias características importantes, como se describe aquí.

La curva BC en la Figura 10.31 es el gráfico de la presión de vapor frente a la temperatura, tal y como se describe en el módulo anterior de este capítulo. Esta curva "líquido-vapor" separa las regiones líquida y gaseosa del diagrama de fases y proporciona el punto de ebullición del agua a cualquier presión. Por ejemplo, a 1 atm, el punto de ebullición es de 100 °C. Observe que la curva líquido-vapor termina a una temperatura de 374 °C y una presión de 218 atm, lo que indica que el agua no puede existir como líquido por encima de esta temperatura, independientemente de la presión. Las propiedades físicas del agua en estas condiciones son intermedias entre las de sus fases líquida y gaseosa. Este estado único de la materia se denomina fluido supercrítico, un tema que se describirá en la siguiente sección de este módulo.

La curva de vapor sólido, marcada AB en la Figura 10.31, indica las temperaturas y presiones a las que el hielo y el vapor de agua están en equilibrio. Estos pares de datos de temperatura y presión corresponden a los puntos de sublimación, o deposición, del agua. Si pudiéramos ampliar la línea sólido-gas en la Figura 10.31, veríamos que el hielo tiene una presión de vapor de aproximadamente 0,20 kPa a -10 °C. Por tanto, si colocamos una muestra congelada en un vacío con una presión inferior a 0,20 kPa, el hielo se sublimará. Esta es la base del proceso de "liofilización" que se utiliza a menudo para conservar alimentos, como el helado que se muestra en la Figura 10.32.

Fotografía que muestra un paquete con un cohete en lanzamiento en la parte delantera y un bloque de sólido a rayas rosas, blancas y marrones en un envoltorio al lado.
Figura 10.32 Los alimentos liofilizados, como este helado, se deshidratan por sublimación a presiones inferiores al punto triple del agua (créditos: ʺlwaoʺ/Flickr).

La curva sólido-líquido marcada como BD muestra las temperaturas y presiones a las que el hielo y el agua líquida están en equilibrio, representando los puntos de fusión/congelación del agua. Observe que esta curva presenta una ligera pendiente negativa (muy exagerada para mayor claridad), lo que indica que el punto de fusión del agua disminuye ligeramente al aumentar la presión. El agua es una sustancia inusual en este sentido, ya que la mayoría de las sustancias presentan un aumento del punto de fusión al aumentar la presión. Este comportamiento es en parte responsable del movimiento de los glaciares, como el que se muestra en la Figura 10.33. El fondo de un glaciar experimenta una inmensa presión debido a su peso que puede fundir parte del hielo, formando una capa de agua líquida sobre la que el glaciar puede deslizarse más fácilmente.

Fotografía que muestra una vista aérea de una masa de tierra. La masa blanca de un glaciar se muestra cerca del cuadrante superior izquierdo de la foto y conduce a dos ríos azules ramificados. El terreno abierto se muestra en color marrón.
Figura 10.33 Las inmensas presiones existentes bajo los glaciares dan lugar a una fusión parcial que produce una capa de agua que proporciona lubricación para ayudar al movimiento de los glaciares. Fotografía de satélite que muestra el avance del glaciar Perito Moreno en Argentina (créditos: NASA).

El punto de intersección de las tres curvas está marcado como B en la Figura 10.31. A la presión y temperatura representadas por este punto, las tres fases del agua coexisten en equilibrio. Este par de datos temperatura-presión se denomina punto triple. A presiones inferiores al punto triple, el agua no puede existir como líquido, independientemente de la temperatura.

Ejemplo 10.11

Determinación del estado del agua

Utilizando el diagrama de fases del agua dado en la Figura 10.31, determine el estado del agua a las siguientes temperaturas y presiones:

(a) −10 °C y 50 kPa

(b) 25 °C y 90 kPa

(c) 50 °C y 40 kPa

(d) 80 °C y 5 kPa

(e) −10 °C y 0,3 kPa

(f) 50 °C y 0,3 kPa

Solución

Utilizando el diagrama de fases del agua, podemos determinar que el estado del agua a cada temperatura y presión dadas son las siguientes: (a) sólido; (b) líquido; (c) líquido; (d) gas; (e) sólido; (f) gas.

Compruebe lo aprendido

¿Qué cambios de fase puede sufrir el agua al variar la temperatura si la presión se mantiene en 0,3 kPa? ¿Si la presión se mantiene a 50 kPa?

Respuesta:

A 0,3 kPa: sgsg a −58 °C. A 50 kPa: slsl a 0 °C, l ⟶ g a 78 °C.

Consideremos el diagrama de fases del dióxido de carbono que se muestra en la Figura 10.34 como otro ejemplo. La curva sólido-líquido presenta una pendiente positiva, lo que indica que el punto de fusión del CO2 aumenta con la presión, al igual que ocurre con la mayoría de las sustancias (el agua es una notable excepción, como se ha descrito anteriormente). Observe que el punto triple está muy por encima de 1 atm, lo que indica que el dióxido de carbono no puede existir como líquido en condiciones de presión ambiente. En cambio, el enfriamiento del dióxido de carbono gaseoso a 1 atm provoca su deposición en estado sólido. Asimismo, el dióxido de carbono sólido no se funde a 1 atm de presión, sino que se sublima para dar lugar a CO2 gaseoso. Por último, observe que el punto crítico del dióxido de carbono se observa a una temperatura y presión relativamente modestas en comparación con el agua.

Se muestra un gráfico donde el eje de la x está marcado como "Temperatura ( signo de grado, C )" y tiene valores de 100 negativos a 100 en incrementos de 25, mientras que el eje de la y está marcado como "Presión ( k P a )" y tiene valores de 10 a 1.000.000. Una línea se extiende desde la parte inferior izquierda del gráfico hacia arriba hasta un punto alrededor de "27, 9.000", donde termina. El espacio bajo esta curva está marcado como "Gas". Una segunda línea se extiende en una curva desde el punto alrededor de "-55, 500" hasta "27, 1.000.000". El área a la izquierda de esta línea y por encima de la primera línea está marcada como "Sólido" mientras que el área a la derecha está marcada como "Líquido". Una sección del gráfico bajo la segunda línea y pasado el punto "28" en el eje x está marcada como "S C F".
Figura 10.34 Se muestra un diagrama de fases para el dióxido de carbono. El eje de la presión se traza en una escala logarítmica para adaptarse al amplio rango de valores.

Ejemplo 10.12

Determinación del estado del dióxido de carbono

Utilizando el diagrama de fases del dióxido de carbono que se muestra en la Figura 10.34, determine el estado del CO2 a las siguientes temperaturas y presiones:

(a) −30 °C y 2.000 kPa

(b) −90 °C y 1.000 kPa

(c) −60 °C y 100 kPa

(d) −40 °C y 1500 kPa

(e) 0 °C y 100 kPa

(f) 20 °C y 100 kPa

Solución

Utilizando el diagrama de fases para el dióxido de carbono proporcionado, podemos determinar que el estado del CO2 a cada temperatura y presión dadas son las siguientes: (a) líquido; (b) sólido; (c) gas; (d) líquido; (e) gas; (f) gas.

Compruebe lo aprendido

Identifique los cambios de fase que sufrirá el dióxido de carbono al aumentar su temperatura a partir de −100 °C mientras se mantiene su presión constante a 1500 kPa. A 50 kPa. ¿A qué temperaturas aproximadas se producen estos cambios de fase?

Respuesta:

a 1500 kPa: slsl a −55 °C, lglg a −10 °C;

a 50 kPa sgsg a −60 °C

Fluido supercrítico

Si colocamos una muestra de agua en un recipiente cerrado a 25 °C, retiramos el aire y dejamos que se establezca el equilibrio de vaporización-condensación, nos queda una mezcla de agua líquida y vapor de agua a una presión de 0,03 atm. Se observa claramente un límite claro entre el líquido más denso y el gas menos denso. A medida que aumentamos la temperatura, la presión del vapor de agua aumenta, tal y como describe la curva líquido-gas en el diagrama de fases del agua (Figura 10.31), y se mantiene un equilibrio bifásico de las fases líquida y gaseosa. A una temperatura de 374 °C, la presión de vapor se ha elevado a 218 atm, y cualquier aumento adicional de la temperatura provoca la desaparición del límite entre las fases líquida y de vapor. Toda el agua del recipiente está ahora presente en una única fase cuyas propiedades físicas son intermedias entre las del estado gaseoso y las del estado líquido. Esta fase de la materia se denomina fluido supercrítico, y la temperatura y la presión por encima de las cuales existe esta fase es el punto crítico (Figura 10.35). Por encima de su temperatura crítica, un gas no puede licuarse por mucha presión que se aplique. La presión necesaria para licuar un gas a su temperatura crítica se denomina presión crítica. Las temperaturas críticas y las presiones críticas de algunas sustancias comunes se indican en la siguiente tabla.

Sustancia Temperatura crítica (°C) Presión crítica (kPa)
hidrógeno -240,0 1.300
nitrógeno -147,2 3.400
oxígeno -118,9 5.000
dióxido de carbono 31,1 7.400
amoníaco 132,4 11.300
dióxido de azufre 157,2 7.800
agua 374,0 22.000
Se muestran cuatro fotografías en las que cada una muestra un contenedor circular con un flotador verde y rojo en cada uno. En el diagrama de la izquierda, el recipiente está medio lleno de un líquido incoloro y los flotadores están en la superficie del líquido. En la segunda foto, el flotador verde está cerca de la parte superior y el flotador rojo se encuentra cerca del fondo del recipiente. En la tercera foto, el líquido es más oscuro y el flotador verde se encuentra a mitad de camino en el recipiente, mientras que el rojo está en el fondo. En la foto de la derecha, el líquido vuelve a ser incoloro y los dos flotadores están en la superficie.
Figura 10.35 (a) Se calienta un recipiente sellado de dióxido de carbono líquido ligeramente por debajo de su punto crítico, lo que da lugar a (b) la formación de la fase fluida supercrítica. El enfriamiento del fluido supercrítico reduce su temperatura y presión por debajo del punto crítico, lo que da lugar al restablecimiento de las fases líquida y gaseosa separadas (c y d). Los flotadores de colores ilustran las diferencias de densidad entre los estados líquido, gaseoso y supercrítico de los fluidos (créditos: modificación del trabajo de “mrmrobin”/YouTube).

Al igual que un gas, un fluido supercrítico se expandirá y llenará un recipiente, pero su densidad es mucho mayor que las densidades típicas de los gases, acercándose normalmente a las de los líquidos. Al igual que los líquidos, estos fluidos son capaces de disolver solutos no volátiles. Sin embargo, no presentan ninguna tensión superficial y tienen una viscosidad muy baja, por lo que pueden penetrar más eficazmente en aberturas muy pequeñas de una mezcla sólida y eliminar los componentes solubles. Estas propiedades hacen que los fluidos supercríticos sean solventes extremadamente útiles para una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, el dióxido de carbono supercrítico se ha convertido en un solvente muy popular en la industria alimentaria, ya que se utiliza para descafeinar el café, eliminar las grasas de las patatas fritas y extraer compuestos de sabor y fragancia de los aceites de los cítricos. No es tóxico, es relativamente barato y no se considera contaminante. Tras su uso, el CO2 puede recuperarse fácilmente reduciendo la presión y recogiendo el gas resultante.

Ejemplo 10.13

La temperatura crítica del dióxido de carbono

Si agitamos un extintor de dióxido de carbono en un día fresco (18 °C), podemos oír el chapoteo del CO2 líquido dentro del cilindro. Sin embargo, el mismo cilindro parece no contener líquido en un día caluroso de verano (35 °C). Explique estas observaciones.

Solución

En el día frío, la temperatura del CO2 está por debajo de la temperatura crítica del CO2, 304 K o 31 °C, por lo que hay CO2 líquido en el cilindro. En el día caluroso, la temperatura del CO2 es superior a su temperatura crítica de 31 °C. Por encima de esta temperatura, ninguna presión puede licuar el CO2, por lo que no hay CO2 líquido en el extintor.

Compruebe lo aprendido

El amoníaco puede licuarse por compresión a temperatura ambiente; el oxígeno no puede licuarse en estas condiciones. ¿Por qué los dos gases tienen un comportamiento diferente?

Respuesta:

La temperatura crítica del amoníaco es de 405,5 K, superior a la temperatura ambiente. La temperatura crítica del oxígeno está por debajo de la temperatura ambiente; por lo tanto, el oxígeno no puede licuarse a temperatura ambiente.

La química en la vida cotidiana

La descafeinización del café con CO2 supercrítico

El café es la segunda materia prima más comercializada del mundo, solo después del petróleo. En todo el mundo, la gente adora el aroma y el sabor del café. Muchos de nosotros también dependemos de un componente del café, la cafeína, para ponernos en marcha por la mañana o mantenernos alerta por la tarde. Pero a última hora del día, el efecto estimulante del café puede impedirle dormir, por lo que puede optar por tomar café descafeinado por la noche.

Desde principios del siglo XX, se han utilizado muchos métodos para descafeinar el café. Todos tienen ventajas e inconvenientes y dependen de las propiedades físicas y químicas de la cafeína. Como la cafeína es una molécula algo polar, se disuelve bien en el agua, un líquido polar. Sin embargo, dado que muchos de los más de 400 compuestos que contribuyen al sabor y el aroma del café también se disuelven en H2O, los procesos de descafeinización con agua caliente también pueden eliminar algunos de estos compuestos, afectando negativamente al olor y el sabor del café descafeinado. El diclorometano (CH2Cl2) y el acetato de etilo (CH3CO2C2H5) tienen una polaridad similar a la de la cafeína y, por lo tanto, son solventes muy eficaces para la extracción de cafeína, pero ambos eliminan también algunos componentes del sabor y el aroma, y su uso requiere largos tiempos de extracción y limpieza. Dado que ambos disolventes son tóxicos, se ha planteado la preocupación por el efecto del solvente residual que queda en el café descafeinado.

La extracción con fluidos supercríticos utilizando dióxido de carbono se está utilizando ampliamente como un método de descafeinado más eficaz y respetuoso con el medio ambiente (Figura 10.36). A temperaturas superiores a 304,2 K y presiones superiores a 7376 kPa, el CO2 es un fluido supercrítico, con propiedades tanto de gas como de líquido. Como un gas, penetra profundamente en los granos de café; como un líquido, disuelve eficazmente ciertas sustancias. La extracción con dióxido de carbono supercrítico de los granos de café cocidos al vapor elimina entre el 97 y el 99 % de la cafeína, dejando intactos los compuestos de sabor y aroma del café. Dado que el CO2 es un gas en condiciones estándar, su eliminación de los granos de café extraídos se realiza fácilmente, al igual que la recuperación de la cafeína del extracto. La cafeína recuperada de los granos de café mediante este proceso es un producto valioso que puede utilizarse posteriormente como aditivo de otros alimentos o medicamentos.

Se muestran dos imágenes marcadas como "a" y "b". La imagen a muestra una molécula compuesta por un anillo de cinco miembros compuesto por dos esferas azules y tres negras. Una de las esferas azules está enlazada con una esfera negra enlazada con tres esferas blancas y una de las esferas negras está enlazada con una esfera blanca. Las otras dos esferas negras están unidas por doble enlace y forman un lado de un anillo de seis miembros que también está compuesto por otras dos esferas negras y dos azules, ambas enlazadas a una esfera negra enlazada a tres esferas blancas. Las esferas negras tienen doble enlace con las esferas rojas. La imagen b muestra un diagrama de dos tubos verticales que se encuentran uno al lado del otro. El tubo de la izquierda está marcado como "Recipiente de extracción". En la parte superior del tubo hay un pequeño tubo marcado como "Granos remojados" y en la parte inferior una marca que se lee "Granos descafeinados". El tubo de la derecha está marcado como "Recipiente de absorción". Un tubo cerca de la parte superior de este tubo está marcado como "Agua" y otro tubo conduce desde el tubo derecho al izquierdo. Este tubo está marcado con una flecha hacia la izquierda y la frase "dióxido de carbono supercrítico". Hay un tubo que sale del fondo y que lleva la marca "Cafeína y agua". Hay otro tubo que va del recipiente de extracción al de absorción que lleva la marca "C O supercrítico subíndice 2 más cafeína".
Figura 10.36 (a) Las moléculas de cafeína tienen regiones polares y no polares, lo que las hace solubles en solventes de distinta polaridad. (b) El esquema muestra un proceso típico de descafeinización con dióxido de carbono supercrítico.
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