Propiedades intensivas de los materiales: densidad, punto de fusión, punto de ebullición y solubilidad

Como ya hemos estudiado, en química y en física, las propiedades de los materiales pueden clasificarse en función a la cantidad de material estudiado y a su naturaleza. Se habla de propiedades intensivas o propiedades características, aquellas que dependen de la naturaleza del material, sin importar su forma ni la cantidad en la que se encuentre; por lo tanto son propiedades que describen a los materiales, útiles para identificar, separar y clasificar sustancias puras, en comparación con las propiedades extensivas (masa, volumen, temperatura, forma), que no nos sirven para reconocer a los materiales con seguridad.

Un ejemplo de cómo se puede hacer uso de dichas propiedades para la identificación de sustancias, es el de si a un químico en un laboratorio se le presentan dos recipientes, ambos con un volumen de 10 ml de sustancia, y le indican que debe determinar si se trata de una misma sustancia o no. El químico podría hacer uso de las propiedades intensivas para determinar la identidad del material al calentar ambas sustancias, estudiando si poseen el mismo punto de ebullición, es decir, si comienzan a pasar del estado líquido al estado gaseoso a la misma temperatura. Dado el caso de que en el experimento, las sustancias no posean el mismo punto de ebullición, se trataría entonces de sustancias de distinta naturaleza. A su vez en éste ejemplo, observamos que el volumen en el que se encuentra un material, no forma parte de la identidad del mismo, puesto que a pesar de que se estudiaron ambas sustancias en un mismo volumen, éstas poseen diferente punto de ebullición.

Todos los elementos de la tabla periódica y las miles de moléculas que existen, tienen sus propiedades características. En la tabla 1, se presentan las diferentes propiedades intensivas de los materiales que podemos estudiar.

Tabla 1. Propiedades intensivas.

A continuación estudiaremos las propiedades intensivas más utilizadas en química: la densidad, el punto de fusión, el punto de ebullición y la solubilidad. Para facilitar el uso y la comprensión de dichas propiedades, es necesario tener claro la determinación de la pendiente de una recta, ya que al trabajar con estas propiedades se usan dos unidades distintas a la vez, por lo que la pendiente de la recta nos indicará el valor constante de cada propiedad sin importar la cantidad de material estudiado. Es muy importante en el estudio de cualquier ciencia el manejo de gráficos y cuadros, para interpretar cualquier resultado de una investigación. Comenzaremos con el estudio de la densidad.

DENSIDAD

La densidad es una propiedad que indica la masa de una unidad de volumen de una sustancia dada, por lo que la relación masa/volumen es constante al trabajar con una misma sustancia, sin importar la cantidad de material analizado, a través de la fórmula:

, donde d, es la densidad de una muestra a calcular, m, la masa en gramos (g), y v, el volumen en centímetros cúbicos (cm³).

Estudiemos un ejemplo del por qué la densidad es una propiedad intensiva de los materiales, a través de las diferentes muestras de una misma sustancia que denominaremos con el nombre sustancia X, puesto que no se sabe su identidad, realizando en función a los datos un gráfico de masa/volumen, es decir, llevando los valores a un sistema de coordenadas.

Tabla 2. Valores experimentales de una sustancia X.

Figura 1. Relación m/v de muestras de sustancia X.

Como se observa en el gráfico, para cada muestra analizada de la sustancia X se tienen valores que corresponden tanto para el eje de las abscisas o eje X, como para el eje de las ordenadas o eje Y. Matemáticamente, la pendiente de la recta es el cociente que se obtiene al dividir la diferencia de dos valores o puntos del eje Y con sus puntos correspondiente en el eje X, a través de la fórmula:

, donde m, es la pendiente de la recta, Y2, Y1, los puntos en el eje Y, de dos muestras analizadas, y X2,X1, los puntos en el eje X, de las dos muestras analizadas. Al calcular la pendiente de la recta tomando dos muestras del experimento, por ejemplo, A (X1,Y1), y C (X2,Y2), estaríamos calculando la densidad de la sustancia X, quedándonos, A (5 cm³; 13,5 g) y C (20 cm³; 54 g), sustituyendo en la fórmula:

La densidad de las sustancia X calculada usando las muestras A y C fue de 2,7 g/cm³. Calculemos ahora la densidad a partir de las muestras B y D, y observemos qué sucede:

B (10 cm³; 27 g) y C (30 cm³; 81 g)

Los resultados obtenidos para la densidad de la sustancia X, tomando valores de diferentes muestras, señalan que la densidad es la misma y que no depende de la cantidad de sustancia estudiada por lo que es una propiedad característica de los materiales. En la actualidad, las densidades de distintos materiales ya están estandarizadas por medio de estudios experimentales, por lo que al calcular la densidad de una muestra problema se puede comparar con los valores teóricos y determinar de qué material se trata. Observemos la tabla 3, para identificar a qué material corresponde la sustancia X o sustancia problema.

Tabla 3. Datos aproximados de densidad de distintos materiales.

La tabla 3 nos revela que la sustancia X es el aluminio, puesto que la densidad de esta sustancia es de 2, 7 g/cm³. Las unidades de densidad tanto para sólidos y líquidos es g/ cm³, y para gases es g/dm³ (gramo/ decímetro cúbico).

CÁLCULOS DE DENSIDAD, MASA Y VOLUMEN

Muchos problemas de química, requieren del cálculo operacional de la densidad en función a su definición, es decir, del resultado de la división de la masa de una sustancia por su volumen. Sin embargo, pueden presentarse diferentes problemas que involucran a la densidad. Estudiemos los diferentes casos a continuación:

a.- Determinar la densidad del agua, sabiendo que 49,91 g de ésta ocupa un volumen de 50 cm³.

Éste sería el caso más sencillo, aplicando la fórmula, tenemos:

b.- Calcular la masa de una muestra de 280 cm3 de alcohol, sabiendo que su densidad es de 0,80 g/cm³.

En este caso, debemos despejar a la masa de la fórmula, quedándonos:

c.- ¿Qué volumen de agua se tendrá que verter en un cilindro graduado para tener una masa de 500 g?

Para este problema se debe despejar el volumen de la fórmula, y utilizar la densidad del agua que ya hemos estudiado, 0,9982 g/cm³, quedándonos:

d.- Calcular la densidad de una esfera de aluminio de 2cm de radio y 90, 43 g de masa.

Para ejercicios donde se involucren sólidos regulares debemos utilizar su fórmula respectiva para el cálculo del volumen, y de esta manera obtener los datos necesarios para el cálculo de la densidad. Aplicando la fórmula del volumen de una esfera, nos queda:

Sustituyendo ahora en la fórmula de densidad, nos queda:

PUNTO DE FUSIÓN Y PUNTO DE EBULLICIÓN

El punto de fusión y el punto de ebullición son llamados propiedades intensivas ya que al igual que la densidad, son únicos de cada sustancia sin importar la cantidad de muestra analizada, lo que permite discriminar si en una misma muestra hay una o varias sustancias y lograr su identificación.

El punto de fusión hace referencia a la temperatura constante en donde una sustancia se funde, es decir, pasa del estado sólido al estado líquido.

El punto de ebullición hace referencia a la temperatura constante en donde una sustancia pasa del estado líquido al estado gaseoso. En el punto de ebullición de una sustancia líquida, la presión de vapor iguala a la presión de la atmósfera.

Para que una sustancia en estado sólido o líquido llegue a sus puntos de fusión o ebullición es necesario suministrarle una cantidad de energía, la cual es empleada para generar un aumento en la energía cinética de las partículas de la sustancia y posterior ruptura de enlaces entre ellas, de manera que al cabo de un tiempo se de el paso a paso de una sustancia inicialmente sólida a una sustancia en estado gaseoso.

Para comprender cómo se utiliza esa energía en forma de calor y llegar al punto de fusión y al punto de ebullición de una sustancia, en química suelen utilizarse las curvas de calentamiento, que no son más que gráficas que muestran las variaciones de la temperatura con respecto al tiempo de una sustancia sólida, al proporcionarle calor constantemente.

Figura 1. Curva de calentamiento de una sustancia a determinada presión.
Tomado de: http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/56-cambios-de-estado-diagramas-de-calentamiento-diagramas-de-fase

Al estudiar la curva de calentamiento notamos las diferentes variaciones de temperatura en función al tiempo durante el suministro de calor constante, de una sustancia inicial en estado sólido en el punto A (tiempo y temperatura 0). Al transcurrir un tiempo determinado se alcanza una temperatura en el punto B (tiempo y temperatura 1), que se mantiene constante hasta pasado un tiempo en el punto C (tiempo 2 y temperatura 1). Analicemos qué sucede durante éstas variaciones.

El segmento AB en la gráfica, explica cómo el aumento progresivo de la temperatura permite desordenar a la sustancia sólida, lo que promueve vibraciones en los átomos o moléculas que la constituyen implicando un aumento de la energía cinética debido al suministro de calor constante, por lo que al llegar a la temperatura del segmento BC, comienza a darse la fusión del sólido. Durante el proceso de fusión la temperatura y la energía cinética son constantes. Sin embargo, una característica de los sólidos es su estructura ordenada, por lo que entre los tiempos B y C también se da la ruptura de los enlaces que mantienen a la sustancia sólida ordenada, proceso que requiere de energía, y es por ello que a pesar de que se está suministrando un calor constantemente, el mismo es consumido, lo que mantiene a la temperatura constante entre los tiempos B y C.

La ruptura de los enlaces entre las moléculas del sólido, aumentan los espacios interatómicos o intermoleculares, y así finalmente el sólido para al estado líquido. En el tiempo C se ha producido toda la fusión del sólido, por lo que la temperatura constante desde el tiempo B al C corresponde entonces al punto de fusión del sólido.

Al continuar estudiando la curva de calentamiento, observamos variaciones parecidas a las ya explicadas entre los segmentos CD y DE, sin embargo, hay una diferencia notable, y es el aumento exponencial en la temperatura y en la energía cinética entre los tiempos C y D, ya que al igual que para fundir un sólido, se necesita mucho calor para aumentar la energía cinética de las partículas de la fase líquida.

Al llegar al segmento DE comienza a utilizarse toda la energía suministrada para romper la barrera de las fuerzas intermoleculares que mantienen unidas a las partículas de la fase líquida y poder alcanzar el estado gaseoso completamente al finalizar en el punto o tiempo E, por lo que la temperatura y la energía cinética se mantienen constantes, sin variación. Esa temperatura constante durante el segmento DE corresponde entonces al punto de ebullición de la sustancia. En la tabla 4, se muestran los puntos de fusión y puntos de ebullición de las sustancias más utilizadas en química.

Tabla 4. Puntos de fusión y puntos de ebullición de algunas sustancias.

En química, se suelen conocer como cambios progresivos, a aquellos cambios físicos que involucran absorción de calor, tal y como los procesos de fusión y vaporización, los cuales se estudian a través de curvas de calentamiento. Los procesos que involucran una pérdida de calor son llamados cambios regresivos, como los procesos de condensación y solidificación, los cuales pueden estudiarse por medio de curvas de enfriamiento. Cuando se da el proceso de sublimación, se habla de sublimación progresiva, el paso del estado sólido a gas, y de sublimación regresiva, cuando se da el proceso contrario, paso del estado gaseoso al estado sólido.

Tabla 4. Puntos de fusión y puntos de ebullición de algunas sustancias.

SOLUBILIDAD

La solubilidad es una propiedad intensiva de los materiales, que indica los gramos de soluto que se disuelven en 100 cm3 de solvente a una temperatura determinada, es decir, es una propiedad que depende de la naturaleza del solvente y del soluto y de la temperatura.

Recordemos que el soluto es el compuesto en menor proporción que se disuelve mientras que el solvente es el compuesto en mayor proporción que se encarga de disolver. Se dice que una sustancia es soluble en otra cuando el soluto puede desintegrase en el solvente. Si el soluto se disuelve en grandes cantidades, se dice que es muy soluble, si lo hace en pequeñas cantidades es poco soluble, y si no se disuelve en ninguna cantidad, decimos que es insoluble. El agua salada o la mezcla de agua y sal, es un ejemplo de cómo el soluto, que sería la sal, es soluble en el solvente agua, creándose una mezcla homogénea. Un ejemplo en donde se aplica el término insoluble se da al mezclar agua y aceite, formándose dos fases en una mezcla heterogénea.

En química, el término saturación, hace referencia a la combinación de dos o más sustancias en las máximas proporciones que puedan alcanzarse. El proceso de saturación es muy útil al estudiar la solubilidad de las sustancias, puesto que la solubilidad de una sustancia en otra es una propiedad que varía con la temperatura, es decir, si mientras disolvemos una sustancia hasta la saturación en otra y se libera calor, esto nos indica que para esa mezcla la solubilidad disminuye con el incremento de la temperatura; mientras que si ocurre lo contrario, si disolvemos una sustancia en otra hasta a la saturación y hay absorción de calor durante el proceso, nos indica que para esa mezcla la solubilidad aumenta con la temperatura.

Al mezclar dos compuestos su solubilidad puede estudiarse en función a varias temperaturas mediante lo que se conoce como gráficas de solubilidad, en donde la temperatura se ubica en el eje X, y la solubilidad en el eje Y. Utilizando la gráfica, se puede conocer la masa de sustancia que se disuelve en un volumen de agua a una temperatura concreta. En la gráfica a continuación se muestra como aumenta la solubilidad de una sustancia dada en función a la temperatura. Por cada aumento de 20 °C, la solubilidad aumenta 10 g/cm³.

Figura 2. Relación de solubilidad/temperatura de una sustancia dada.

Autoevaluación

a.- Calcular la masa de una barra rectangular de oro, de 13 cm de ancho, 8 cm de alto y 30 cm de largo.

b.- Calcular la densidad de un cono de platino de 4 cm de radio y 7 cm de altura, sabiendo que su masa es de 2514 g.

c.- Elabore una curva de calentamiento mostrando los puntos de fusión y de ebullición del agua.

d.- Elabore una gráfica de solubilidad vs temperatura para la solución de nitrato de potasio en agua.

Referencias bibliográficas:

Suarez, F (2011). Química teoría. 9no grado de Educación básica. Editorial Romor. Caracas, Venezuela. Pág: 19 -25.