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Conexión química. [Música]
En esta fundidora, los desechos de hierro cobran nueva vida. Se transforman en postes de lámparas, rejillas de chimeneas, bancas de parque e incluso alcantarillas. Esta es la materia prima, y se obtiene fundiendo el metal para obtener estos productos. [Música]
Cambios termoquímicos, transformaciones de energía cinética y potencial. Durante los cambios de estado de la materia, al final de este programa aprenderán sobre la energía involucrada en un cambio de fase al analizar gráficas de temperatura y tiempo, identificando cambios de energía potencial y cinética en ellas. Estos cambios a nivel molecular, también aprenderán a correlacionar los cambios de fase con los procesos exotérmicos o endotérmicos, y se acercarán a una interfase de computadora que los ayudará a obtener información sobre los cambios de fase.
Para examinar los cambios en la energía potencial y cinética, tenemos que escoger materiales con los que sea más fácil de trabajar que con el hierro fundido que acabamos de ver. Stephanie Kermin, ¿cómo van a hacer todo esto?
Vamos a generar una curva de calor, que es una gráfica tiempo-temperatura para un cambio de temperatura en el agua de 0 a 100 grados. Es fácil trabajar con ella. Estamos usando la computadora para conectar el mundo de la computación con el científico, ya que los científicos usan las computadoras todo el tiempo para guardar y analizar sus datos.
Bien, ¿qué tal está trabajando su computadora?
Hemos hecho algunos ensayos, pero al principio tuvimos algunos problemas para registrar con nuestra probeta. Después de realizar las conexiones, ya está trabajando muy bien.
¿Qué es lo que está midiendo su probeta?
Está midiendo los cambios de temperatura en la fusión del hielo.
¿Y qué hace su computadora con estas medidas?
Nuestra computadora graba y grafica los datos.
Veamos nuestras gráficas de tiempo-temperatura más de cerca. El primer aumento es el del hielo que se calienta hasta su punto de fusión. Luego, la primera meseta es cuando el hielo pasa de sólido a líquido. El hielo está fundiéndose.
Veo algunas fluctuaciones en su gráfica durante la fundición. ¿Qué está sucediendo?
La probeta se congeló en el hielo y cuando el hielo se fundió, la probeta se movió. Se modificó la medida, pues a veces tocó el fondo del matraz. Creo que la gráfica es un poco más recta, así que deben haber colectado los datos más cerca de la probeta.
Bien, ahora, ¿por qué se eleva aquí la gráfica?
Aquí está haciendo el segundo cambio de temperatura con el agua líquida. Después, en la cima de la meseta, está el cambio de fase en donde el agua líquida se convirtió en agua gaseosa.
¿Por qué no pudieron mostrar un aumento mayor en la gráfica cuando calentaron el agua hacia vapor?
El agua que se vaporiza se va a la atmósfera. La probeta solo puede indicar la temperatura de las sustancias que están dentro del matraz y no puede leer las cosas que están fuera.
Muy bien, ahora examinaremos estos cambios más de cerca sobre un papel.
Muy bien, el modo más útil para describir la relación entre dos cantidades es dibujar una gráfica. Esto puede hacerse a mano usando papel gráfico, pero hoy es una práctica común apuntar los datos experimentales en una computadora. La tecnología moderna nos permite hacer este tipo de gráficas a una velocidad y precisión increíbles.
Esta gráfica se parece a la gráfica de las computadoras.
Así es. ¿En qué son iguales?
Bueno, en el eje horizontal, el tiempo en el cual el calor fue añadido. Y luego, en el eje vertical, tenemos la temperatura del agua. Así que, mientras la energía térmica aumenta, la temperatura del agua también.
Bien, aquí tenemos el hielo que se mantiene en el mismo estado físico, sólido, sí, a cero grados Celsius. Hemos añadido energía térmica que hace que el hielo se derrita.
Un sólido que pasa a líquido, o sea, a fusión.
Así es, y la fusión es un ejemplo de cambio de fase. Un cambio de fase es un cambio en el estado físico de la materia.
¿Qué notas en la temperatura durante un cambio de fase?
Qué es constante.
Así es. O sea, que la temperatura no cambia durante un cambio de fase.
Aquí tenemos que el líquido aumenta en temperatura, sí. En este punto, aquí, ¿qué pasa a 100 grados Celsius?
Pasa de líquido a gas. Está hirviendo.
Ya que la temperatura es de 100 ºC, y este es otro cambio de fase. ¿Qué notan sobre el cambio de temperatura durante este cambio de fase?
Que también permanece constante.
En el laboratorio tenemos que el agua hierve por allá, pero no somos capaces de medir el cambio de temperatura. ¿Qué creen que sucederá en este punto?
Bueno, probablemente la temperatura aumentará aún más. Aumentará la temperatura del gas. También subirá.
Esto sería el gas.
Bueno, en su laboratorio, la temperatura de ebullición del agua fue de cien grados Celsius, no fue de noventa y nueve grados Celsius. Por la elevación, el agua hierve cuando la presión de vapor es igual a la periférica. Y como [Música] estamos usando elevación a una mayor elevación, lo cual hace que el punto de ebullición sea menor. Puede ser noventa y nueve grados.
Sí. Ahora, no vamos a subir a ninguna montaña. Si hiciéramos este experimento mañana, ¿la temperatura sería igual?
Probablemente no lo sería, ya que el clima puede afectar la presión atmosférica local.
Es verdad. Al igual que todas las cosas en nuestra vida, siempre dependen del clima. Sabían que en la cima de esta montaña, el agua hervirá a 96 grados Celsius, mucho más bajo que el punto de ebullición normal. Así que si quieren hacer huevos cocidos, necesitarán más que los 10 minutos comunes. Les tomará cerca de 30 minutos cocinar ese huevo.
El efecto de la presión en el punto de ebullición también explica por qué las ollas de presión ahorran tiempo en la cocina. Una olla de presión está sellada, lo cual permite que el vapor solo escape cuando excede cierta presión. La presión sobre el agua en la olla es la suma de la presión atmosférica y la presión del vapor. Ya que la presión está aumentada, el agua dentro de la olla de presión hervirá a más de 100 grados Celsius, y la comida en ella estará más caliente y se cocinará más rápido.
Las sustancias físicas pueden cambiar el estado físico de la materia de sólido a líquido o de líquido a gas, pero hay algunas excepciones, y pronto las verán. Sí. [Música]
Cuando se calienta el yodo, los cristales pasan de un estado sólido a uno gaseoso sin pasar por el estado líquido. Esto se llama sublimación. Sublimación: el cambio de sólido a gaseoso sin pasar por el estado líquido. Sublimación es el proceso que se usa para hacer la comida seca congelada, como esta. Esta comida se pone en una cámara donde la presión es inferior a la presión de vapor del hielo. Esto hace que sublime los cristales de hielo. Así que cuando están listos para comerla, lo único que hay que hacer es añadirles agua.
Las flores secas congeladas son otro producto de la sublimación. Aquí comienza el proceso de las flores frescas. Estas flores están secadas por congelación. Les damos un tiempo para que abran. Una vez que abren, ponemos los capullos separados de los tallos. Después, los colocamos en charolas. Cuando las charolas están llenas, se meten en un secador por congelación. Este secado ha estado preparado a menos 45 grados, así que las flores se congelan muy rápidamente. Una vez que las flores están congeladas, esperamos unas 12 horas. Después, encendemos la bomba de vacío. En una presión de vacío, se da la sublimación. Ahí los cristales en las flores pasan de hielo a gas sin pasar por el estado líquido. La humedad del gas en la cámara migra hacia la cámara inferior, que está a menos 65 grados, y lo vuelve a convertir en hielo. Entonces podemos aislar las dos cámaras y quitar el hielo de la cámara inferior. Así removemos la humedad de la máquina y de las flores.
Esta es la misma flor cuando se seca con el aire. Como pueden ver, hay mucho encogimiento, de coloración y oscurecimiento. En cambio, estas flores durarán por años. [Música]
Ahora volvamos al yodo. Cuando el gas se enfría, se forman cristales sólidos sin pasar por el estado líquido. Esto se llama deposición. Deposición: el cambio de un gas a un sólido sin pasar por el estado líquido.
Ya examinamos la gráfica tiempo-temperatura para el calentamiento del agua: sólido, fusión, líquido, ebullición. ¿Cómo se vería la gráfica para el proceso contrario, enfriamiento?
La curva es al revés.
Es cierto. Gas, condensación, líquido, congelamiento y sólido.
¿Puede usarse una gráfica de tiempo-temperatura para otras sustancias puras además del agua?
Sí, pero la capacidad térmica específica y el punto de fusión y ebullición son diferentes en cada sustancia, así que la forma de la gráfica varía para diferentes sustancias.
Veamos una gráfica tiempo-temperatura para el hierro. En esta fundidora, el hierro se calienta hasta su punto de fusión, sufre un cambio de fase y es calentado el hierro fundido. Después se vierte en moldes, donde se enfría, solidifica y alcanza la temperatura ambiental.
¿Cuál es el proceso en el cual se moldea el hierro?
Antes que nada, debemos tomar un objeto. Hacemos un molde de la parte superior e inferior de este. Ya que tenemos ese molde en arena, podemos tomar esas dos piezas y unirlas. Puedes ver esta línea de acá, estas son dos líneas que se han unido. Así, al acercar estas piezas, obtenemos el objeto y después vertimos el metal. De arena muy fina de Estados Unidos. Le ponemos endurecedores, así que también es muy dura.
¿Y para qué sirve esto?
Se enfría el hierro, esos gases podrían hacer ignición y destruir el molde. Así que usamos la gravedad con estos pesos para mantener el molde abajo por esas pequeñas explosiones que se dan dentro de él, y así el molde permanece estable.
¿Y para qué son estos hoyos?
Bueno, aquí se vierte el metal y a través de este lugar fluye. Después se saca por aquí. Se ve que es profundo. Es aproximadamente 30 centímetros, quizá unos 50 más. Aquí es donde se forma el objeto. Así que ustedes vierten el metal aquí, pero se forma dentro de eso.
Así es como podrás ver. Hay gases que están saliendo de esta pequeña flama. Bueno, también encendemos la ventilación alrededor del molde, solo para asegurarnos que esos gases se quemen ordenadamente. Eso aumenta la estabilidad.
Las gráficas son una forma de comunicar los cambios energéticos, pero necesitamos más información para apreciar estos cambios. Ahora, Kevin nos lo ilustrará.
Hicimos las gráficas para demostrar los cambios en la energía cinética y potencial en la temperatura. Comenzaremos con la fase sólida, usando hielo como muestra. Cuando el agua se congela, forma una estructura tridimensional que evita que las moléculas de agua se acerquen demasiado entre sí. Cada átomo de oxígeno está asociado a cuatro átomos de hidrógeno: dos por uniones covalentes y dos por fuerzas intermoleculares. Los enlaces covalentes se muestran con líneas sólidas y las fuerzas intermoleculares con líneas punteadas. Las fuerzas intermoleculares son muy fuertes en el agua debido a los puentes de hidrógeno. La energía requerida para romper esta fuerte atracción es evidente en el punto relativamente alto de ebullición y de fusión del agua. Por ejemplo, el metano, que está hecho de moléculas de un tamaño y una masa similar, tiene un punto de fusión de -183 grados Celsius.
Esta adición homogénea de calor al agua helada hace que las moléculas vibren más, lo que eleva su energía cinética promedio. La energía cinética de las moléculas de agua en un cristal de hielo es el resultado del movimiento de vibración de toda la molécula, así como de la vibración del hidrógeno y el oxígeno dentro de cada molécula de agua. Cuando seguimos añadiendo energía térmica, el movimiento de las moléculas se vuelve progresivamente más vigoroso y la temperatura sube aún más.
En el punto de fusión, cero grados Celsius, las fuerzas intermoleculares ya no son suficientemente fuertes para resistir la violencia. La aplicación continua de energía térmica se usa ahora para sobrepasar las fuerzas que mantienen unidas las moléculas de hielo entre sí en un sólido. Como resultado, la energía potencial aumenta. Este aumento en la energía potencial causa un cambio de fase de sólido a líquido. Noten que la temperatura de la sustancia no se aumenta durante la fundición, ya que la energía térmica añadida es convertida a energía potencial. La energía absorbida para fundir un mol de hielo se llama calor molar de fusión.
Algunos materiales fluyen como líquidos cuando sus moléculas permanecen ordenadas. A estas sustancias las llamamos cristales líquidos. El cristal líquido de esta calculadora está comprimido entre dos segmentos de vidrio. Las cargas eléctricas en el vidrio hacen que los cristales líquidos se orienten de un modo tal que la luz no pueda pasar a través de ellos. Ya que la luz no los atraviesa, los números parecen ser negros.
Ahora examinemos los cambios de energía en la fase líquida. Una vez que todo el sólido se funde, la posterior adición de calor hace que la energía cinética promedio aumente de nuevo. El movimiento vibratorio de las moléculas, al igual que el movimiento rotacional y traslacional, aumenta. Medimos estos incrementos en la energía cinética como un incremento en la temperatura.
Al punto de ebullición, 100 grados Celsius, la temperatura no sube. Así que sabemos que la energía cinética promedio se mantiene constante. Ahora, la energía añadida trabaja contra las fuerzas intermoleculares que mantienen a las moléculas unidas en el líquido. Las moléculas después se separan, guardando la energía añadida como energía potencial. Libres de estas fuerzas intermoleculares, las moléculas se separan como gas.
Una vez más, ya que la temperatura de la sustancia no aumenta durante la fusión, el calor añadido aumenta la energía potencial de las moléculas. Un cambio de fase ha ocurrido: líquido a gas. La energía absorbida por mol de agua durante la ebullición se llama calor molar de vaporización.
Después del cambio de fase de agua líquida a vapor de agua, la temperatura aumenta una vez más, mientras el calor añadido aumenta la energía cinética promedio de las moléculas del gas. Noten que la meseta en el punto de ebullición es más larga que la meseta en el punto de fusión, ya que necesita cerca de siete veces más energía vaporizar el agua líquida que fundir el hielo.
Una buena ducha fría para estar tibios. Usualmente no pensamos en el agua fría como un agente calentador, pero cuando la congelación amenaza una huerta, los granjeros a veces congelan los frutos. Cuando se forma el hielo, el agua libera energía. Con una capa protectora de hielo, la temperatura dentro de la planta no bajará a menos de cero grados Celsius, y así sobrevivirá la cosecha.
Además de los sólidos, los líquidos y los gases, hay otro estado de la materia llamado plasma. La aurora boreal es causada por la presencia de plasma de baja densidad en la atmósfera superior. Cuando un gas es calentado a temperaturas muy altas, se ioniza, se vuelve una mezcla de electrones e iones positivos y cambia a un diferente estado de la materia llamado plasma, que consiste en la ionización de un gas. Podemos ver estos plasmas parciales en las luces fluorescentes, luces de neón, focos, flamas y luces del norte. [Música]
Cuando una molécula de agua pasa de una forma sólida a una gaseosa, absorbe energía de su alrededor. Puedes notar esto cuando sales de la alberca en un día caluroso y el agua se evapora de tu piel. Sientes escalofríos. Cuando la energía se pierde en forma de vapor de agua, los efectos son opuestos. Primero, la temperatura baja y la pérdida de energía hace que las moléculas de gas se vuelvan más lentas. La energía cinética decrece.
A 100 grados Celsius, la energía cinética promedio de las moléculas ha bajado lo suficiente para permitir que se acerquen más entre sí por las fuerzas intermoleculares. La energía que se absorbió antes para superar las fuerzas intermoleculares ahora se libera cuando las moléculas se reúnen. Esta liberación de energía resulta en un decremento de la energía potencial del agua. El vapor de agua se condensa. Ocurre un cambio de fase de gas a líquido. La temperatura del sistema no cae durante la condensación, ya que hay un decremento en la energía potencial, pero no en la energía cinética. La liberación de energía aumenta la energía cinética, por lo tanto, la temperatura de las moléculas del ambiente. La energía liberada si un mol de gas se condensa se llama la entalpía molar de condensación.
Después de que todo el vapor se ha condensado, se libera más energía y la energía cinética promedio molecular de estas moléculas decrece. La temperatura empieza a caer a cero grados Celsius. El congelamiento o la solidificación comienza. Una vez más, la temperatura del agua no cae durante la congelación, ya que hay un decremento en la energía potencial, pero no en la energía cinética. Ocurre un cambio de fase de líquido a sólido. La energía liberada durante la congelación, si un mol de agua se solidifica, se llama la entalpía molar de solidificación. Cuando se completa la solidificación, la temperatura cae una vez más. La cantidad de energía cinética promedio de las moléculas desciende y se vuelven más lentas.
Con 10 gramos de evaporación en grados Celsius, o con 10 gramos de agua caliente a 100 grados, el vapor nos quemaría más. El agua líquida a la misma temperatura no tiene la misma cantidad de energía potencial que el vapor. Cuando el vapor se condensa, su energía potencial disminuye. Esta energía se libera y se convierte en energía cinética, lo cual causa una quemadura.
La presión no solo afecta el punto de ebullición del agua, como vimos en el caso de cocinar un huevo con altas elevaciones de la presión en las ollas de cocina. La presión también afecta el punto de fusión del agua. Por ejemplo, me pondré mis guantes. Este bloque de hielo representa un sistema en el cual coexisten el agua sólida y líquida al punto de fusión, cero grados Celsius. Este punto de fusión toma en cuenta la presión que ejerce la atmósfera de los alrededores sobre el bloque de hielo. En este momento, la presión es de alrededor de una atmósfera y la temperatura del bloque de hielo es de alrededor de menos diez grados Celsius, así que no se está derritiendo. No hay cambio.
Pero, ¿qué pasa si la presión se aumenta sobre el hielo? Para contestar esta pregunta, examinaremos algunas propiedades del agua. La materia, como el agua, reduce su volumen cuando es sujeta a una presión incrementada. Esta propiedad es muy obvia en la fase gaseosa, pero también ocurre en las fases sólidas y líquidas. Otra propiedad es que una masa dada de agua líquida tiene un volumen menor que el hielo a cero grados Celsius. Vimos esta propiedad antes cuando examinamos los cristales de agua sólida. Cuando el hielo cambia su fase hacia el líquido, la distancia entre las uniones intermoleculares decrece, lo cual ocasiona un volumen menor en el agua líquida.
Si un aumento en la presión disminuye el volumen del agua y el cambio de fase de sólido a líquido disminuye el volumen del agua, entonces, si aumento la presión en este bloque de hielo, ¿puedo hacer que se funda aún si no está a una temperatura de cero grados Celsius? Entonces, ¿cómo voy a crear más de una atmósfera de presión sobre este bloque de hielo? Vamos a verlo.
Si coloco esta pieza de alambre a través de la superficie del hielo y coloco las pesas al final del cable, voy a aumentar la presión bajo esta línea del alambre. Verán que la presión incrementada del alambre sobre el hielo ha hecho que el hielo se derrita bajo el alambre. Está ocurriendo un cambio de fase, aun cuando el hielo está a una temperatura inferior a cero grados Celsius. Disminuimos el punto de fusión aumentando la presión.
Este mismo fenómeno hace posible el patinaje sobre hielo. La estrecha cuchilla de los patines ejerce mucha presión, ya que el peso de los patinadores está soportado en el área de la cuchilla. Esta presión sobre el hielo disminuye su punto de fusión y la capa de agua formada bajo las cuchillas actúa como un lubricante entre el patín y el hielo. Además, el calor de fricción debido al movimiento contribuye a la fusión del hielo. Después de que pasa la cuchilla, el líquido restaura su presión normal y la temperatura regresa. Sin este efecto de lubricación debido a los cambios de fase, el patinaje no sería suave, gracioso y divertido para muchas personas.
Hola, Stephanie. ¿Ya terminaste?
Sí, solo estoy escribiendo los cambios de fase exotérmicos y endotérmicos.
Muy bien, defiende tu posición. ¿Por qué esta tabla es exotérmica?
Un cambio exotérmico es, por ejemplo, cuando se forma un sólido a partir de un líquido. El líquido tiene un mayor nivel energético que el sólido, así que es necesario liberar energía para que un líquido se convierta en sólido.
Sí, en realidad, así es. ¿Y un cambio endotérmico?
Es lo opuesto. Para fundirse, se pasa de un estado sólido a uno líquido. El sólido tiene menos energía que el líquido, así que hay que añadirle energía.
Claro. Vamos a ponernos en acción. Quiero que escribas algunas reacciones para mí. Te daré algunos ejemplos. Incluye la energía en las reacciones.
Bueno, un día frío de invierno, te levantas en la mañana. ¿Cómo está el parabrisas de tu auto? Congelado. ¿De dónde vino el hielo? El vapor de agua se solidificó. [Música]
¿Qué es deposición?
Es cierto, de gas a sólido. Ahora escribe la reacción para la deposición del vapor de agua.
Bueno, comienza como vapor de agua y se convierte en agua sólida. Pasa de un estado de energía mayor a un estado de energía menor, así que se libera energía. Esa energía sale del ambiente.
Bien. Ejemplo simple. Agua hirviendo, vaporización. El agua está en forma líquida, se le añade energía porque está en un estado de energía menor.
Está en un estado de energía menor. Sí. Energía menor. Si quieres llegar a un estado de energía mayor, así que le agregas energía al sistema.
Bien, y así se obtiene agua gaseosa.
Al principio del programa, vimos una fundidora de acero y cómo a partir de virutas de metal fundidas se obtenía acero derretido que se vertía en moldes para hacer productos. Quiero que escribas las dos reacciones que representan esos cambios.
Primero, tenemos las virutas de hierro. Después, tenemos que fundirlas para obtener un líquido. Esta reacción será endotérmica. Comenzamos con hierro sólido y tenemos que añadirle energía para obtener hierro líquido.
Y ese es hierro líquido. Muy bien. ¿Y la otra reacción?
Bueno, tomamos el hierro fundido y lo moldeamos. Hay una solidificación o enfriamiento. Esa es una reacción exotérmica. Pasa de hierro fundido, que es un líquido, a hierro sólido, y se libera energía en ese cambio de fase.
Sí. ¿Ves algún patrón en las reacciones que has escrito en términos de energía? [Música]
Siempre es un producto para la endotérmica. La energía siempre es un reactante.
Muy bien. En este programa, hemos identificado los cambios progresivos en los estados de la materia. Hemos introducido la interfase de computadora como un método para obtener información de los cambios de fase. También utilizamos una gráfica tiempo-temperatura para identificar los cambios en las energías potenciales y cinéticas durante los cambios en los estados de la materia. Examinamos los cambios energéticos del agua mientras pasa por varios cambios de fase a nivel molecular. Clasificamos los varios estados de la materia como endotérmicos o exotérmicos e incorporamos la energía como un término en la ecuación del cambio de fase. Hemos visto cómo la energía asociada con el cambio de fase es parte de nuestro mundo y cómo esa energía puede usarse de modo práctico. Cuando sales de una piscina en un día soleado y el agua se está evaporando en tu piel, sientes frío. Los efectos... olvidenlo. Preparamos la gráfica del agua para demostrar que hace frío. Cuando el gas se enfría, se forma.