Punto de ebullición

Temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a vapor.

Este artículo trata sobre el punto de ebullición de los líquidos. Para otros usos, consulte Punto de ebullición (desambiguación) .

Agua hirviendo

El punto de ebullición de una sustancia es la temperatura a la que la presión de vapor de un líquido es igual a la presión que rodea al líquido ^{[1] [2]} y el líquido se transforma en vapor.

El punto de ebullición de un líquido varía según la presión ambiental circundante. Un líquido en un vacío parcial tiene un punto de ebullición más bajo que cuando ese líquido está a presión atmosférica . Un líquido a alta presión tiene un punto de ebullición más alto que cuando ese líquido está a presión atmosférica. Por ejemplo, el agua hierve a 100 ° C (212 ° F) al nivel del mar, pero a 93,4 ° C (200,1 ° F) a 1.905 metros (6.250 pies) ^{[3] de} altitud. Para una presión dada, diferentes líquidos hervirán a diferentes temperaturas.

El punto de ebullición normal (también llamado punto de ebullición atmosférico o punto de ebullición a presión atmosférica ) de un líquido es el caso especial en el que la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica definida al nivel del mar, una atmósfera . ^{[4] [5]} A esa temperatura, la presión de vapor del líquido se vuelve suficiente para superar la presión atmosférica y permitir que se formen burbujas de vapor dentro de la mayor parte del líquido. El punto de ebullición estándar ha sido definido por la IUPAC desde 1982 como la temperatura a la que se produce la ebullición bajo una presión de un bar . ^[6]

El calor de vaporización es la energía requerida para transformar una cantidad dada (un mol, kg, libra, etc.) de una sustancia de un líquido a un gas a una presión dada (a menudo presión atmosférica).

Los líquidos pueden convertirse en vapor a temperaturas por debajo de sus puntos de ebullición a través del proceso de evaporación . La evaporación es un fenómeno de superficie en el que las moléculas ubicadas cerca del borde del líquido, que no están contenidas por suficiente presión del líquido en ese lado, escapan a los alrededores en forma de vapor . Por otro lado, la ebullición es un proceso en el que las moléculas en cualquier parte del líquido escapan, lo que resulta en la formación de burbujas de vapor dentro del líquido.

Temperatura y presión de saturación

Reproducir medios

Demostración del punto de ebullición más bajo del agua a menor presión, logrado mediante el uso de una bomba de vacío .

Artículo principal: Equilibrio vapor-líquido

Un líquido saturado contiene tanta energía térmica como puede sin hervir (o, por el contrario, un vapor saturado contiene la menor cantidad de energía térmica que puede sin condensarse ).

La temperatura de saturación significa el punto de ebullición . La temperatura de saturación es la temperatura para una presión de saturación correspondiente a la que un líquido hierve en su fase de vapor . Se puede decir que el líquido está saturado de energía térmica . Cualquier adición de energía térmica da como resultado una transición de fase .

Si la presión en un sistema permanece constante ( isobárica ), un vapor a temperatura de saturación comenzará a condensarse en su fase líquida a medida que se elimina la energía térmica ( calor ). De manera similar, un líquido a temperatura y presión de saturación hierve en su fase de vapor a medida que se aplica energía térmica adicional.

El punto de ebullición corresponde a la temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la presión ambiental circundante. Por tanto, el punto de ebullición depende de la presión. Los puntos de ebullición pueden publicarse con respecto a la presión estándar de NIST, EE. UU . De 101,325 kPa (o 1 atm ), o la presión estándar de la IUPAC de 100,000 kPa. En elevaciones más altas, donde la presión atmosférica es mucho más baja, el punto de ebullición también es más bajo. El punto de ebullición aumenta con el aumento de presión hasta el punto crítico., donde las propiedades del gas y del líquido se vuelven idénticas. El punto de ebullición no se puede aumentar más allá del punto crítico. Asimismo, el punto de ebullición disminuye al disminuir la presión hasta que se alcanza el punto triple . El punto de ebullición no se puede reducir por debajo del punto triple.

Si se conocen el calor de vaporización y la presión de vapor de un líquido a una determinada temperatura, el punto de ebullición se puede calcular utilizando la ecuación de Clausius-Clapeyron , así:

${\displaystyle T_{\text{B}}=\left({\frac {1}{T_{0}}}-{\frac {R\,\ln {\frac {P}{P_{0}}}}{\Delta H_{\text{vap}}}}\right)^{-1}}$

dónde:

${\displaystyle T_{B}}$ es el punto de ebullición a la presión de interés,

${\displaystyle R}$es la constante del gas ideal ,

${\displaystyle P}$es la presión de vapor del líquido a la presión de interés,

${\displaystyle P_{0}}$es alguna presión donde se conoce la correspondiente (generalmente datos disponibles a 1 atm o 100 kPa),${\displaystyle T_{0}}$

${\displaystyle \Delta H_{\text{vap}}}$es el calor de vaporización del líquido,

${\displaystyle T_{0}}$ es la temperatura de ebullición,

${\displaystyle \ln }$es el logaritmo natural .

La presión de saturación es la presión para una temperatura de saturación correspondiente a la que un líquido hierve en su fase de vapor. La presión de saturación y la temperatura de saturación tienen una relación directa: a medida que aumenta la presión de saturación, también lo hace la temperatura de saturación.

Si la temperatura en un sistema permanece constante (un sistema isotérmico ), el vapor a presión y temperatura de saturación comenzará a condensarse en su fase líquida a medida que aumenta la presión del sistema. De manera similar, un líquido a presión y temperatura de saturación tenderá a parpadear en su fase de vapor a medida que disminuye la presión del sistema.

Hay dos convenciones con respecto al punto de ebullición estándar del agua : El punto de ebullición normal es 99,97  ° C (211,9  ° F ) a una presión de 1 atm (es decir, 101,325 kPa). El punto de ebullición estándar recomendado por la IUPAC del agua a una presión estándar de 100 kPa (1 bar) ^[7] es 99,61  ° C (211,3  ° F ). ^{[6] [8]} A modo de comparación, en la cima del monte Everest , a 8.848 m (29.029 pies) de elevación, la presión es de aproximadamente 34  kPa (255  Torr ) ^[9] y el punto de ebullición del agua es de 71  ° C (160 ° F ). La escala de temperatura Celsius se definió hasta 1954 por dos puntos: 0 ° C se define por el punto de congelación del agua y 100 ° C se define por el punto de ebullición del agua a la presión atmosférica estándar.

Relación entre el punto de ebullición normal y la presión de vapor de los líquidos

Una tabla de presión de vapor log-lin para varios líquidos

Cuanto mayor sea la presión de vapor de un líquido a una temperatura determinada, menor será el punto de ebullición normal (es decir, el punto de ebullición a presión atmosférica) del líquido.

El cuadro de presión de vapor de la derecha tiene gráficos de las presiones de vapor frente a las temperaturas para una variedad de líquidos. ^[10] Como se puede ver en la tabla, los líquidos con las presiones de vapor más altas tienen los puntos de ebullición normales más bajos.

Por ejemplo, a cualquier temperatura dada, el cloruro de metilo tiene la presión de vapor más alta de todos los líquidos de la tabla. También tiene el punto de ebullición normal más bajo (−24,2 ° C), que es donde la curva de presión de vapor del cloruro de metilo (la línea azul) se cruza con la línea de presión horizontal de una atmósfera ( atm ) de presión de vapor absoluta.

El punto crítico de un líquido es la temperatura (y presión) más alta a la que realmente hervirá.

Ver también Presión de vapor de agua .

Propiedades de los elementos

Más información: Lista de elementos por punto de ebullición

El elemento con el punto de ebullición más bajo es el helio . Tanto los puntos de ebullición del renio como del tungsteno superan los 5000 K a presión estándar ; Debido a que es difícil medir temperaturas extremas con precisión sin sesgo, se ha citado en la literatura que ambas tienen el punto de ebullición más alto. ^[11]

El punto de ebullición como propiedad de referencia de un compuesto puro

Como puede verse en el gráfico anterior del logaritmo de la presión de vapor frente a la temperatura de cualquier compuesto químico puro dado , su punto de ebullición normal puede servir como una indicación de la volatilidad general de ese compuesto . Un compuesto puro dado tiene solo un punto de ebullición normal, si lo hay, y el punto de ebullición y el punto de fusión normales de un compuesto pueden servir como propiedades físicas característicaspara ese compuesto, que figura en los libros de referencia. Cuanto más alto es el punto de ebullición normal de un compuesto, menos volátil es ese compuesto en general y, a la inversa, cuanto más bajo es el punto de ebullición normal de un compuesto, más volátil es ese compuesto en general. Algunos compuestos se descomponen a temperaturas más altas antes de alcanzar su punto de ebullición normal o, a veces, incluso su punto de fusión. Para un compuesto estable, el punto de ebullición varía desde su punto triple hasta su punto crítico., dependiendo de la presión externa. Más allá de su punto triple, el punto de ebullición normal de un compuesto, si lo hay, es más alto que su punto de fusión. Más allá del punto crítico, las fases líquida y de vapor de un compuesto se fusionan en una fase, que puede denominarse gas sobrecalentado. A cualquier temperatura dada, si el punto de ebullición normal de un compuesto es más bajo, entonces ese compuesto existirá generalmente como un gas a la presión atmosférica externa. Si el punto de ebullición normal del compuesto es más alto, entonces ese compuesto puede existir como líquido o sólido a esa temperatura dada a la presión atmosférica externa, y así existirá en equilibrio con su vapor (si es volátil) si sus vapores están contenidos. Si los vapores de un compuesto no están contenidos, algunos compuestos volátiles pueden eventualmente evaporarse a pesar de sus puntos de ebullición más altos.

Puntos de ebullición de alcanos , alquenos , éteres , halogenoalcanos , aldehídos , cetonas , alcoholes y ácidos carboxílicos en función de la masa molar

En general, los compuestos con enlaces iónicos tienen puntos de ebullición normales altos, si no se descomponen antes de alcanzar temperaturas tan altas. Muchos metales tienen puntos de ebullición altos, pero no todos. Muy generalmente, con otros factores iguales, en compuestos con moléculas unidas covalentemente , a medida que aumenta el tamaño de la molécula (o masa molecular ), aumenta el punto de ebullición normal. Cuando el tamaño molecular llega a ser el de una macromolécula , polímero o muy grande, el compuesto a menudo se descompone a alta temperatura antes de que se alcance el punto de ebullición. Otro factor que afecta el punto de ebullición normal de un compuesto es la polaridad.de sus moléculas. A medida que aumenta la polaridad de las moléculas de un compuesto, aumenta su punto de ebullición normal, siendo iguales los demás factores. Estrechamente relacionada está la capacidad de una molécula para formar enlaces de hidrógeno (en estado líquido), lo que dificulta que las moléculas abandonen el estado líquido y, por lo tanto, aumenta el punto de ebullición normal del compuesto. Los ácidos carboxílicos simples se dimerizan formando enlaces de hidrógeno entre moléculas. Un factor menor que afecta los puntos de ebullición es la forma de una molécula. Hacer que la forma de una molécula sea más compacta tiende a reducir ligeramente el punto de ebullición normal en comparación con una molécula equivalente con más superficie.

Comparación de los puntos de ebullición del isómero butano ( C ₄ H ₁₀ )

Nombre común	n - butano	isobutano
Nombre IUPAC	butano	2-metilpropano
Forma molecular
Punto de ebullición (° C)	−0,5	−11,7

Comparación de los puntos de ebullición del isómero pentano

Nombre común	n - pentano	isopentano	neopentano
Nombre IUPAC	pentano	2-metilbutano	2,2-dimetilpropano
Forma molecular
Punto de ebullición (° C)	36,0	27,7	9.5

Diagrama de punto de ebullición binario de dos componentes hipotéticos que interactúan solo débilmente sin un azeótropo

La mayoría de los compuestos volátiles (en cualquier lugar cercano a la temperatura ambiente) pasan por una fase líquida intermedia mientras se calientan desde una fase sólida para eventualmente transformarse en una fase de vapor. En comparación con la ebullición, una sublimación es una transformación física en la que un sólido se convierte directamente en vapor, lo que ocurre en unos pocos casos seleccionados, como con el dióxido de carbono a presión atmosférica. Para tales compuestos, un punto de sublimación es una temperatura a la cual un sólido que se convierte directamente en vapor tiene una presión de vapor igual a la presión externa.

Impurezas y mezclas

En la sección anterior, se cubrieron los puntos de ebullición de los compuestos puros. Las presiones de vapor y los puntos de ebullición de las sustancias pueden verse afectados por la presencia de impurezas disueltas ( solutos ) u otros compuestos miscibles, dependiendo el grado de efecto de la concentración de las impurezas u otros compuestos. La presencia de impurezas no volátiles como sales o compuestos de una volatilidad muy inferior a la del componente principal disminuye su fracción molar y la volatilidad de la solución y, por tanto, aumenta el punto de ebullición normal en proporción a la concentración de los solutos. Este efecto se llama elevación del punto de ebullición . Como ejemplo común,el agua salada hierve a una temperatura más alta que el agua pura.

En otras mezclas de compuestos miscibles (componentes), puede haber dos o más componentes de volatilidad variable, cada uno con su propio punto de ebullición del componente puro a cualquier presión dada. La presencia de otros componentes volátiles en una mezcla afecta las presiones de vapor y por lo tanto los puntos de ebullición y los puntos de rocío de todos los componentes de la mezcla. El punto de rocío es una temperatura a la que un vapor se condensa en un líquido. Además, a cualquier temperatura dada, la composición del vapor es diferente de la composición del líquido en la mayoría de estos casos. Para ilustrar estos efectos entre los componentes volátiles en una mezcla, se usa comúnmente un diagrama de punto de ebullición . Destilación es un proceso de ebullición y [habitualmente] condensación que aprovecha estas diferencias de composición entre las fases líquida y vapor.

Ver también

• Puntos de ebullición de los elementos (página de datos)
• Elevación del punto de ebullición
• Punto crítico (termodinámica)
• Ebulliómetro , un dispositivo para medir con precisión el punto de ebullición de los líquidos.
• Método Joback (estimación de los puntos de ebullición normales a partir de la estructura molecular)
• Lista de gases, incluidos los puntos de ebullición
• Subenfriamiento
• Recalentamiento
• La constante de Trouton relaciona el calor latente con el punto de ebullición.
• Triple punto

Referencias

1. Goldberg, David E. (1988). 3000 problemas resueltos de química (1ª ed.). McGraw-Hill. sección 17.43, pág. 321. ISBN 0-07-023684-4.
2. Theodore, Louis; Dupont, R. Ryan; Ganesan, Kumar, eds. (1999). Prevención de la contaminación: el enfoque de gestión de residuos para el siglo XXI . Prensa CRC. sección 27, pág. 15. ISBN 1-56670-495-2.
3. "Punto de ebullición del agua y altitud" . www.engineeringtoolbox.com .
4. Página del sitio web de la Universidad de Purdue del glosario de química general
5. Carrete, Kevin R .; Fikar, RM; Dumas, PE; Templin, Jay M. y Van Arnum, Patricia (2006). Química AP (REA): la mejor preparación para el examen de ubicación avanzada (9ª ed.). Asociación de Investigación y Educación. sección 71, pág. 224. ISBN 0-7386-0221-3.
6. Cox, JD (1982). "Notación para estados y procesos, significado de la palabra estándar en termodinámica química y comentarios sobre formas comúnmente tabuladas de funciones termodinámicas" . Química pura y aplicada . 54 (6): 1239-1250. doi : 10.1351 / pac198254061239 .
7. Presión estándar La IUPAC define la "presión estándar" como 10 ⁵ Pa (que equivale a 1 bar).
8. Apéndice 1: Tablas y gráficos de propiedades (unidades SI) , desplácese hasta la Tabla A-5 y lea el valor de temperatura de 99,61 ° C a una presión de 100 kPa (1 bar). Obtenido del sitio web de Educación Superior de McGraw-Hill.
9. West, JB (1999). "Presiones barométricas en el monte Everest: nuevos datos y significado fisiológico". Revista de fisiología aplicada . 86 (3): 1062–6. doi : 10.1152 / jappl.1999.86.3.1062 . PMID 10066724 . 
10. Perry, RH; Green, DW, eds. (1997). Manual de ingenieros químicos de Perry (7ª ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049841-5.
11. DeVoe, Howard (2000). Termodinámica y Química (1ª ed.). Prentice Hall. ISBN 0-02-328741-1.

Enlaces externos

• "Punto de ebullición"  . La obra de referencia del nuevo alumno  . 1914.