jueves, septiembre 07, 2006

Experimentando la presión de vapor

Los estados de la materia

Actualmente se conocen cinco estados de la materia: sólido, líquido, gaseoso, plasma y condensado de Bose-Einstein. De entre los dos últimos, el primero viene a ser algo así como un gas en el cual hallamos átomos ionizados y electrones libres, y el segundo es un estado muy especial que sólo se da a temperaturas extremadamente bajas. Los tres primeros son los que se nos enseñan en primaria, y en ellos encontramos partículas (átomos y moléculas) conformando los cuerpos de forma más o menos ordenada, según la energía que posean y las características de esas partículas.
Todas las partículas poseen una cantidad de energía que las hace vibrar, y que está relacionada con la temperatura: cuanto más energía tengan, cuanto más velozmente se muevan, mayor será la temperatura. Partículas con baja energía y capaces de formar enlaces muy estables formarán por lo general objetos sólidos. Subiendo la temperatura, es decir, añadiendo energía (de hecho, sabemos que cuando subimos la temperatura calentamos un cuerpo. El calor es un mecanismo de transferencia de energía, no una forma de energía, y no tiene sentido hablar del calor de un cuerpo, sino del calor que un cuerpo transmite a otro) las partículas vibrarán con más fuerza, y podrán romper algunos enlaces, de modo que se desparramarán como lo hace un líquido. Las partículas de un líquido no se mueven en él de forma solitaria: siguen existiendo enlaces, pero más débiles, que en ocasiones se rompen para formarse luego otros nuevos. Subiendo la temperatura de nuevo podemos transmitir a las partículas la energía necesaria para librarse de las demás, de modo que se moverán individualmente y se dispersarán como lo hace un gas.

A pesar de que las moléculas de líquidos y gases logran una libertad de movimiento superior a las de un sólido, no dejan de interaccionar entre sí. Se mueven desordenadamente, chocando constantemente entre sí y cambiando de ese modo la dirección en la que se desplazan. No es difícil imaginar como algunas de las moléculas de un líquido se moverán hacia fuera de éste, tal vez con el impulso proporcionado por algún choque. Algunas no llegarán muy lejos: impactarán contra alguna molécula del aire y retornarán al líquido, pero otras se fugarán y conformarán lo que se llama vapor. Si calentásemos el líquido, las partículas escaparían más fácilmente, al tener más energía, y si disminuyésemos la presión externa también, pues las moléculas de líquido no se encontrarían con tantas moléculas de aire que se opusieran a su escape.


Presión de vapor

Imaginemos ahora un recipiente herméticamente cerrado en cuyo interior se ha hecho el vacío. Introducimos entonces, a través de algún conducto por el cual no puede entrar aire, agua hasta la tercera parte, o la mitad. Debido a que, como hemos visto antes, siempre hay algunas moléculas del líquido que logran escapar, y puesto que no hay moléculas de aire que puedan interponerse, rápidamente comenzará a evaporarse el agua, de modo que la presión ejercida por el vapor crecerá rápidamente, y durante un corto periodo de tiempo, tras el cual se mantendrá constante. Esta presión podría ser medida si hubiéramos acoplado al frasco algún dispositivo diseñado a tal efecto, y sería la llamada presión de vapor del agua a la temperatura a la que se hubiera efectuado el experimento.
El hecho de que haya dejado de evaporarse líquido y de que la presión permanezca constante no significa, en contra de lo que pueda parecer a nivel macroscópico, que ya no ocurre nada en el sistema. En realidad se ha alcanzado un equilibrio dinámico, en el cual constantemente moléculas de vapor vuelven a caer al líquido, y moléculas de líquido escapan integrándose en el vapor. Por otro lado, el detalle de la temperatura es muy importante: como se explicó antes, a mayor temperatura, más energía, y cuanto mayor es la energía de las moléculas o átomos de gas, mayor será la presión que podrán ejercer, es decir, la presión de vapor. En el nivel del mar, la temperatura del punto de ebullición de un líquido es aquella necesaria lograr que su presión de vapor sea una atmósfera, que es la presión que ejerce el aire a ese nivel. A una gran altitud, la presión de vapor necesaria para la ebullición se situará por debajo de la atmósfera (pues el peso del aire es menor) y bastará con una temperatura más baja para lograrla.


Experimentando

Si ahora disolvemos un soluto no volátil en un líquido, sus moléculas dificultarán la evaporación de las del disolvente. Sin embargo, las moléculas de vapor no tendrán ningún problema para reintegrarse al líquido al mismo ritmo que lo hacían antes. De este modo, el equilibrio dinámico alcanzado antes, en el que había moléculas que escapaban y moléculas que volvían con la misma frecuencia, se rompe. Ahora son más las moléculas que vuelven que las que se van, de modo que la disolución tomará más vapor del que desprende, descendiendo así la presión de vapor hasta el punto en el que se restituya el equilibrio. Esto se puede comprobar realizando un sencillo experimento que hice en mi casa este verano: se toman dos vasos pequeños (yo usé dos minúsculas fiambreritas de plástico) y se llena uno de ellos hasta más o menos la mitad con agua (en mi caso utilicé agua de grifo), al que llamaremos A, y el otro con una disolución de agua y algún disolvente no volátil, al que llamaremos B. Yo usé una disolución saturada de sal de cocina, pero probablemente el azúcar sea una buena opción. Se hace una pequeña marca en el nivel de ambos y se colocan en un recipiente cerrado, tras lo cual deberemos esperar durante bastante tiempo para apreciar cambios; de hecho, la diferencia que se puede observar en la fotografía entre los dos recipientes que empleé no se alcanzó hasta pasado el mes y pico. Por otro lado, no es difícil darse cuenta de que la diferencia entre ambos no es la misma. Esto puede deberse a diversas imperfecciones del experimento, pero en cualquier caso se aprecia el resultado del fenómeno que se explica a continuación.

Lo que ocurre es que la presión de vapor del agua de grifo es superior a la presión de vapor de la disolución saturada y, por tanto, la concentración de moléculas de vapor necesaria para que A y B estén en equilibrio es distinta para ambos. Y tanto A como B intentarán que esa concentración sea la necesaria para mantener su propio equilibrio. Supongamos por un momento que la concentración moléculas de vapor tenga un valor intermedio al necesario para lograr el equilibrio de A y B. Que sea una concentración superior a la que necesita B e inferior a la que necesita A. Lo que hará A entonces será empezar a desprenderse de sus propias moléculas, para aumentar así la concentración. Sin embargo, al mismo tiempo, B estará absorbiendo moléculas de vapor, tratando de disminuirla. Poco a poco, el nivel de A irá bajando, pues se estará evaporando en sus esfuerzos por alcanzar el equilibrio, y B irá subiendo, pues no cesará de tomar moléculas con el mismo objetivo, moléculas que, en cierto modo, le cederá A.


Concursando en la tele

Podría servir la siguiente analogía para explicarlo: imaginad que estáis en uno de esos estúpidos concursos de la tele en los que se someten a los concursantes a ridículas pruebas que más bien parecen juegos infantiles con el aliciente de ganar un coche o un viaje con todos los gastos pagados. Os meten en un bidón de plástico que os llega hasta la cintura, lleno de unas pequeñas y pesadas bolas de plástico que representarían las moléculas de agua, y hacen lo mismo con vuestro adversario, al cual le sacáis unos cuantos kilos. Ambos bidones están sobre unas básculas que marcan el peso de estos. El peso podría ser análogo a la presión de vapor del experimento. Puesto que vuestro contrincante pesa menos, su presión de vapor será menor, de modo que él será la disolución saturada y a vosotros os habrá tocado el soso papel de agua de grifo. Entre los dos bidones hay un enorme cuenco, en cuyo interior hay algunas bolas, de modo que pesa menos que vuestro dispositivo y más que el del otro, y tendréis que arrojar bolas dentro de él, o sacarlas, para lograr igualar el peso de vuestros respectivos bidones con el del cuenco. Estas bolas serían análogas a las moléculas de vapor, y su peso a la presión que ejercen sobre los bidones (que no se corresponde con sus respectivas presiones de vapor). Comienza la cuenta atrás, y mientras el público vocifera animando a su favorito y el presentador describe con frases inconexas el desarrollo de la prueba, utilizando un vocabulario limitado y vulgar, vosotros os dedicáis a descargar vuestro bidón de bolas para reducir el peso, arrojándolas al cuenco para aumentar el suyo. Pero vuestro ruin adversario coge las bolas del cuenco, para diminuir el peso de éste, y las introduce en su propio recipiente, para aumentarlo e intentar también equilibrar los pesos, de modo que poco a poco lo va llenando mientras vosotros véis como el vuestro se vacía. Lo mismo ocurre con los dos vasos, A y B. Y si los dejáis el tiempo suficiente, varios meses, A se vaciará por completo y B tomará toda su agua, suponiendo que quepa. Es un experimento sencillo y, si realizáis el montaje con mimo, podéis dejarlo en un lugar visible a modo de elemento decorativo. Así que no tenéis excusas.


Por cierto, con lo que ahora sabéis... ¿se os ocurre cómo y porqué afecta un soluto al punto de ebullición?.

Saludos.

8 comentarios:

Astrolito dijo...

Una pequeña corrección: el fuego de una hoguera o un fogón no es plasma como dices al principio, sino gases incandescentes. En un plasma los átomos están ionizados, pero la temperatura que se alcanza en una llama normal no es suficiente para esto, a pesar de ser una creencia bastante extendida. La manera más sencilla de generar plasma es mediante corrientes eléctricas en gases a baja presión.

nesimo dijo...

Astrolito: Con relación a tu respuesta, el otro día ví un vídeo donde se decía generar plasma gracias a una cerilla y un microondas. ;).

astrolito dijo...

Sí, hay unas cuantas webs en inglés sobre estos experimentos caseros. Echando un vistazo rápido a algunas de ellas, parece ser que no sirve cualquier tipo de llama sino que han de estar presentes "impurezas de carbono" (entiendo que se refieren a partículas de carbono que se desprenden en la combustión) que se pueden conseguir quemando algo que tenga madera o grafito...

El porqué estas impurezas actuarían como catalizador para producir el plasma no lo tengo claro, quizá actçuan como si fueran pequeñas partículas metálicas. La formación del plasma en cualquier caso debe estar relacionada con la aceleración de moléculas o partículas por el campo eléctrico de la onda hasta velocidades suficientes como para que al chocar con otros átomos o moléculas se produzcan ionizaciones. Ahora bien, si inicialmente no hay ionización, ¿cómo pueden partículas neutras ser aceleradas por un campo eléctrico?: pués igual que un trocito de papel sin carga neta puede ser atraido por un bolígrafo cargado. La explicación la dejo que la penséis.

astrolito dijo...

De todas formas, no estoy convencido al 100% de que sea plasma lo que se forma en ese experimento.

Gato Cuantico dijo...

Gracias por tu observación, astrolito. En un principio creí mejor dejarlo tal cual estaba y que el lector se encontrase con el dato correcto en tu comentario, pero luego pensé que no todos llegarían hasta él, así que al final me he decantado por introducir la corrección.

Saludos y gracias de nuevo. Si algún día quieres publicar, en lugar de limitarte a comentar, ponte en contacto con nesimo o conmigo.

Anónimo dijo...

hola
necesito un dato
si me lo pueden facilitar
necesito la presion de vapor a la temperatura de 19° C.

JHONNY WILDER dijo...

ES MUY BUENA LA EXPLICACION DE LA PRESION DEL VAPOR. ESTO RESUELVE MI TAREA ES INFORMACION EXACTA MUY BIEN A LA PERSONA QUE LA HIZO

Anónimo dijo...

Hay alguna forma de realizar el experimento de forma rápida? o algún experimento parecido sencillo que muestre la disminución de la presión de vapor?