Una mañana de invierno, después de una nevada, un quitanieves pasa esparciendo gránulos blancos por la carretera. El hielo de la calzada enseguida empieza a derretirse y a formar una mezcla pastosa. Aun con el mismo frío bajo cero, el agua de mar no se congela fácilmente y el helado, por mucho tiempo que lleve en el congelador, no se pone duro como una piedra. El principio común detrás de todas estas escenas es el descenso del punto de congelación.
En pocas palabras, el descenso del punto de congelación es el fenómeno por el que un líquido puro se congela a una temperatura más baja cuando lleva otra sustancia disuelta. El agua pura se congela a 0 grados, pero el agua con sal o azúcar disueltas tiene que enfriarse más para convertirse en hielo. En química se estudia como un ejemplo típico de una propiedad cuya magnitud depende principalmente del número de partículas disueltas y, en menor medida, de qué sustancia sean.
En este material veremos, en orden, por qué baja el punto de congelación, cómo estimar cuánto baja y cómo se aprovecha este fenómeno en las carreteras, los automóviles y la cocina, así como en los seres vivos que resisten el frío y en el control de calidad.
Cómo retrasan las partículas disueltas la formación de hielo
¿Por qué dificultan la congelación las sustancias disueltas?
Cuando el agua se congela, sus moléculas se disponen de forma ordenada, como si se dieran la mano, y forman cristales de hielo. En la zona de contacto entre el hielo y el agua, unas moléculas se adhieren al hielo al mismo tiempo que otras se desprenden. El punto de congelación es la temperatura a la que ambos procesos ocurren a la misma velocidad.
(1) Hay menos moléculas que puedan adherirse al hielo
Cuando se disuelve sal en agua, las partículas de sal se intercalan entre las moléculas de agua. Así llegan menos moléculas de agua a la superficie del hielo y este crece más despacio.
(2) La velocidad de fusión se mantiene
Por su parte, el hielo está compuesto únicamente por moléculas de agua pura, por lo que la velocidad a la que se desprenden de él apenas cambia. Para que la congelación y la fusión vuelvan a ocurrir a la misma velocidad, la temperatura debe bajar más.
(3) La mezcla es más estable
Una disolución en la que varias sustancias están mezcladas de manera uniforme presenta un estado más desordenado que el agua pura, por lo que tiende a mantenerse en ese estado. Por eso hace falta una temperatura más baja para que se transforme en hielo, cuya estructura es ordenada.
El número de partículas determina la magnitud del descenso
La magnitud del descenso del punto de congelación depende principalmente de cuántas partículas están dispersas en el agua y, en menor medida, de qué sustancia se ha disuelto. Esta es una de las llamadas propiedades coligativas, entre las que también se cuentan la elevación del punto de ebullición y la presión osmótica.
- Regla de las disoluciones diluidas (Blagden's Law). En el siglo 18, el científico británico Charles Blagden descubrió que el descenso del punto de congelación es proporcional a la cantidad de sustancia disuelta. En una disolución diluida, si se duplica la cantidad disuelta, el descenso del punto de congelación casi se duplica.
- Valor de referencia para el agua (Cryoscopic Constant). Si se disuelve 1 mol de partículas en 1 kilogramo de agua, el punto de congelación baja unos 1.86 grados. Este valor varía según el disolvente. Para el benceno es de unos 5.12 grados y para el alcanfor llega a unos 39.7 grados.
- Efecto de las sustancias que se disocian (Van 't Hoff Factor). Al disolverse en agua, cada molécula de azúcar sigue siendo una sola partícula, mientras que la sal se disocia en dos iones, uno de sodio y otro de cloruro. Así, para el mismo número de moles, la sal provoca un descenso del punto de congelación aproximadamente dos veces mayor que el del azúcar.
En las carreteras, los automóviles y la cocina
El descenso del punto de congelación se aprovecha de muchas maneras para afrontar el invierno. La sal actúa principalmente al disolverse en la fina película de agua que recubre el hielo e impedir que esa agua vuelva a congelarse.
Temperatura límite de los descongelantes
El cloruro de sodio que se suele esparcir en las carreteras puede reducir el punto de congelación del agua hasta unos 21 grados bajo cero. En lugares más fríos pierde eficacia y se emplean otras sales, como el cloruro de calcio o el cloruro de magnesio. Como estas sales tienden a corroer el hierro, en lugares con mucho equipamiento metálico, como los aeropuertos, se usan otros descongelantes, como el formiato de potasio o el acetato de potasio.
El anticongelante y el helado
Al líquido refrigerante del automóvil se le añade un anticongelante de agua y etilenglicol para evitar que el radiador se congele y reviente incluso en pleno invierno. El helado se mantiene lo bastante blando para servirlo con una cuchara incluso a temperaturas bajo cero porque el azúcar disuelto reduce su punto de congelación y hace que una parte permanezca sin congelar.
Organismos que resisten el frío y control de calidad
El descenso del punto de congelación ayuda a los seres vivos a sobrevivir al frío extremo y también sirve como herramienta de medición precisa en laboratorios y fábricas.
(1) Organismos que producen su propio anticongelante
Cuando llega el invierno, el eperlano arcoíris de América del Norte acumula glicerol en el cuerpo y así sobrevive incluso en estuarios helados. Cuando arrecia el frío, algunas ranas descomponen el glucógeno almacenado en el hígado y liberan grandes cantidades de glucosa en la sangre. Gracias a las sustancias que lleva disueltas, la savia de los árboles tampoco se congela fácilmente en invierno.
(2) Detección de agua añadida a la leche
La lactosa y los minerales disueltos hacen que el punto de congelación de la leche sea siempre inferior al del agua. Al añadirle agua, su punto de congelación sube y se acerca a 0 grados. Por eso, en la industria láctea se mide el punto de congelación para comprobar si se le ha añadido agua.
(3) Medición de la pureza y de la masa molecular
Cuando un sólido puro contiene impurezas, su punto de fusión baja y el intervalo de temperaturas en el que se funde se amplía. Por eso, en los experimentos de química orgánica se mide el punto de fusión para estimar la pureza de una sustancia. También se puede calcular la masa molecular de una sustancia desconocida a partir de cuánto desciende el punto de congelación.
El descenso del punto de congelación muestra cómo unas pocas partículas diminutas e invisibles retrasan el momento en que el agua se convierte en hielo. El mismo principio explica el efecto de los descongelantes en las carreteras en invierno, el del anticongelante en los automóviles, la capacidad de algunos peces de sobrevivir sin congelarse y el análisis de la leche.
Reconocer el efecto de las partículas disueltas en escenas cotidianas del invierno es el primer paso para comprender las propiedades de las disoluciones desde la química.
