El hielo seco que viene en la caja del helado desaparece con el tiempo sin dejar rastro. Si hubiera sido hielo común, se habría derretido y habría dejado un charco. El lugar donde estaba el hielo seco queda seco y solo se ve subir una niebla blanca que al cabo de un rato se disipa. El sólido se ha convertido directamente en gas sin pasar por el estado líquido.
Este fenómeno, en el que un sólido pasa directamente al estado gaseoso sin pasar por el líquido, se llama «sublimación» (Sublimation). El proceso inverso, en el que un gas pasa directamente a sólido sin pasar por el estado líquido, se denomina «deposición» (Deposition). En coreano, durante mucho tiempo se ha llamado sublimación también a este proceso inverso, por lo que ambos términos siguen en uso.
Primero veremos cómo se produce la sublimación y en qué condiciones ocurre. Luego examinaremos ejemplos cotidianos como el hielo seco, la nieve y el naftaleno, técnicas que aprovechan este fenómeno, como la liofilización y la purificación, y lo que conviene saber al manipular sustancias que subliman.
El mundo de la sublimación y los sólidos que desaparecen sin fundirse
Cómo se produce la sublimación y en qué condiciones ocurre
Las fuerzas de atracción entre las moléculas de un sólido las mantienen en su sitio. Al recibir calor, las moléculas vibran con más intensidad. Las que adquieren suficiente energía vencen la atracción de las moléculas vecinas y escapan al aire. Como este proceso requiere calor, la sublimación es un cambio endotérmico que absorbe calor del entorno. El calor necesario para sublimar una sustancia equivale a la suma del calor necesario para fundirla y del necesario para hacerla hervir.
En sentido estricto, todos los sólidos subliman en cierta medida. En la mayoría de los casos, el proceso es tan lento que cuesta percibirlo. Para que la sublimación sea apreciable, la presión del vapor que tiende a escapar de la superficie del sólido debe superar la presión de esa misma sustancia en el aire circundante.
El punto triple (Triple Point) es la combinación de temperatura y presión en la que pueden coexistir las fases sólida, líquida y gaseosa. Cuando la presión del entorno es inferior a la del punto triple, la sustancia no puede existir en estado líquido. Por eso, al calentarse, el sólido pasa directamente a gas sin fundirse. Las sustancias con una presión muy alta en su punto triple, como el carbono o el arsénico, son difíciles de llevar al estado líquido a presiones normales y, por lo general, subliman al calentarse.
La sublimación en la vida cotidiana
La sublimación ocurre más cerca de lo que podríamos pensar. Veamos algunos ejemplos representativos.
(1) Hielo seco
El hielo seco es dióxido de carbono solidificado por congelación. El punto triple del dióxido de carbono se sitúa aproximadamente a 5.1 atmósferas y 56.6 grados bajo cero, por lo que a 1 atmósfera no puede pasar al estado líquido. Así, a presión atmosférica, pasa directamente a gas a 78.5 grados bajo cero sin fundirse. La niebla blanca que se eleva en ese momento está formada por gotitas de agua que se condensan a partir del vapor de agua del aire al enfriarse. El dióxido de carbono propiamente dicho es independiente de esa niebla.
(2) Nieve y hielo
La presión del punto triple del agua es de unos 612 pascales, muy inferior a la presión atmosférica. Aun así, cuando el aire es muy seco, la nieve y el hielo subliman poco a poco incluso a temperaturas bajo cero. Por eso la nieve acumulada puede disminuir sin dejar señales de que se haya derretido, aunque persista el frío. La sublimación también contribuye al desgaste de los glaciares.
(3) Naftaleno
El naftaleno, componente de las bolas antipolillas que se solían poner en los armarios, sublima lentamente incluso a temperatura ambiente porque las fuerzas de atracción entre sus moléculas son débiles. Por eso las bolas antipolillas se hacen más pequeñas con el tiempo.
La sublimación también ocurre fuera de la Tierra. Cuando un cometa se acerca al Sol, el hielo de su superficie sublima y se desprende junto con el polvo, formando una cabeza difusa que envuelve al cometa y una larga cola. En las regiones polares de Marte, el dióxido de carbono de la atmósfera se congela en invierno y se acumula en capas de hielo seco. Cuando llega la primavera, vuelve a sublimar y regresa a la atmósfera.
Técnicas que aprovechan la sublimación
La sublimación es una herramienta útil en la industria y en la investigación.
- Liofilización (Freeze-drying). Se congelan los alimentos o medicamentos y luego se reduce la presión para eliminar el hielo convirtiéndolo directamente en vapor de agua. Como requiere poco calor, conserva bien el sabor, la forma y la composición. Se utiliza para elaborar café instantáneo, fruta deshidratada y productos farmacéuticos como las vacunas.
- Purificación por sublimación (Sublimation Purification). Al calentar al vacío un sólido con impurezas, solo la sustancia que sublima pasa al estado gaseoso y vuelve a depositarse en forma de cristales puros sobre una superficie fría. Este método también se utiliza para purificar materiales electrónicos orgánicos que requieren una pureza muy alta.
- Impresión por sublimación de tinta (Dye-sublimation Printing). Al aplicar calor y presión a un papel impreso con tinta especial, el colorante pasa al estado gaseoso y penetra en el tejido de poliéster o en el recubrimiento de una taza. Así se obtiene una impresión que resiste el agrietamiento y el desprendimiento.
La sublimación también se aprovecha en la investigación forense. Al calentar ligeramente el yodo, este sublima y forma un vapor violeta. El vapor se adhiere a los componentes grasos de las huellas dactilares que quedan en el papel y revela huellas que antes eran invisibles.
Qué conviene saber al manipular sustancias que subliman
En la sublimación, el sólido se transforma silenciosamente en gas, por lo que el peligro puede pasar inadvertido. En particular, basta con que sublime 1 kilogramo de hielo seco para que se produzcan cientos de litros de dióxido de carbono gaseoso. Por eso conviene seguir estas indicaciones.
(1) Evitar los recipientes herméticos
Si se coloca hielo seco en una botella de vidrio o de plástico con la tapa bien cerrada, la presión del gas que se va acumulando puede hacer estallar el recipiente.
(2) Ventilar
Si se deja una gran cantidad de hielo seco en el interior reducido de un automóvil o en una habitación cerrada, el dióxido de carbono puede acumularse y dificultar la respiración. Guárdalo en un lugar bien ventilado.
(3) Evitar el contacto con las manos desnudas
El contacto de la piel con un sólido a 78.5 grados bajo cero puede causar lesiones por congelación. Usa guantes o pinzas.
Una misma sustancia puede comportarse de otra manera al aumentar la presión. Incluso el hielo seco puede fundirse y convertirse en dióxido de carbono líquido si se le aplica una presión superior a la del punto triple. Que una sustancia sublime depende de la combinación de temperatura y presión a la que se encuentre.
Al saltarse la fusión, la sublimación muestra que la materia puede seguir otras secuencias además de la que va de sólido a líquido y luego a gas. Cuando vemos desaparecer un sólido ante nuestros ojos, pensar tanto en la temperatura como en la presión a las que se encuentra es el primer paso para comprender a fondo los cambios de estado de la materia desde la química.
