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Física y Química 3.º ESO · Curvas de calentamiento: sustancias puras y mezclas

Curvas de calentamiento: sustancias puras y mezclas

Objetivo: Al terminar, sabrás representar una curva de calentamiento o de enfriamiento a partir de una tabla de datos, usarla para identificar una sustancia y distinguir por la forma de la curva si se trata de una sustancia pura o de una mezcla.

Explicación

Construir una curva a partir de una tabla

Ejes: el tiempo en el eje horizontal y la temperatura en el vertical, cada uno con su magnitud y unidad: $t$ (min), $T$ (°C).
Escala: elige una escala uniforme que abarque todos los datos (si hay temperaturas negativas, el eje vertical empieza por debajo de 0).
Puntos: dibuja cada pareja de la tabla como un punto.
Une los puntos con segmentos. Los valores que se repiten forman un tramo horizontal (una meseta).

Identificar una sustancia

Las temperaturas de las mesetas son los puntos de fusión y ebullición, que son propiedades características: comparándolas con una tabla de datos podemos saber de qué sustancia pura se trata.

¿Sustancia pura o mezcla?

	Sustancia pura (agua destilada, etanol, hierro…)	Mezcla (agua con sal, parafina, aceite, chocolate…)
Cambio de estado	A una temperatura fija	En un intervalo de temperaturas
Forma de la curva	Meseta horizontal	No hay meseta horizontal: un tramo menos inclinado en el que la temperatura sigue cambiando
Temperaturas	Las de la tabla de esa sustancia	Distintas de las de sus componentes

Por ejemplo, el agua con sal empieza a hervir por encima de 100 °C y su temperatura sigue subiendo mientras hierve; y empieza a congelarse por debajo de 0 °C. Por eso la curva de calentamiento o enfriamiento sirve para comprobar si una sustancia es pura.

Puntos clave

En la gráfica, t (min) en el eje horizontal y T (°C) en el vertical, con escala uniforme.
Las temperaturas de las mesetas identifican la sustancia pura (propiedades características).
Sustancia pura: cambia de estado a temperatura fija → meseta horizontal.
Mezcla: cambia de estado en un intervalo de temperaturas → no hay meseta horizontal.
El agua con sal hierve por encima de 100 °C y se congela por debajo de 0 °C.

Errores frecuentes

ErrorUsar una escala no uniforme en el eje vertical (poner los valores de la tabla seguidos aunque no estén igual de separados).
Cómo corregirloCada cuadrito tiene que valer lo mismo en todo el eje. Primero elige la escala y después coloca los puntos.
ErrorPensar que cualquier tramo poco inclinado es una meseta de una sustancia pura.
Cómo corregirloLa meseta de una sustancia pura es horizontal: la temperatura se repite en la tabla. Si la temperatura sigue cambiando, aunque sea despacio, es una mezcla.
ErrorCreer que el agua del grifo o el agua de mar son sustancias puras porque «son agua».
Cómo corregirloLlevan sales disueltas: son mezclas. El agua de mar, por ejemplo, empieza a congelarse a unos −2 °C, no a 0 °C.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. De la tabla a la curva: ¿qué sustancia es? numérico (construir la gráfica)
Calentamos una sustancia que está sólida en la nevera y anotamos su temperatura cada minuto:

t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

T (°C) 1 9 17 17 17 17 35 53 71 89 107 118 118 118 118

a) Representa la curva de calentamiento. b) ¿Es una sustancia pura? c) Con esta tabla, identifícala:

Sustancia $T_f$ (°C) $T_e$ (°C)

Agua 0 100

Ácido acético 17 118

Etanol −114 78

Naftaleno 80 218

Resolución
a) Ejes: $t$ (min) de 0 a 14 en horizontal; $T$ (°C) de 0 a 120 en vertical (por ejemplo, 1 cuadro = 10 °C). Colocamos los puntos y los unimos: queda la gráfica de la figura.

b) Tiene dos mesetas horizontales: a 17 °C (de 2 a 5 min) y a 118 °C (de 11 a 14 min). La temperatura se mantiene constante durante los cambios de estado → es una sustancia pura.

c) $T_f = 17$ °C y $T_e = 118$ °C → es el ácido acético, la sustancia que da al vinagre su olor y su sabor (el vinagre es una mezcla de ácido acético y agua).
Ejemplo 2. Agua destilada y agua muy salada gráfico (comparar dos curvas)
Calentamos a la vez, con dos placas iguales, agua destilada y agua con mucha sal disuelta. La gráfica muestra sus curvas (datos aproximados, a 1 atm). a) ¿Cuál es la curva del agua destilada? b) ¿En qué se diferencia la curva del agua salada durante la ebullición? c) ¿Es el agua salada una sustancia pura?

Resolución
a) La del agua destilada es la que tiene una meseta horizontal a 100 °C: una vez que empieza a hervir, la temperatura no cambia.

b) El agua salada empieza a hervir por encima de 100 °C (hacia 102 °C) y, mientras hierve, su temperatura sigue subiendo poco a poco (hasta 106 °C en el minuto 14): no hay meseta horizontal, sino un tramo menos inclinado. Al evaporarse el agua, la disolución queda cada vez más concentrada en sal y necesita más temperatura para seguir hirviendo.

c) No: es una mezcla (agua y sal). Las mezclas no cambian de estado a una temperatura fija.
Ejemplo 3. Sal en las calles: la borrasca Filomena situación real
En enero de 2021, la borrasca Filomena cubrió Madrid de nieve y después hubo varios días de heladas muy fuertes. El Ayuntamiento echó toneladas de sal en las calles para que el hielo se fundiera. a) Si la temperatura del aire era de −4 °C, ¿por qué se funde el hielo al echarle sal? b) ¿Por qué no se echa sal en un congelador para que funcione mejor?

Resolución
a) El agua pura solidifica a 0 °C, así que a −4 °C el agua de la calle está helada. Al echar sal, la sal se disuelve en la capa de agua que siempre hay sobre el hielo y forma agua salada, que es una mezcla. Las mezclas de agua y sal se congelan por debajo de 0 °C (cuanta más sal, a más baja temperatura; con mucha sal, a unos −20 °C). Por eso, a −4 °C, el agua salada sigue siendo líquida y el hielo en contacto con ella se va fundiendo.

b) Porque lo que queremos en el congelador es lo contrario: que el agua se congele. Con sal, el agua necesitaría temperaturas más bajas para solidificarse.

Si hace muchísimo frío (más que la temperatura de congelación del agua salada), la sal deja de servir.

t (min)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
T (°C)	1	9	17	17	17	17	35	53	71	89	107	118	118	118	118

Sustancia	$T_f$ (°C)	$T_e$ (°C)
Agua	0	100
Ácido acético	17	118
Etanol	−114	78
Naftaleno	80	218

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Di si cada una corresponde a una sustancia pura o a una mezcla y por qué: a) Un líquido que empieza a hervir a 100 °C y sigue a 100 °C hasta que se evapora todo. b) Un aceite que, en la nevera, se va solidificando poco a poco mientras su temperatura baja de 8 °C a 0 °C. c) Un sólido cuya curva de calentamiento tiene una meseta horizontal a 80 °C. d) Agua de mar que empieza a congelarse a −2 °C y sigue bajando de temperatura mientras se congela.

Ver solución
a) Pura. b) Mezcla. c) Pura. d) Mezcla.
a) y c): cambian de estado a temperatura fija (meseta horizontal) → sustancias puras. b) y d): el cambio de estado ocurre mientras la temperatura sigue cambiando (intervalo de temperaturas) → mezclas. El aceite de oliva es una mezcla de varias sustancias y el agua de mar lleva sales disueltas.
2. Media
Al calentar un sólido amarillo se obtienen estos datos:

t (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

T (°C) 20 40 60 80 95 115 115 115 115 140 160

a) Representa la curva de calentamiento en los ejes. b) ¿A qué temperatura funde? c) Con esta tabla (valores aproximados, a 1 atm), ¿qué sustancia es?

Sustancia $T_f$ (°C) $T_e$ (°C)

Naftaleno 80 218

Azufre 115 445

Estaño 232 2602

Plomo 327 1749

Ver solución
a) Puntos unidos con una meseta horizontal a 115 °C entre los minutos 5 y 8. b) 115 °C. c) Azufre.
a) Ejes: $t$ de 0 a 10 min; $T$ de 0 a 160 °C (1 cuadro = 20 °C). Tramo que sube de 20 °C a 115 °C (0–5 min), meseta horizontal a 115 °C (5–8 min) y tramo que sube hasta 160 °C (8–10 min). b) La meseta está a 115 °C: es su punto de fusión. c) En la tabla, la sustancia que funde a 115 °C es el azufre (y es amarillo).
3. Media
Enfriamos mucho una muestra de gas de una sustancia pura. Su curva de enfriamiento tiene dos mesetas: una a −196 °C y otra a −210 °C. a) ¿Qué cambio de estado ocurre en cada meseta? b) Con esta tabla (valores aproximados, a 1 atm), ¿qué sustancia es?

Sustancia $T_f$ (°C) $T_e$ (°C)

Oxígeno −218 −183

Nitrógeno −210 −196

Butano −138 −0,5

Ver solución
a) A −196 °C, condensación; a −210 °C, solidificación. b) Nitrógeno.
a) Al enfriar un gas, primero se condensa (pasa a líquido) y después se solidifica. La primera meseta que aparece es la de temperatura más alta: −196 °C (condensación); la segunda, −210 °C (solidificación). b) Te = −196 °C y Tf = −210 °C → nitrógeno.
4. Media
La gráfica muestra las curvas de calentamiento de dos muestras, A y B. Una es una sustancia pura y la otra una mezcla. a) ¿Cuál es cuál? Justifica. b) ¿Qué ocurre en la muestra B entre los minutos 4 y 10?

Ver solución
a) A es pura (meseta horizontal a 80 °C); B es una mezcla (no hay meseta horizontal). b) Cambia de estado mientras su temperatura sube de 70 °C a 90 °C.
a) La curva A tiene una meseta horizontal a 80 °C entre los minutos 4 y 10: cambio de estado a temperatura fija → sustancia pura. La B no tiene ningún tramo horizontal. b) En B, entre los minutos 4 y 10 la temperatura sube más despacio (de 70 °C a 90 °C): está cambiando de estado en un intervalo de temperaturas, como hacen las mezclas.
5. Difícil
En el laboratorio fundimos ácido esteárico (una sustancia pura) y parafina de vela (una mezcla de varias sustancias) y los dejamos enfriar. Las curvas de enfriamiento están en la gráfica. a) ¿Qué curva es cada una? b) ¿Se puede dar un «punto de solidificación» para la parafina? c) ¿Cuál es el del ácido esteárico?

Ver solución
a) La que tiene la meseta horizontal (69 °C) es el ácido esteárico; la otra, la parafina. b) No: solidifica en un intervalo (de unos 62 °C a unos 48 °C). c) Unos 69 °C.
a) Ácido esteárico: meseta horizontal a 69 °C entre los minutos 3 y 12, propia de una sustancia pura. Parafina: entre los minutos 4 y 14 la temperatura baja más despacio, de 62 °C a 48 °C, pero sin quedarse fija. b) No tiene una temperatura de solidificación fija, sino un intervalo, porque es una mezcla. c) Unos 69 °C (dato aproximado).

t (min)	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
T (°C)	20	40	60	80	95	115	115	115	115	140	160

Sustancia	$T_f$ (°C)	$T_e$ (°C)
Naftaleno	80	218
Azufre	115	445
Estaño	232	2602
Plomo	327	1749

Sustancia	$T_f$ (°C)	$T_e$ (°C)
Oxígeno	−218	−183
Nitrógeno	−210	−196
Butano	−138	−0,5

Para practicar más

1. Fácil
Clasifica como curva de una sustancia pura o de una mezcla: a) «Al calentarlo, la temperatura se queda en 78 °C mientras hierve». b) «El chocolate se ablanda y se va volviendo líquido mientras su temperatura sube de 30 °C a 36 °C». c) «La cera se va solidificando mientras se enfría de 60 °C a 45 °C».

Ver solución
a) Pura. b) Mezcla. c) Mezcla.
a) Temperatura fija durante la ebullición → pura (es el etanol). b) y c) El cambio de estado ocurre en un intervalo de temperaturas → mezclas (el chocolate y la cera están formados por varias sustancias).
2. Media
Ponemos agua destilada en el congelador y anotamos su temperatura cada 2 minutos:

t (min) 0 2 4 6 8 10 12 14 16

T (°C) 30 20 10 0 0 0 0 −5 −10

a) Representa la curva de enfriamiento en los ejes. b) ¿A qué temperatura solidifica? c) ¿Indica la curva que es una sustancia pura? d) ¿Qué hay en el vaso en el minuto 10?

Ver solución
a) Baja de 30 °C a 0 °C, meseta a 0 °C de 6 a 12 min y baja hasta −10 °C. b) 0 °C. c) Sí: meseta horizontal. d) Agua líquida y hielo.
a) Ejes: $t$ de 0 a 16 min; $T$ de −10 a 30 °C. Tramo descendente hasta 0 °C (0–6 min), meseta horizontal a 0 °C (6–12 min) y otro tramo descendente hasta −10 °C (12–16 min). b) A 0 °C, la temperatura de la meseta. c) Sí: la temperatura se mantiene fija mientras solidifica. d) En el minuto 10 está en la meseta: se está solidificando, hay agua líquida y hielo a la vez.
3. Media
La curva de calentamiento de un metal tiene dos mesetas: una a 232 °C y otra a 2602 °C. a) Con esta tabla (valores aproximados, a 1 atm), ¿qué metal es?

Sustancia $T_f$ (°C) $T_e$ (°C)

Estaño 232 2602

Plomo 327 1749

Hierro 1538 2862

b) ¿En qué estado está a 1000 °C?

Ver solución
a) Estaño. b) Líquido.
a) Tf = 232 °C y Te = 2602 °C → estaño. b) $232 < 1000 < 2602$ → líquido.
4. Media
El agua de mar empieza a congelarse a unos −2 °C y su temperatura sigue bajando mientras se forma hielo. a) ¿Es una sustancia pura? b) ¿Cómo sería la curva de enfriamiento del agua destilada en el mismo intervalo? c) ¿Por qué cuesta más que se hiele el mar que un lago?

Ver solución
a) No, es una mezcla. b) Con una meseta horizontal a 0 °C. c) Porque el agua salada se congela a temperaturas más bajas que el agua dulce.
a) No: cambia de estado en un intervalo de temperaturas, por debajo de 0 °C. Es una mezcla de agua y sales. b) El agua destilada bajaría hasta 0 °C, se mantendría en 0 °C mientras se solidifica (meseta horizontal) y después seguiría bajando. c) El agua de un lago (agua dulce, con muy pocas sales) se congela a unos 0 °C; la del mar necesita bajar de −2 °C, así que hace falta más frío. (También influye que el mar es muy grande y está en movimiento.)
5. Difícil
Tienes dos botellas sin etiqueta con líquidos transparentes: una de agua destilada y otra de agua con azúcar. No puedes probarlas. ¿Cómo las distinguirías usando un termómetro y una placa calefactora? Explica qué esperas ver en cada una.

Ver solución
Calentando las dos hasta que hiervan y midiendo la temperatura: la destilada hierve a temperatura fija (unos 100 °C, algo menos en Madrid); la de azúcar empieza por encima y su temperatura sigue subiendo mientras hierve.
Calienta las dos muestras (con la misma cantidad y la misma placa) y anota la temperatura cada minuto hasta que hiervan un rato. El agua destilada es una sustancia pura: hervirá a una temperatura fija y la curva tendrá una meseta horizontal (100 °C a 1 atm; en Madrid, unos 98 °C). El agua con azúcar es una mezcla: empezará a hervir a una temperatura algo mayor y su temperatura irá subiendo mientras hierve, sin meseta horizontal. (También se podría hacer con el congelador: la destilada se congela a 0 °C y la de azúcar, por debajo.)