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Física y Química 3.º ESO · Los estados de agregación de la materia

¿Sólido, líquido o gas? El estado según los puntos de fusión y ebullición

Objetivo: Al terminar, sabrás decidir en qué estado está una sustancia a una temperatura dada comparándola con sus puntos de fusión y de ebullición, y usar esos puntos para identificar sustancias.

Explicación

Dos temperaturas que caracterizan una sustancia

Punto de fusión ( $T_f$ ): temperatura a la que una sustancia pura pasa de sólido a líquido (y, al enfriarla, de líquido a sólido).
Punto de ebullición ( $T_e$ ): temperatura a la que una sustancia pura hierve, es decir, pasa de líquido a gas en todo el líquido.

Cada sustancia pura tiene sus propios puntos de fusión y ebullición (a una presión dada): son propiedades características, sirven para identificarla, igual que la densidad. Los valores de las tablas se dan a la presión normal (1 atm, la del nivel del mar).

¿En qué estado está a una temperatura $T$ ?

Dibuja una recta de temperaturas y marca en ella $T_f$ y $T_e$ . Quedan tres zonas:

$\text{sólido} \quad \big|_{\,T_f} \quad \text{líquido} \quad \big|_{\,T_e} \quad \text{gas}$

Si $T < T_f$ → sólido.
Si $T_f < T < T_e$ → líquido.
Si $T > T_e$ → gas.
Justo en $T = T_f$ puede haber sólido y líquido a la vez (se está fundiendo o solidificando); justo en $T = T_e$ , líquido y gas (está hirviendo).

Cuidado con los números negativos: −100 °C es menor que −50 °C (hace más frío).

Tabla de datos (valores aproximados, a 1 atm)

Sustancia	Punto de fusión (°C)	Punto de ebullición (°C)
Agua	0	100
Etanol (alcohol)	−114	78
Acetona	−95	56
Mercurio	−39	357
Oxígeno	−218	−183
Nitrógeno	−210	−196
Butano	−138	−0,5
Azufre	115	445
Estaño	232	2602
Plomo	327	1749
Cloruro de sodio (sal común)	801	1465
Hierro	1538	2862

Por ejemplo, el mercurio a 20 °C: $-39 < 20 < 357$ → es líquido (por eso es el único metal líquido a temperatura ambiente). El oxígeno a 20 °C: $20 > -183$ → es gas.

Puntos clave

Punto de fusión: temperatura del paso sólido ↔ líquido. Punto de ebullición: temperatura a la que hierve el líquido.
Por debajo de $T_f$ , sólido; entre $T_f$ y $T_e$ , líquido; por encima de $T_e$ , gas.
Los puntos de fusión y ebullición son propiedades características: permiten identificar sustancias puras.
Los valores de las tablas se dan a presión normal (1 atm).
Con temperaturas negativas, el número «más grande» sin signo es la temperatura más baja: −114 °C < −39 °C.

Errores frecuentes

ErrorComparar mal las temperaturas negativas: pensar que a −50 °C el mercurio (Tf = −39 °C) está líquido «porque −50 es más que −39».
Cómo corregirloSitúa los números en la recta: −50 está a la izquierda de −39, es más frío. Por debajo del punto de fusión, el mercurio es sólido.
ErrorCreer que una sustancia es gas solo cuando está «caliente», por ejemplo que el oxígeno a 20 °C es un «gas frío» que debería estar líquido.
Cómo corregirloLo que manda no es si 20 °C es mucho o poco para nosotros, sino si está por encima o por debajo de los puntos de esa sustancia. 20 °C está muy por encima de −183 °C: el oxígeno es gas.
ErrorConfundir el punto de ebullición con «la temperatura a la que se forma vapor».
Cómo corregirloUn líquido forma vapor por evaporación a cualquier temperatura; el punto de ebullición es la temperatura a la que hierve (se forman burbujas en todo el líquido).

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Un día de primavera y una noche de enero numérico (tabla de datos)

Usando la tabla, indica el estado del agua, el etanol, el mercurio, el butano y el estaño: a) a 20 °C, en una tarde de primavera en Madrid; b) a −50 °C.

Resolución

Para cada sustancia comparamos con $T_f$ y $T_e$ :

Sustancia	$T_f$ (°C)	$T_e$ (°C)	a) 20 °C	b) −50 °C
Agua	0	100	$0 < 20 < 100$ → líquido	$-50 < 0$ → sólido
Etanol	−114	78	líquido	$-114 < -50 < 78$ → líquido
Mercurio	−39	357	líquido	$-50 < -39$ → sólido
Butano	−138	−0,5	$20 > -0{,}5$ → gas	$-138 < -50 < -0{,}5$ → líquido
Estaño	232	2602	$20 < 232$ → sólido	sólido

Fíjate en el butano: a temperatura ambiente es gas, pero a −50 °C sería líquido.

Ejemplo 2. Un termómetro para la Antártida situación real (condiciones extremas)
La temperatura más baja medida en la superficie de la Tierra es de unos −89 °C, en la Antártida. a) ¿Serviría allí un termómetro de mercurio? ¿Y uno de alcohol (etanol)? b) Para medir la temperatura del aceite de una freidora, a unos 180 °C, ¿cuál de los dos usarías?

Resolución
Un termómetro de líquido solo funciona si el líquido sigue siendo líquido a las temperaturas que mide.

a) A −89 °C:
- Mercurio: $-89 < -39$ → estaría sólido: el termómetro no sirve.
- Etanol: $-114 < -89 < 78$ → sigue líquido: el termómetro de alcohol sí sirve. Por eso en las zonas muy frías se usan termómetros de alcohol.
b) A 180 °C:
- Etanol: $180 > 78$ → herviría (y podría romper el termómetro).
- Mercurio: $-39 < 180 < 357$ → sigue líquido: mercurio.
Los dos termómetros sirven a la vez solo entre −39 °C y 78 °C, donde ambos líquidos están líquidos. (Hoy los termómetros de mercurio ya no se venden en la Unión Europea porque el mercurio es tóxico.)
Ejemplo 3. ¿Qué sustancia es? de laboratorio (identificar una sustancia)
En el laboratorio tenemos un sólido blanco sin etiqueta. Al calentarlo funde a 80 °C y, si seguimos calentando, el líquido hierve a 218 °C. ¿Cuál de estas sustancias puede ser?

Sustancia $T_f$ (°C) $T_e$ (°C)

Ácido acético 17 118

Naftaleno 80 218

Azufre 115 445

Plomo 327 1749

Resolución
Buscamos en la tabla la sustancia con $T_f = 80$ °C y $T_e = 218$ °C: es el naftaleno (la sustancia de las antiguas bolas antipolillas).

Los puntos de fusión y ebullición son propiedades características: cada sustancia pura tiene los suyos. Por eso conviene medir los dos: es difícil que dos sustancias coincidan en ambos.

Además, ninguna de las otras encaja: a 80 °C el ácido acético ya sería líquido ( $80 > 17$ ), y el azufre y el plomo seguirían sólidos.

Sustancia	$T_f$ (°C)	$T_e$ (°C)
Ácido acético	17	118
Naftaleno	80	218
Azufre	115	445
Plomo	327	1749

Ejercicios

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

1. Fácil
Con la tabla de datos, indica el estado a 25 °C de: a) acetona; b) nitrógeno; c) azufre; d) mercurio; e) cloruro de sodio.

Ver solución
a) líquido; b) gas; c) sólido; d) líquido; e) sólido.
a) $-95 < 25 < 56$ → líquido. b) $25 > -196$ → gas. c) $25 < 115$ → sólido. d) $-39 < 25 < 357$ → líquido. e) $25 < 801$ → sólido.
2. Media
El aire está formado sobre todo por nitrógeno y oxígeno. Con los datos de la tabla, indica el estado de cada uno a: a) −190 °C; b) −200 °C. c) Si enfriamos aire poco a poco, ¿cuál de los dos se licúa (pasa a líquido) primero?

Ver solución
a) Oxígeno líquido; nitrógeno gas. b) Los dos líquidos. c) El oxígeno, a −183 °C.
Oxígeno: $T_f = -218$ °C, $T_e = -183$ °C. Nitrógeno: $T_f = -210$ °C, $T_e = -196$ °C. a) A −190 °C: oxígeno, $-218 < -190 < -183$ → líquido; nitrógeno, $-190 > -196$ → gas. b) A −200 °C: oxígeno, $-218 < -200 < -183$ → líquido; nitrógeno, $-210 < -200 < -196$ → líquido. c) Al bajar la temperatura, primero se alcanza −183 °C (el oxígeno se licúa) y después −196 °C (el nitrógeno).
3. Fácil
El galio es un metal que funde a unos 30 °C y hierve por encima de 2000 °C. a) ¿En qué estado está en el laboratorio, a 20 °C? b) ¿Y si lo dejas en la terraza un día de julio en Madrid, a 40 °C? c) ¿Por qué se funde si lo sostienes en la mano?

Ver solución
a) Sólido. b) Líquido. c) Porque la mano está a unos 36 °C, por encima de su punto de fusión.
a) $20 < 30$ → sólido. b) $30 < 40 < 2000$ → líquido. c) La temperatura de la piel de la mano (unos 36 °C) es mayor que 30 °C: el galio se calienta por encima de su punto de fusión y funde.
4. Media
La superficie de Venus está a unos 465 °C. Con la tabla, ¿en qué estado estarían allí: a) el plomo; b) el estaño; c) el azufre; d) el cloruro de sodio; e) el hierro?

Ver solución
a) líquido; b) líquido; c) gas; d) sólido; e) sólido.
a) Plomo: $327 < 465 < 1749$ → líquido. b) Estaño: $232 < 465 < 2602$ → líquido. c) Azufre: $465 > 445$ → gas. d) Cloruro de sodio: $465 < 801$ → sólido. e) Hierro: $465 < 1538$ → sólido.
5. Difícil
Una sustancia de la tabla es sólida a −120 °C, líquida a 20 °C y a 60 °C, y gaseosa a 90 °C. a) ¿Qué condiciones deben cumplir su punto de fusión y su punto de ebullición? b) ¿Qué sustancia es?

Ver solución
a) Tf entre −120 °C y 20 °C; Te entre 60 °C y 90 °C. b) El etanol (−114 °C y 78 °C).
a) Sólida a −120 °C y líquida a 20 °C → funde entre esas temperaturas: $-120 < T_f < 20$ . Líquida a 60 °C y gas a 90 °C → $60 < T_e < 90$ . b) Revisamos la tabla: solo el etanol cumple las dos cosas ( $T_f = -114$ °C, $T_e = 78$ °C). La acetona no, porque a 60 °C ya sería gas ( $T_e = 56$ °C); el agua tampoco, porque a 90 °C aún es líquida.

Para practicar más

1. Fácil
Indica el estado del agua, del mercurio y del etanol a: a) −20 °C; b) 50 °C; c) 150 °C.

Ver solución
a) agua sólida, mercurio líquido, etanol líquido. b) los tres líquidos. c) agua gas, mercurio líquido, etanol gas.
a) −20 °C: agua, $-20 < 0$ → sólido; mercurio, $-39 < -20 < 357$ → líquido; etanol, $-114 < -20 < 78$ → líquido. b) 50 °C: los tres entre su $T_f$ y su $T_e$ → líquidos. c) 150 °C: agua, $150 > 100$ → gas; mercurio, $-39 < 150 < 357$ → líquido; etanol, $150 > 78$ → gas.
2. Fácil
¿Cuáles de las sustancias de la tabla son gases a temperatura ambiente (20 °C)? ¿Cuáles son líquidas? ¿Qué tienen en común los puntos de ebullición de las que son gases?

Ver solución
Gases: oxígeno, nitrógeno y butano. Líquidas: agua, etanol, acetona y mercurio. Los gases tienen su punto de ebullición por debajo de 20 °C.
Una sustancia es gas a 20 °C si $T_e < 20$ °C: oxígeno (−183), nitrógeno (−196) y butano (−0,5). Es líquida si $T_f < 20 < T_e$ : agua, etanol, acetona y mercurio. El resto (azufre, estaño, plomo, cloruro de sodio, hierro) tiene $T_f > 20$ °C: son sólidos.
3. Media
Unos excursionistas acampan en la sierra de Guadarrama una noche de invierno a −5 °C y su hornillo de butano casi no da llama. Con los datos de la tabla, explica por qué. (Dato: los hornillos de invierno usan mezclas con propano, que hierve a −42 °C.)

Ver solución
A −5 °C el butano está por debajo de su punto de ebullición (−0,5 °C): está líquido y casi no pasa a gas, así que sale poco gas para la llama. El propano sigue hirviendo a −5 °C.
El hornillo quema butano gas. A −5 °C, como $-138 < -5 < -0{,}5$ , el butano está líquido a presión normal y apenas se convierte en gas: llega poco gas al quemador. El propano hierve a −42 °C; a −5 °C está muy por encima de su punto de ebullición y sigue pasando a gas sin problema. (Es una explicación aproximada: dentro de la bombona hay más presión.)
4. Media
Un líquido incoloro que huele a quitaesmalte hierve a 56 °C y, al enfriarlo mucho, solidifica a −95 °C. a) ¿Qué sustancia de la tabla es? b) ¿En qué estado estará en un día de verano a 40 °C? c) ¿Y a −100 °C?

Ver solución
a) Acetona. b) Líquido. c) Sólido.
a) $T_f = -95$ °C y $T_e = 56$ °C → acetona. b) $-95 < 40 < 56$ → líquido (aunque se evapora deprisa). c) $-100 < -95$ → sólido.
5. Difícil
¿Entre qué temperaturas son líquidos a la vez el agua y el mercurio? ¿Y el agua y el etanol? Explica cómo lo has averiguado.

Ver solución
Agua y mercurio: entre 0 °C y 100 °C. Agua y etanol: entre 0 °C y 78 °C.
Cada sustancia es líquida entre su $T_f$ y su $T_e$ . Las dos lo son a la vez en la parte común de los dos intervalos: desde el mayor de los puntos de fusión hasta el menor de los puntos de ebullición. Agua (0 a 100) y mercurio (−39 a 357): de 0 °C a 100 °C. Agua (0 a 100) y etanol (−114 a 78): de 0 °C a 78 °C.