Ejemplos de Congelación

La congelación es el cambio físico en el que la materia pasa del estado líquido al sólido, por una baja en la temperatura. Generalmente el término congelación se utiliza para sustancias que son líquidas a las condiciones estándar de temperatura y presión (1 atm, 25°C), también llamadas condiciones ambientales.

Las moléculas de un líquido se van agrupando más entre sí a cada grado que disminuye la temperatura. En el agua (H₂O) se alcanzan estructuras ordenadas llamadas cristales, que se pueden apreciar a simple vista. El nombre común de los cristales de agua es “hielo”, y este se puede fundir o transformar en líquido nuevamente, si se somete a un calentamiento.

Punto de congelación

El punto de congelación es la temperatura a la cual un líquido se empieza a transformar en sólido y viceversa. Es lo mismo que el punto de fusión, porque en él el sólido se transforma en líquido. El del agua ha servido como referencia para formar la escala Celsius (o centígrada) de temperaturas.

Se colocó a 0°C y a partir de ahí se marcan las demás temperaturas. De esta escala se ha establecido la centígrada absoluta o Kelvin, en la que el punto de congelación del agua está a 273.15 K. El cero absoluto, que es la temperatura más baja posible, está a 0 K.

Cada líquido tiene su propio punto de congelación, y va a depender de las siguientes propiedades:

• Sus fuerzas intermoleculares
• La presión a la que esté sometido

Cuando las fuerzas intermoleculares de un líquido son grandes, sus partículas se están atrayendo mutuamente y permanecen juntas. Será sencillo que se conviertan en una estructura sólida. Su punto de congelación será una temperatura regular.

Por otro lado, si las fuerzas intermoleculares de un líquido son pequeñas, sus partículas estarán más libres y dispersas. Será difícil que se conviertan en una estructura sólida. Su punto de congelación tendrá que ser una temperatura muy baja, cercana a los 0°C o menor.

Si un líquido está sometido a una gran presión, sus partículas estarán más juntas empaquetadas, por lo que sólo será necesario un breve enfriamiento para congelarlo. Si el líquido está bajo una presión pequeña o incluso de vacío, sus partículas estarán libres, casi revoloteando. Será necesario un gran enfriamiento para congelarlo.

A presión atmosférica, la congelación del agua se hace en cristales de estructura hexagonal. El tamaño y la estructura de los cristales de hielo dependen de la velocidad del enfriamiento.

Etapas de la congelación

La formación del hielo durante la cristalización del agua se puede detallar en tres etapas:

1. Nucleación
2. Propagación
3. Maduración o Recristalización

La nucleación, o paso inicial de formación de cristales semilla, es el proceso en el que aparecen los núcleos de hielo como consecuencia de un primer enfriamiento. Hay tres tipos de nucleaciones:

• Nucleación homogénea: se enfría agua o una solución libre de impurezas. Se forman núcleos puros.
• Nucleación heterogénea: las moléculas de agua se reúnen alrededor de un agente nucleador, como un material insoluble, por ejemplo.
• Nucleación secundaria: si un cristal se erosiona, se forman a partir de él nuevos núcleos.

La propagación o crecimiento cristalino es cuando las moléculas se difunden hasta la superficie de los núcleos cristalinos que van creciendo. La presencia de pocas cantidades de impurezas disminuye el índice de propagación.

La recristalización es el cambio en el número, el tamaño, la forma, la orientación, o la perfección de cristales después de finalizada la solidificación inicial. En la recristalización, mientras pasa el tiempo, el tamaño promedio de los cristales de hielo aumenta y su número disminuye por efecto de la redistribución del agua desde los pequeños cristales de hielo hacia los grandes. 

Usos de la congelación

La congelación es un cambio físico muy útil sobre todo en el área de la industria alimentaria. Todos los alimentos llevan en su composición un porcentaje de humedad (agua H₂O), que a temperatura ambiente puede ser un ambiente propicio para que se desarrolle la descomposición o la proliferación de microorganismos.

Para evitar el deterioro de los alimentos, se recurre a la congelación. Así se mantendrá fuera del rango de la temperatura ambiente y además los cristales de agua no darán lugar a la reproducción de formas de vida.

Ejemplos de congelación

A continuación se enlistan una serie de temperaturas a las que diversas sustancias se congelan:

1. Helio (He): –272°C
2. Hidrógeno (H): –259°C
3. Oxígeno (O₂): –218°C
4. Nitrógeno (N₂): –210°C
5. Dióxido de carbono (CO₂): –78°C
6. Alcohol etílico (C₂H₅OH): –117°C
7. Agua (H₂O): 0°C
8. Estaño (Sn): 232°C
9. Plomo (Pb): 327°C
10. Aluminio (Al): 660°C
11. Ácido acético (CH₃COOH): 16.6°C
12. Nitrobenceno (C₆H₅NO₂): 5.7°C
13. Fenol (C₆H₅OH): 43°C
14. Benceno (C₆H₆): 5.48°C
15. Amoníaco (NH₃): –75°C
16. Acetona (CH₃OCH₃): –94.3°C
17. Etano (C₂H₆): –183°C
18. Propano (C₃H₈): –188°C
19. Para-diclorobenceno (C₆H₄Cl₂): 53°C
20. Anhídrido maleico (C₄H₂O₃): 54°C

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