La magia de los diagramas de fases, o cómo puede haber hielo a más de 100ºC

Imagen | Almudena M. Castro

Realmente llamativo eso de que pueda existir hielo a más de 100ºC, ¿verdad? Probablemente sea conocido por muchos de vosotros un fenómeno llamado supercalentamiento y su opuesto el superenfriamiento, y quizá estéis pensando ya en ellos como posible explicación a un título tan sorprendente. Ya os adelanto que no es el caso. Aún así, para los que no conozcáis estos fenómenos vamos a comentarlos brevemente y ya de paso, comentar unas cuantas cosas más.

De forma llama y sencilla el supercalentamiento se produce cuando un líquido sobrepasa su temperatura de ebullición sin pasar a estado gaseoso; mientras que el superenfriamiento es lo mismo pero la fusión, es decir, un líquido sobrepasa su temperatura de fusión sin congelarse. ¿Os parece extraño? Pues realmente no lo es tanto. Seguro que alguna vez os ha pasado, y sino es a vosotros es a algún conocido, eso de que de repente un vaso de agua calentado en el microondas entre de forma violenta en erupción como si se tratar de un volcán. Antes de explicar el porqué ocurre esto vamos a tratar de explicar y entender algunos conceptos clave. Comencemos con el diagrama de fases.

Diagrama de fases

La imagen superior se trata de un diagrama de fases tipo para un material cualquiera. En él podemos ver como este material va transformándose entre sus distintas fases: sólido, líquido y gas, según van variando la presión y la temperatura. Si sois un poco curiosos ya habréis visto que existen dos puntos especiales: el punto triple y el punto crítico.

El punto triple es aquel en el que las tres fases conviven al mismo tiempo. Para el caso del agua, este punto se encuentra a 0,01ºC y 0,006 atmósferas; es decir, está prácticamente a 0ºC y a una presión unas 165 veces más pequeña que la atmosférica. Recordad que se define como 1 atmósfera una presión equivalente a la presión de la atmósfera terrestre a nivel del mar. Así pues, con las condiciones anteriores el agua líquida, el vapor de agua y el hielo se encuentran presentes en la muestra simultáneamente.

El otro punto especial es el punto crítico. Aquí se produce el final de la división entre líquido y gas y se pasa a tener un fluido supercrítico. Esto viene a ser que una vez superado este punto ya no tendremos ni un líquido ni gas, sino algo que es la “suma” de ambos, pues ambas fases conviven unidas y provocan que la muestra tenga unas propiedades físicas intermedias.

Para el caso del agua el punto crítico se encuentra a unos 374ºC y a unas 218 atmósferas de presión. ¿Dónde se dan estos fluidos supercríticos de forma natural? Pues en la Tierra tienen lugar en los volcanes submarinos, donde la presión supera las 300 atmósferas y la lava emerge a una temperatura superior a los 374ºC necesarios para tener un fluido supercrítico. Fuera de nuestro planeta es bastante común en planetas gaseosos gigantes, pero llamativamente también ocurre en nuestro vecino Venus. Allí, su atmósfera se encuentra en un estado de líquido supercrítico ya que tanto el dióxido de carbono como el metano, que suman casi el 100% del total, se encuentran en condiciones que superan ampliamente sus límites de temperatura y presión críticos. Esto quiere decir que realmente ¡la atmósfera de Venus no es gaseosa!

Tras este titular bomba, volvamos a un tema un poco más mundano: nuestra agua calentada en el microondas (o en cualquier otro sitio). Supongamos que tenemos el agua a temperatura ambiente y que estamos en el punto A del diagrama de fases que tenemos más arriba. Al calentarla en el microondas es posible que, si se cumplen una serie de condiciones, pasemos directamente al punto B, siguiendo la línea discontinua que los une (estamos a presión constante), sin que se produzca el cambio de fase; es decir, tengamos el agua líquida a una temperatura superior a la que se debería haberse comentado a vaporizar.

Por tanto, nuestro vaso con agua a esa temperatura no se encuentra en su estado de equilibrio termodinámico, sino que está en un estado que llamamos metaestable. Esto quiere decir que ante la más mínima perturbación el sistema va a saltar espontáneamente a su estado de equilibrio.

En nuestro caso esto implica que toda la energía calorífica que el agua líquida ha almacenado sin evaporarse se va a liberar rápidamente en cuanto metamos algo en el vaso, ya sea una cuchara o echemos azúcar. El resultado: crearemos un increíble, a la par que peligroso, géiser en nuestro vaso. ¿No os lo creéis? ¡Veamos cómo lo hacen los famosos Cazadores de mitos!

Ya hemos visto cómo funciona el supercalentamiento y hemos comentado que este fenómeno no permite que el hielo alcance 100ºC. De modo que, ¿qué permite que algo así pueda suceder? Echando un vistazo al diagrama de fases del agua podemos intuir fácilmente la respuesta a esta pregunta. Eso sí, se trata de algo extremadamente complicado de conseguir de forma experimental, aunque no imposible. La imagen inferior es el complejo diagrama de fases de nuestra querida H2O.

Diagrama de fases del agua

Lamento que la gráfica esté en inglés, pero no he encontrado nada mejor en castellano. Al igual que en el diagrama de fases anterior, el eje horizontal representa la temperatura y el vertical la presión. Os recomiendo que os fijéis solamente en las escalas unidades que aparecen en rojo ya que son las que aparecen en ºC y atmósferas que podemos manejar mejor. Recordad que 1 bar es aproximadamente 1 atmósfera.

Como podéis observar, en toda la zona azul correspondiente a la fase sólida (hielo) hay multitud de números romanos. Cada uno de ellos se corresponde con un hielo diferente. Actualmente conocemos 15 fases distintas, aunque algunas de ellas tienen varias configuraciones.

Este es el caso del hielo I, el que tenemos en nuestro planeta. Dependiendo de la temperatura a la que nos encontremos podemos tener hielo Ih o hielo Ic. El primero es el predominante, ya que la fase Ic es metaestable, aunque ambos pueden aparecer en la Tierra. La estructura cristalina del hielo Ih es hexagonal, y forman esos fantásticos cristales de hielo que vemos en fotos como la que acompaña a estas líneas. La única fase, además de la I, que aparece en nuestro planeta de forma natural es la XI y fue hallada en la Antártida en unos hielos que llegan a los miles de años de antigüedad.

El resto de fases se han estudiado en laboratorio bajo condiciones de bajas temperaturas y altas presiones. Sin embargo, a presiones superiores a las que forman el hielo X debemos recurrir a las simulaciones por ordenador. Es más, la fase hielo XI hexagonal que vemos en la parte superior de la gráfica únicamente se ha obtenido mediante simulaciones.

Resulta curioso destacar que a presiones mucho más altas, del orden de más de 10 millones de atmósferas, el estudio de las bandas electrónicas mediante simulaciones nos lleva al resultado de que el hielo de agua funcionaría como si fuera un metal.

Volviendo al tema que nos ocupa del hielo a más de 100ºC vemos en el diagrama de fases que único que existe es el hielo VII. Para ello tan solo tenemos que calentar agua por encima de 82ºC con una presión de algo más de 22 mil atmósferas. ¿Imposible? Pues si se ha estudiado en laboratorio imposible no es, aunque sí complicado y costoso.

Pero no perdáis la esperanza. En la Tierra estamos mal acostumbrados a encontrarnos con hielo I hexagonal, pero si salimos fuera de nuestro planeta esto se convierte casi en una excepción. Ahí fuera, el hielo suele ser amorfo, es decir no tiene estructura cristalina, pero existe la hipótesis de que en algunos exoplanetas acuosos, como pueden ser Gliese 436 b o GJ 1214 b, el suelo oceánico estaría formado por hielo VII. ¡Ahí tenéis vuestro hielo a más de 100ºC!

—————————- Nota: la imagen que encabeza este artículo fue realizada por Almudena M. Castro durante su expedición al Ártico y forma parte de una exposición que podrá visitarse en el Planetario de Pamplona hasta mediados de marzo. Os recomiendo que la visitéis si tenéis la oportunidad. Más información.


24 Comentarios

Participa Suscríbete

Anxo

El artículo es interesante, aunque entiendo que el Diagrama de fases del agua que se presenta (y sacado de la Wikipedia) presenta algún error en la definición del Hielo XI ortorómbico, ya que según parece se forma por debajo de -36ºC.
Aunque las transferencias de energía entre moléculas puedan hacer que puntualmente algunas bajen mucho, se me antoja demasiado que el límite en la gráfica esté a -200ºC y que no varíe por la presión.

Wis_Alien

En su momento también me llamó a mí la atención, pero preferí no modificar la gráfica. Personalmente creo que sí que varía con la presión y que por eso se ha encontrado a -36ºC.

César

1) No se forma a -36ºC. esa es la temperatura de transformación con el hielo Ih que encontró un estudio, este en concreto: H. Fukazawa, S. Mae, S. Ikeda and O. Watanabe, Proton ordering in Antarctic ice observed by Raman and neutron scattering, Chem. Phys. Lett. 294 (1998) 554-558

2) Ese hallazgo no pudo ser reproducido y otro estudio vino a limitar mucho las probabilidades de que sea así, en concreto este: A. D. Fortes, I. G. Wood, D. Grigoriev, M. Alfredsson, S. Kipfstuhl, K. S. Knight and R. I. Smith, No evidence for large-scale proton ordering in Antarctic ice from powder neutron diffraction, J. Chem. Phys. 120 (2004) 11376.

3) El hielo XI se forma a partir hielo hexagonal preparado con disoluciones muy diluidas de hidróxido potásico (KOH, 10mM) y mantenido a temperaturas de -201ºC durante, al menos, siete días.

AbraxasAbraxas

*PLAS* *PLAS* *PLAS* *PLAS* Me ha encantado :-)

A ver si puedo acercarme al planetario para ver la exposición completa 😀

FernandoFernando

Me encanta el “super titular bomba” de que la atmósfera de Venus no es gaseosa. ^^ Por otra parte, no esta mal el articulo para enseñar las fases del agua.

profesorfrink42

Una entrada muy completita 😀 un placer, nunca me habría imaginado que existían tantos tipos de hielo

Por cierto, algo que siempre me he preguntado. Cuando se habla de que en laboratorios se consiguen presiones tan altas (como las 22 mil atmósferas que mencionas) ¿cómo se consiguen?. ¿Estamos hablando simplemente de comprimir aire, o es algo más sofisticado?

Wis_Alien

Existen varios métodos de hacerlo, cada uno sus particularidades, pero suelen ser instrumentos parecidos a prensas o yunques que pueden llegar a aplicar presiones bestiales del orden de los GPa 😉

César

A fin de cuentas son un tipo especial de prensas hidráulicas que transmiten la presión por conductos comunicantes de diámetro muy pequeño a vasijas isostáticas (llenas de agua).Estas vasijas a presión atmosférica están pretensadas, y cuando se genera presión en su interior, se relajan.

El tamaño de estas prensas es bastante grande para productos industriales. Las de laboratorio (con las que he trabajado) pueden llegar a tener una altura de 6,5 m para una vasija relativamente pequeña, de 35 l. Una prensa de planta piloto (vasija de 100l) puede llegar a pesar 40 t. Las prensas que consiguen presiones de 8GPa tienen varias plantas de altura y se emplean en la fabricación de diamantes artificiales.

Clara Grima

Me ha encantado.

Ahora me entra la duda de si enseñárselo o no a mi gafotas, que son estas ‘cosas’ las que le ’empujan’ a querer ser físico… 😛

MarcosMarcos

Vaya por Dios, y yo que quería escribir un artículo para Amazings explicando los diagramas de fases, y había empezado por explicar el del agua… Se me han adelantado.
Habrá que pasar directamente a las drogas duras: diagrama de fases de fusión de rocas…

Daniel HidalgoDaniel Hidalgo

Fantástico artículo, muy clarito como siempre, para que los incultos como yo entendamos estas cosas y podamos contársela a los colegas tomando unas cervecitas 😉

MIGUELMIGUEL

También es muy interesante el agua líquida a unos -3ºC (se puede llegar a -6º). En cunto la tocas se vuelve sólida ¡y a 0º!. Hay experiencias muy curiosas al respecto como que una masa x de hielo fundente (a 0º) y la misma masa de agua a 80º, al mezclarlos acaba todo a 0º. Increíble.
http://www.loreto.unican.es/IFEWeb/0...obresat.pdf
Aquí lo explica bastante bien.

Wis_Alien

Eso es el superenfriamiento. Es análogo al supercalentamiento del que hablo en el post, pero pasando de liquido a sólido, en lugar de líquido a gas.

ALAL

Muy interesante el articulo , es increible como las cosas que vemos a diario guardan secretos que parecen de ciencia-ficcion.
Tambien muy interesantes los comentarios , gracias Cèsar por tus aclaraciones.

vagalumevagalume

En las superficies P-V-T que he encontrado en los libros “clásicos” de Física orientados a 1º de carrera siempre aparece TODA la región por encima de la temperatura crítica marcada como “gas”, que era como se llamaba antes al fluido supercrítico. (En los libros de ahora se ha bajado tanto el nivel que ya muchos ni se atreven con el diagrama P-T y mucho menos con el P-V o con las superficies tridimensionales.) Por eso me llama la atención que el diagrama P-T del post muestre la región supercrítica como una región delimitada por presión y temperatura, ya que la proyección sobre el plano P-T del trozo de superficie PVT etiquetado como “gas” sería la región que queda a la derecha de la temperatura crítica, incluyendo también la zona de bajas presiones.
Aquí algunos ejemplos de los diagramas a los que me refiero:
http://clem.mscd.edu/~lindg/pvtdiagrams.htm
Nótese que en el diagrama P-V la zona de vapor limita a la izquierda con la curva de saturación y arriba con la isoterma supercrítica, en consonancia con lo que expongo.

Manuel de la Fuente

El hielo VII… desde que comencé a leer el artículo estuve esperando que lo mencionaras. Lo conozco por una nota que leí acerca de él en un libro cuando era niño, y desde el principio imaginé que sería la respuesta al enigma aunque a medida que avanzaba llegué a dudar que fuera así. Me emocionó bastante leer sobre él de nuevo, me trajo muchos recuerdos. 😀

Tom WoodTom Wood

Siempre es muy productivo hacernos la idea, de que cosa son las variables físicas, aunque estemos limitados y en ocasiones nuestros sentidos nos confundan.
En el interior de las ollas de presión, que usamos para cocer los alimentos, el agua hierve a 120 grados Celsius. Al contrario de las ollas normales, donde el agua no esta encerrada y el vapor de agua pueden escapar. Al aumentarse la presión, se consigue una temperatura superior para la cocción de los alimentos. Esto permite ablandar o destruir mejor los alimentos más duros, disminuir su tiempo de cocción y ahorrar más energía. Es decir, que la temperatura de ebullición del agua (a la que hierve), depende de la presión. Incluso es posible introducir la mano en el agua hirviendo y no quemarnos; si la presión esta por debajo de lo que se conoce como presión normal; que es la que sienten nuestros oídos al nivel del mar, que ni sentimos, pues es nuestro habitad natural. Cuando se sacan o capturan peces que su habitad natural es muy profundo, al llegar a nuestro habitad con presión normal, sus ojos saltan hacia fuera de sus orbitas normales, debido al cambio de presión, por eso se les ven saltones; es decir, que lo de presión normal, son solo conversiones humanas. Para la naturaza no existe lo anormal, físicamente todo es normal, aunque sea más desconocido, o complejo. Recuerden que cuando zabullimos en el agua, sentimos en nuestros oídos el efecto de la presión, llegando a ser insoportable a medida que aumenta la profundidad; si no sabemos equilibrar la presión interna de nuestro cuerpo y la del agua. Los apneistas le llaman vulgarmente descompresionar, algo así como liberar o equilibrar presión. Conocer la técnica de descompresionar, me ha sido mas útil, que en caramelo, cuando viajo en aviones. La presión atmosférica, esta dada por la columna de gas que tenemos encima de nosotros y que se trasmite a todo nuestro cuerpo, sin importar la dirección, ni el sentido. Cuando nos sumergimos en el agua, soportamos la presión, de la columna gaseosa (de la atmosfera), más la presión del agua. Es bueno recordarle a los neófitos, que la presión aquí es el peso, sobre el área que actúa; de todo ese gas o gas+liquido, si estamos sumergidos. Además, de que es algo especial, o diferente a la presión de los sólidos, ya que los gases y los líquidos pueden “envolvernos” o “tocarnos” completamente; incluso, hasta dentro de nuestros oídos, son volubles, toman la forma de los objetos que tocan.. En las altas montanas, incluso en ciudades como, Ciudad México, debido a que hay menos presión atmosférica (menos columna de aire sobre nosotros), el agua hierve a menos de 100 grados Celsius, por lo que podríamos introducir nuestra mano dentro del agua en ebullición y no quemarnos.

vagalumevagalume

Jeje, doy fe que en México D.F. si metes la mano en agua hirviendo te quemas!!!
Es cierto que la temperatura de ebullición es menor que 100ºC, pero no mucho menor. No recuerdo el valor exacto, pero sí sé que era superior a 95ºC.
Lo de hacer hervir agua a bajas temperaturas se consigue con una reducción de presión mucho mayor que la implica ascender 2200 m sobre el nivel del mar.

Por otro lado, aprovecho para comentar que sigo esperando que alguien me solucione la duda que dejé el día 3… aunque vistos los días transcurridos ya no tengo muchas esperanzas!

7 Trackbacks

Información Bitacoras.com…

Valora en Bitacoras.com: Imagen | Almudena M. Castro Realmente llamativo eso de que pueda existir hielo a más de 100ºC, ¿verdad? Probablemente sea conocido por muchos de vosotros un fenómeno llamado supercalentamiento y su opuesto el superenfriam……

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>