Llamamos punto de fusión (o temperatura de fusión) a la temperatura en que una sustancia pasa de estado sólido a estado líquido. La fusión es una propiedad en la que se pasa de la fase líquida a la fase sólida de un elemento.
El punto de fusión generalmente se especifica a la presión atmosférica estándar (1 atmósfera o 100.000 pascales) y para una sustancia pura.
El punto de fusión de un elemento puro es siempre más alto que el de una sustancia impura. Por esta razón, los puntos de fusión se utilizan a menudo para caracterizar compuestos orgánicos e inorgánicos y para determinar su pureza. Si aumenta la presencia de otros componentes, se reduce el punto de fusión y más amplio será el intervalo del punto de fusión.
Para comprender mejor lo que se ha dicho, consideremos un bloque de hierro y supongamos que lo calentamos. Inicialmente, su temperatura comienza a subir hasta alcanzar una temperatura en la que el bloque de hierro comienza a derretirse (estado líquido). La temperatura a la que tiene lugar este proceso se llama temperatura de fusión.
El proceso de fusión de un elemento se produce a temperatura constante, como sucede en cualquier cambio de fase. El calor dado en el período de fusión se llama calor latente de fusión.
Factores que influyen en el punto de fusión de una sustancia
El punto de fusión de una sustancia depende de varios factores fundamentales que influyen en la cantidad de energía térmica necesaria para romper las interacciones que mantienen su estructura en estado sólido.
1. Fuerzas intermoleculares
La intensidad de las fuerzas que mantienen unidas las moléculas o átomos en un sólido determina cuánta energía se necesita para separarlas y convertir la sustancia en líquido. Algunas de las fuerzas más importantes son:
- Enlaces iónicos: Presentes en compuestos como la sal de mesa (NaCl), son interacciones extremadamente fuertes entre iones de carga opuesta. Esto hace que los sólidos iónicos tengan puntos de fusión muy altos.
- Fuerzas de Van der Waals: Son interacciones débiles entre moléculas no polares. Los sólidos formados por estas fuerzas (como los gases nobles en estado sólido) tienen puntos de fusión bajos porque las fuerzas de atracción son fácilmente superadas con poco calor.
- Enlaces de hidrógeno: Son fuerzas intermoleculares más fuertes que las de Van der Waals, presentes en compuestos como el agua (H₂O) o el ácido acético. Elevan el punto de fusión en comparación con sustancias similares sin este tipo de enlace.
- Interacciones dipolo-dipolo: Se dan en moléculas polares y afectan el punto de fusión según la intensidad del dipolo. Cuanto más fuerte sea la atracción entre dipolos, más alta será la temperatura necesaria para fundir la sustancia.
2. Estructura cristalina
La forma en la que los átomos o moléculas están organizados en un sólido influye directamente en su punto de fusión:
- Sólidos con redes cristalinas fuertes: Materiales como los metales, los cristales iónicos y los sólidos covalentes (como el diamante y el cuarzo) tienen estructuras altamente organizadas y fuertes, lo que requiere una gran cantidad de energía para romperlas. Esto les otorga puntos de fusión muy altos.
- Sustancias amorfas: Materiales como el vidrio y algunos polímeros no tienen una estructura cristalina bien definida, por lo que no presentan un punto de fusión exacto. En lugar de fundirse abruptamente, se reblandecen de manera progresiva al aumentar la temperatura.
3. Presión
La presión también juega un papel importante en el punto de fusión de una sustancia:
- En la mayoría de los sólidos, un aumento de presión provoca un incremento en el punto de fusión, ya que las partículas están más comprimidas y requieren más energía para moverse libremente.
- Sin embargo, hay excepciones. En el caso del hielo (H₂O sólido), aumentar la presión disminuye su punto de fusión. Esto ocurre porque el hielo tiene una estructura menos densa que el agua líquida, por lo que al aplicar presión, se favorece la transición a líquido.
Diferencia entre el punto de fusión y el punto de congelación
La diferencia principal entre el punto de fusión y el punto de congelación radica en el proceso de cambio de estado que describen:
- Punto de fusión: Es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado sólido a líquido cuando se le aplica calor. En este punto, las partículas ganan suficiente energía para vencer las fuerzas intermoleculares que las mantenían en una estructura rígida.
- Punto de congelación: Es la temperatura a la cual una sustancia pasa de estado líquido a sólido cuando pierde calor. Aquí, las partículas reducen su energía cinética y se ordenan en una estructura más estable, formando un sólido.
En muchas sustancias puras, el punto de fusión y el punto de congelación ocurren a la misma temperatura, pero en sentidos opuestos. Por ejemplo, el agua pura se funde y se congela a 0 °C a presión atmosférica normal. Sin embargo, factores como la presión o la presencia de impurezas pueden modificar el punto de congelación sin afectar el de fusión (por ejemplo, la sal disminuye el punto de congelación del agua, pero no su punto de fusión).
¿Cómo se determina el punto de fusión?
La medición del punto de fusión se realiza con un equipo denominado Thiele o en un bloque de fusión. El proceso se realiza de la siguiente manera:
- La elemento se introduce en un tubo capilar para colocarlo en en el Thiele
- Se calienta el tubo capilar despacio hasta el momento en que cambia de fase.
- La temperatura registrada en el cambio de fase corresponde a la temperatura de fusión.
Punto eutéctico
El punto eutéctico es la temperatura mínima a la cual una mezcla de dos o más componentes sólidos puede fundirse completamente, transformándose en líquido, sin que quede ninguna fase sólida. Este fenómeno ocurre cuando la mezcla tiene una composición específica y fija de las sustancias involucradas.
En el punto eutéctico, los componentes de la mezcla se funden a una temperatura única, más baja que los puntos de fusión de las sustancias puras por separado.
Cuando se alcanzan condiciones eutécticas, tanto los componentes de la mezcla se encuentran en equilibrio entre la fase sólida y la líquida, lo que significa que las sustancias se funden y se cristalizan a la misma temperatura. Este punto de fusión es importante en la industria y en la fabricación de aleaciones metálicas, ya que las aleaciones eutécticas se utilizan para obtener características específicas, como la dureza o la conductividad térmica, que no se alcanzan al fundir los metales puros individualmente.
En algunos casos, el punto eutéctico no solo involucra dos componentes, sino que puede ser una mezcla de tres o más sustancias, cada una con su propio punto de fusión.
Un ejemplo clásico de una aleación eutéctica es la combinación de plomo y estaño, que tiene un punto eutéctico a una temperatura más baja que la de cada metal por separado. Esto hace que las aleaciones eutécticas sean útiles para aplicaciones como la soldadura, donde es necesario un punto de fusión bajo para evitar dañar otros componentes.
Ejemplos de la temperatura de fusión de algunos materiales
Reportamos los valores de las temperaturas de fusión y los puntos de ebullición de algunas sustancias determinadas a una presión de 1 atm.
|
Sustancia química |
Punto de fusión en grados Celsius |
Punto de ebullición en grados Celsius |
|
Agua |
0 |
100 |
|
Hidrógeno |
-259,19 |
-252,92 |
|
Carbono |
3526,8 |
4026,8 |
|
Aluminio |
660,27 |
2518,8 |
|
Mercurio |
-38,77 |
356,68 |