¿A cuántos grados hierve el agua? (V.2, N.4, P.5, 2019)

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#accesibilidad Recipiente con agua burbujeante con termómetro sumergido.

Texto redactado por el colaborador Rodrigo Papai

Si usted rápidamente respondió 100 °C, ¡usted necesita leer este texto!

Intuitivamente tendemos a responder 100 °C. Pero no siempre es así. El «hervor» del agua, llamada científicamente de ebullición, puede ocurrir en diversas temperaturas. ¡El factor decisivo que controla en qué temperatura ocurrirá la ebullición del agua o de cualquier otro líquido es la presión! La presión, definida en la física como la relación entre una fuerza y ​​el área aplicada, está siempre presente en nuestro día a día. Tal vez usted no haya percibido, pero en este momento existe una capa de aire (una mezcla de gases) con varios kilómetros de altura ejerciendo una fuerza prácticamente constante sobre todo su cuerpo, es lo que llamamos presión atmosférica.

Cuando un líquido se calienta, las moléculas se agitan y chocan entre sí formando pequeñas burbujas de vapor en el interior de la masa del líquido. Una vez formadas, estas burbujas no escapan fácilmente porque existe la presión atmosférica (presión externa) aplicando una fuerza que impide el desprendimiento de las burbujas por la superficie del líquido. A medida que la «presión de vapor» dentro de la burbuja aumenta y se iguala a la presión externa, ocurre la ebullición. En ese instante, es visible el desprendimiento de grandes burbujas de vapor que escapan velozmente por la superficie del líquido en un movimiento caótico, caracterizando lo que llamamos popularmente de «hervor».

Cuando estamos al aire libre, el agua está sujeta a la presión atmosférica, que va a definir en qué temperatura el líquido entrará en ebullición. En una ciudad costera el agua hervirá a una temperatura de 100 °C, ya en ciudades más altas como, por ejemplo, São Paulo, la presión atmosférica es menor y consecuentemente el agua puede hervir cuando alcanza los 97 °C. Observe que cuanto mayor sea la altura, menor es la presión atmosférica, pues hay una masa menor de aire ejerciendo el peso sobre su cabeza. Incluso existe una unidad de medida de presión conocida como «atmósfera» (atm): al nivel del mar, la presión atmosférica es igual a 1 atm. Ya en São Paulo, está en torno a 0,92 atm. Siendo la presión más baja en São Paulo, es más fácil el agua hervir, o sea, tener menos punto de ebullición. Ya en lo alto del monte Everest, ¡el agua entra en ebullición al alcanzar 72 °C!

Y, al final, ¿por qué tendemos a responder 100 °C? Simplemente porque el punto de ebullición del agua a nivel del mar fue una de las referencias establecidas en la escala Celsius de temperatura. Pero si después de leer ese texto alguien te preguntar en qué temperatura hierve el agua, responda: ¡depende de la presión!

La temperatura y la presión están asociadas y cualquier variación en estos parámetros produce impactos en el comportamiento de las sustancias químicas. La comprensión y el estudio de la presión de vapor en función de la temperatura son comúnmente abordados en la enseñanza media y también en la enseñanza superior de manera predominantemente teórica, ya que, desgraciadamente, existen pocos experimentos accesibles sobre este tópico. Con el fin de comprender mejor la presión de vapor en función de la temperatura, un grupo de alumnos ingresantes del Bachillerato en Ciencia y Tecnología de la «Universidade Federal do ABC» (Universidad Federal del ABC) se reunió con la profesora Dra. Ivanise Gaubeur y con el Dr. Rodrigo Papi, en la época alumno del doctorado del curso de postgrado en «Ciência e Tecnologia-Química» (Ciencia y Tecnología-Química), para planear e ejecutar un experimento usando materiales de bajo costo. Inspirado en el barómetro casero, el sistema experimental permitió: (i) observar el comportamiento de la presión de vapor en función de la temperatura – un comportamiento típicamente exponencial; (ii) observar la influencia de la naturaleza del líquido y de su concentración en la presión de vapor – en la que es posible correlacionar fuerzas intermoleculares con la facilidad de vaporizar una sustancia; (iii) estimar la entalpía de vaporización molar del agua – midiendo la cantidad de energía necesaria para que la sustancia cambie al estado gaseoso y (iv) verificar que el volumen disponible para el vapor y la cantidad de líquido no influyen en la presión de vapor.

Los resultados fueron divulgados en el «Journal of Chemical Education», una revista de la División de Educación de la Sociedad Americana de Química («American Chemical Society»), contribuyendo con un experimento simple y de bajo costo, que puede ser aplicado en laboratorios de enseñanza media y de enseñanza superior con diferentes enfoques.

¿Está curioso? ¿Quieres conocer más detalles del experimento y entender más sobre la presión de vapor? Vea nuestro artículo científico.

Fuentes:

Fuente de la imagen destacada: Ivanise Gaubeu

Papai, M.A. Romano, A.R. Arroyo, B.R. da Silva, B. Tresoldi, G.C. Winter, J.M. Costa, M.A. F. Santos, M.D. Prata, I. Gaubeur. Creating and Experimenting with a Low-Cost, Rugged System to Visually Demonstrate the Vapor Pressure of Liquids as a Function of Temperature. J. Chem. Educ., 2019, 96(2), p 335–341. Disponible en el sitio: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jchemed.8b00381