Solidificación
La solidificación es una transición de fase en la que un líquido se convierte en un sólido cuando su temperatura desciende por debajo de su punto de congelación. En termodinámica, se define como el proceso de cristalización de un líquido.
Aunque los términos solidificación y congelación se emplean a menudo como sinónimos en el lenguaje cotidiano, existe una distinción técnica: la solidificación es el proceso general de conversión de un líquido en sólido, mientras que la congelación suele referirse específicamente a la formación de una estructura cristalina ordenada (como la del hielo en el caso del agua). Para la mayoría de las sustancias, las temperaturas de fusión y congelación coinciden; sin embargo, ciertos materiales presentan una histéresis térmica, es decir, sus puntos de fusión y solidificación difieren. Por ejemplo, el agar se funde a 85 °C y se solidifica entre 32 °C y 40 °C.[1]
Cristalización
[editar]La mayoría de los líquidos se solidifican mediante cristalización, formando un sólido cristalino a partir de la fase líquida. Este proceso constituye una transición de fase termodinámica de primer orden. Durante la transición, mientras coexisten el sólido y el líquido en equilibrio, la temperatura de todo el sistema permanece constante en el punto de fusión. Esto ocurre porque el calor latente de fusión debe ser liberado al entorno para que la solidificación progrese. La cristalización consta de dos etapas principales:[2]
- Nucleación: es el proceso mediante el cual las moléculas o átomos en el líquido se agrupan formando clústeres nanométricos que adoptan una estructura periódica definida. Estos clústeres constituyen los núcleos o gérmenes cristalinos.
- Crecimiento de cristales: una vez que un núcleo alcanza un tamaño crítico (superando la barrera energética asociada a la formación de la nueva superficie), su crecimiento es termodinámicamente favorable y se convierte en un cristal que aumenta de tamaño mediante la incorporación de nuevas unidades desde el líquido circundante.
Sobrefusión (o superenfriamiento)
[editar]Frecuentemente, la cristalización de un líquido puro no se inicia inmediatamente al alcanzar el punto de fusión, sino a una temperatura inferior. Este fenómeno se conoce como sobrefusión o superenfriamiento. Su origen radica en la energía de activación necesaria para la nucleación homogénea. La formación de un núcleo cristalino requiere crear una nueva interfaz entre el sólido y el líquido, lo que demanda una energía que debe ser compensada por la energía liberada al formar el volumen del núcleo. Si el núcleo es demasiado pequeño, la relación superficie/volumen es alta y el núcleo es inestable, disolviéndose nuevamente. Solo cuando la temperatura es suficientemente baja, el tamaño crítico se reduce y los núcleos alcanzan la estabilidad.[2]
La presencia de imperfecciones en la superficie del recipiente, impurezas sólidas o gaseosas, o cristales preformados (agentes nucleantes) puede inducir la nucleación heterogénea. En este caso, la energía necesaria para crear la nueva interfaz es menor, lo que reduce significativamente el grado de sobrefusión, acercando la temperatura de congelación al punto de fusión teórico. Por ejemplo, el punto de fusión del agua a 1 atm de presión es de 0 °C. En presencia de nucleadores, el agua se congela cerca de esta temperatura, pero en su ausencia puede sobreenfriarse hasta los -40 °C antes de congelarse.[3][4] A presiones muy elevadas (2000 atm), el agua puede sobreenfriarse hasta los -70 °C antes de solidificarse.[5]
Efecto de la presión
[editar]La dependencia del punto de fusión con la presión viene dada por la ecuación de Clapeyron. Para la mayoría de las sustancias, el volumen específico del sólido es menor que el del líquido, por lo que al aumentar la presión el punto de fusión (y por tanto el de congelación) aumenta.
El agua es una de las excepciones más notables a esta regla, junto con el bismuto, el antimonio o el silicio. Dado que el hielo es menos denso (tiene mayor volumen específico) que el agua líquida, su punto de fusión disminuye al aumentar la presión. En términos prácticos, esto significa que a una temperatura constante ligeramente por debajo de 0 °C, es posible fundir el hielo aplicando presión; el agua resultante se volverá a congelar al cesar la presión. Este fenómeno, conocido como regelación, explica por ejemplo que los patines de hielo deslicen sobre una fina lámina de agua.[6] Por lo tanto, la afirmación general de que la solidificación se produce por un aumento de la presión es incorrecta; ocurre solo para sustancias que, como el agua, se expanden al congelarse, y en condiciones muy específicas.
Exotermicidad
[editar]La solidificación es un proceso casi siempre exotérmico, es decir, libera calor al entorno. Aunque pueda parecer contradictorio que la temperatura no aumente durante el proceso, esto se debe a que el calor latente liberado debe ser evacuado del sistema para que la transición de fase pueda continuar. La energía liberada durante la solidificación es exactamente la misma que la energía requerida para fundir la misma cantidad de sólido (entalpía de fusión).[7]
El helio a muy baja temperatura es la única excepción conocida a esta regla.[8] El helio-3 presenta una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0.3 K, mientras que el helio-4 también la presenta por debajo de 0.8 K. En este rango de temperaturas, a presión constante, es necesario extraer calor para fundirlos y añadir calor para congelarlos.[9]
Vitrificación
[editar]Ciertos materiales, como el vidrio común, el glicerol o muchos polímeros, pueden endurecerse sin formar una estructura cristalina, dando lugar a los denominados sólidos amorfos. En estos materiales no existe un punto de congelación definido, ya que no se produce una transición de fase abrupta. En su lugar, al descender la temperatura, experimentan un cambio gradual en sus propiedades viscoelásticas en un intervalo de temperaturas. Este fenómeno se conoce como transición vítrea, y la temperatura característica a la que ocurre se denomina temperatura de transición vítrea (Tg). La vitrificación no es un proceso de equilibrio termodinámico y, por tanto, no se considera una congelación en el sentido estricto de transición entre fases líquida y cristalina.[10]
Expansión térmica durante la solidificación
[editar]La mayoría de las sustancias se contraen al solidificarse, es decir, su densidad aumenta. Sin embargo, algunas sustancias, entre las que destacan el agua, el bismuto, el galio, el silicio y el ácido acético, se expanden al congelarse (disminuyen su densidad). Esta peculiaridad del agua es la causa de que el hielo flote en el agua líquida y de que las tuberías puedan reventar cuando el agua que contienen se congela.[11]
Congelación de organismos vivos
[editar]Muchos organismos vivos han desarrollado estrategias para tolerar periodos prolongados a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. Para protegerse del daño causado por los cristales de hielo, acumulan en sus células crioprotectores, como proteínas antinucleantes, polioles (glicerol, sorbitol) y glucosa, que disminuyen el punto de congelación y previenen la formación de grandes cristales intracelulares.
Ciertas bacterias, como Pseudomonas syringae, producen proteínas que actúan como potentes nucleadores de hielo. Estas proteínas provocan la formación de hielo en la superficie de las plantas a temperaturas relativamente altas (aproximadamente -2 °C), causando daños en los tejidos vegetales que facilitan a la bacteria el acceso a los nutrientes.[12][13]
Bacterias
[editar]Se ha documentado la recuperación de bacterias viables tras permanecer congeladas durante miles de años en el permafrost. Especies como Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei son ejemplos de microorganismos con notable resistencia a la congelación prolongada.
Plantas
[editar]Muchas plantas de regiones templadas y frías experimentan un proceso de aclimatación al frío que les permite sobrevivir a temperaturas bajo cero durante semanas o meses. Este proceso implica cambios metabólicos y estructurales, como la acumulación de azúcares y proteínas anticongelantes, y la modificación de la composición lipídica de las membranas celulares.[14]
Animales
[editar]El nematodo Haemonchus contortus puede sobrevivir 44 semanas congelado a la temperatura del nitrógeno líquido (-196 °C). Otras especies de nematodos, como Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi, también presentan una alta tolerancia a la congelación. Muchas especies de reptiles y anfibios pueden sobrevivir a la congelación parcial de sus fluidos extracelulares, un fenómeno estudiado en el campo de la criobiología.
En el ámbito de la medicina reproductiva y la biotecnología, los gametos humanos y los embriones pueden ser sometidos a crioconservación, siendo viables durante años tras su congelación y posterior descongelación.
Los intentos experimentales de congelar seres humanos con la esperanza de reanimarlos en el futuro, una práctica no aceptada por la comunidad científica, se conocen como criónica.
Conservación de alimentos
[editar]La congelación es un método ampliamente utilizado en la conservación de alimentos. Actúa ralentizando tanto las reacciones de deterioro (oxidación, hidrólisis) como el crecimiento de microorganismos. Más allá del efecto directo de las bajas temperaturas en la cinética química, la congelación reduce la disponibilidad de agua líquida, esencial para el metabolismo microbiano y las reacciones enzimáticas. La formación de cristales de hielo puede, sin embargo, afectar la textura de los alimentos, siendo objeto de estudio para optimizar los procesos de congelación.[15]
Véase también
[editar]Referencias
[editar]- ↑ «All About Agar». Sciencebuddies.org. Archivado desde el original el 3 de junio de 2011. Consultado el 27 de abril de 2011.
- 1 2 Callister, William D. (2018). «10. Transformaciones de fase en metales». Ciencia e ingeniería de materiales (2ª edición). Barcelona: Reverté. ISBN 9788429172515.
- ↑ Lundheim, Rolv (29 de julio de 2002). «Physiological and ecological significance of biological ice nucleators». Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences 357 (1423): 937-943. ISSN 0962-8436. PMC 1693005. PMID 12171657. doi:10.1098/rstb.2002.1082. Consultado el 21 de marzo de 2026.
- ↑ Franks, Felix (15 de marzo de 2003). «Nucleation of ice and its management in ecosystems». Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences 361 (1804): 557-574; discussion 574. ISSN 1364-503X. PMID 12662454. doi:10.1098/rsta.2002.1141. Consultado el 21 de marzo de 2026.
- ↑ Jeffery, C. A.; Austin, P. H. (1997). «Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state». Journal of Geophysical Research: Atmospheres (en inglés) 102 (D21): 25269-25279. ISSN 2156-2202. doi:10.1029/97JD02243. Consultado el 21 de marzo de 2026.
- ↑ Zemansky, Mark W. (1985). «10. Transformaciones de fase». Calor y termodinámica (6ª edición). Madrid: Aguilar. ISBN 9789684516311.
- ↑ «What is an exothermic reaction?». Scientific American (en inglés). Consultado el 21 de mayo de 2024.
- ↑ Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th edición), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4.
- ↑ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, pp. 92-93, ISBN 0-12-530985-6.
- ↑ Young, Robert J. (1988). «9. Estado vítreo y transición vítrea». Introducción a los polímeros. Barcelona: Reverté. ISBN 978-84-291-7179-2.
- ↑ Tipler, Paul A. (2010). «14. Sólidos y fluidos». Física (6ª edición). Barcelona: Reverté. ISBN 978-84-291-4414-9
|isbn=incorrecto (ayuda). - ↑ Maki, L. R.; Galyan, E. L.; Chang-Chien, M. M.; Caldwell, D. R. (1974). «Ice nucleation induced by Pseudomonas syringae». Applied Microbiology 28 (3): 456-459. PMC 186742. PMID 4371331.
- ↑ Zachariassen, K. E.; Kristiansen, E. (2000). «Ice nucleation and antinucleation in nature». Cryobiology 41 (4): 257-279. PMID 11222024. doi:10.1006/cryo.2000.2289.
- ↑ Guy, C. L. (1990). «Cold acclimation and freezing stress tolerance: role of protein metabolism». Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology 41: 187-223. doi:10.1146/annurev.pp.41.060190.001155.
- ↑ Fellows, P. J. (2007). «22. Congelación». Tecnología del procesado de los alimentos (3ª edición). Zaragoza: Acribia. ISBN 9788420011851.
