Punto de fusión

El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que esta experimenta la transición del estado sólido al líquido. En esta temperatura, las fases sólida y líquida coexisten en equilibrio termodinámico. El punto de fusión depende de la presión y, por convención, suele especificarse a una presión estándar, generalmente 1 atmósfera (101.325 kPa).^[1]

Cuando se considera la transición inversa (de líquido a sólido), se denomina punto de congelación o punto de solidificación. Debido a la capacidad de algunas sustancias para sobreenfriarse (permanecer en estado líquido por debajo del punto de fusión), estos valores pueden no coincidir. Por esta razón, el método más común para determinar el punto de congelación característico de una sustancia consiste en observar la desaparición de la última fase sólida durante el calentamiento (es decir, la fusión), en lugar de la aparición de la primera fase sólida durante el enfriamiento.^[2]

Termodinámica de la fusión

Para que un sólido se funda, es necesario suministrar calor para elevar su temperatura hasta el punto de fusión. Una vez alcanzado este punto, se requiere energía adicional para completar la transición de fase; esta energía se denomina calor latente de fusión (ΔH_fus). Durante la fusión, la temperatura del sistema permanece constante hasta que toda la fase sólida se ha transformado en líquido.^[1]

Desde el punto de vista termodinámico, en el punto de fusión la energía libre de Gibbs (ΔG) de las fases sólida y líquida es igual (ΔG = 0). Sin embargo, la entalpía (H) y la entropía (S) aumentan durante la fusión (ΔH > 0, ΔS > 0). La relación entre estas magnitudes viene dada por:

$\Delta S_{\text{fus}}={\frac {\Delta H_{\text{fus}}}{T_{\text{f}}}}$

donde T_f es la temperatura de fusión. La fusión ocurre cuando la energía libre de Gibbs del líquido se vuelve menor que la del sólido. A una presión dada, esto ocurre a una temperatura característica.^[1]

Dependencia con la presión

El punto de fusión es sensible a los cambios de presión, aunque generalmente en menor medida que el punto de ebullición, ya que el cambio de volumen (ΔV) asociado a la fusión suele ser pequeño. La relación exacta viene dada por la relación de Clausius-Clapeyron:^[1]

${\frac {dP}{dT}}={\frac {\Delta H_{\text{fus}}}{T\Delta V_{\text{fus}}}}$

Para la mayoría de las sustancias, la fase sólida es más densa que la líquida (ΔV < 0), por lo que el punto de fusión aumenta al aumentar la presión. Sin embargo, existen excepciones notables como el agua, el silicio, el germanio, el galio y el bismuto, en las que el sólido es menos denso que el líquido (ΔV > 0). En estos casos, el punto de fusión disminuye al aumentar la presión, como se ilustra en la gráfica para el agua.

Con cambios de presión extremadamente grandes, estas variaciones pueden ser muy significativas. Por ejemplo, el punto de fusión del silicio a presión ambiente (0.1 MPa) es de 1415 °C, pero a 10 GPa desciende a 1000 °C.^[3]

Puntos de fusión de sustancias comunes

Puntos de fusión (azul) y puntos de ebullición (rosa) de los primeros ocho ácidos carboxílicos (°C).

Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación son aproximadamente iguales. Por ejemplo, el punto de fusión y congelación del mercurio es 234,32 Kelvin (−38,8 °C; −37,9 °F).^[4] Sin embargo, algunas sustancias presentan histéresis térmica, mostrando temperaturas diferentes para la fusión y la solidificación. Por ejemplo, el agar se funde a 85 grados Celsius (185 °F; 358,2 K) y solidifica a partir de 31 grados Celsius (87,8 °F; 304,2 K).

El punto de fusión del hielo a 1 atmósfera de presión es muy cercano a 0 grados Celsius (32,0 °F; 273,2 K).^[5] Esta temperatura se conoce como el punto de hielo. En presencia de agentes nucleantes, el agua puede congelarse a esta temperatura, pero en su ausencia puede existir como un líquido sobreenfriado hasta los −48,3 grados Celsius (−54,9 °F; 224,9 K) antes de congelarse.

El elemento químico con el punto de fusión más alto es el wolframio, a 3414 grados Celsius (6177,2 °F; 3687,2 K);^[6] esta propiedad lo hace excelente para su uso como filamentos en lámparas incandescentes. El carbono, contrariamente a lo que se suele creer, no se funde a presión ambiente, sino que sublima a aproximadamente 3700 grados Celsius (6692,0 °F; 3973,2 K); su fase líquida solo existe a presiones superiores a 10 MPa (98,7 atm) y se estima entre 4030-4430 grados Celsius (7286,0-8006,0 °F) (4303,2-4703,2 K) (ver diagrama de fase del carbono). El carburo de hafnio y tantalio (Ta₄HfC₅) es un compuesto refractario con un punto de fusión muy alto de 4215 Kelvin (3941,9 °C; 7127,3 °F).^[7] Simulaciones computacionales basadas en mecánica cuántica han predicho que la aleación HfN_0.38C_0.51 tendría un punto de fusión aún más alto (alrededor de 4400 K),^[8] lo que la convertiría en la sustancia con el punto de fusión más alto a presión ambiental, una predicción que ha sido confirmada experimentalmente.^[9]

En el otro extremo de la escala, el helio no se solidifica a presión normal, ni siquiera a temperaturas arbitrariamente cercanas al cero absoluto; para ello se requiere una presión más de veinte veces superior a la presión atmosférica normal.

Tabla de puntos de fusión de sustancias comunes

Puntos de fusión y ebullición de sustancias comunes
Sustancia química	Densidad (g/cm³)	Punto de fusión (K)^[10]	Punto de ebullición (K)
Agua (H₂O)	1.00	0	273,2	100	373,2
Soldadura de estaño-plomo (Pb60Sn40)	...	183	456,2	...
Manteca de cacao	...	34,1	307,3	—
Cera de parafina	~0.9	37	310,2	370	643,2
Hidrógeno (H₂)	0.00008988	14.01	20.28
Helio (He)	0.0001785	—^{[nota 1]}	4.22
Berilio (Be)	1.85	1560	2742
Carbono (C)	2.267	3800 (sublima)	4300
Nitrógeno (N₂)	0.0012506	63.15	77.36
Oxígeno (O₂)	0.001429	54.36	90.20
Sodio (Na)	0.971	370.87	1156
Magnesio (Mg)	1.738	923	1363
Aluminio (Al)	2.698	933.47	2792
Azufre (S₈)	2.067	388.36 (romboédrico)	717.87
Cloro (Cl₂)	0.003214	171.6	239.11
Potasio (K)	0.862	336.53	1032
Titanio (Ti)	4.54	1941	3560
Hierro (Fe)	7.874	1811	3134
Níquel (Ni)	8.912	1728	3186
Cobre (Cu)	8.96	1357.77	2835
Zinc (Zn)	7.134	692.88	1180
Galio (Ga)	5.907	302.9146	2673
Plata (Ag)	10.501	1234.93	2435
Cadmio (Cd)	8.69	594.22	1040
Indio (In)	7.31	429.75	2345
Yodo (I₂)	4.93	386.85	457.4
Tantalio (Ta)	16.654	3290	5731
Wolframio (W)	19.25	3695	5828
Platino (Pt)	21.46	2041.4	4098
Oro (Au)	19.282	1337.33	3129
Mercurio (Hg)	13.5336	234.43	629.88
Plomo (Pb)	11.342	600.61	2022
Bismuto (Bi)	9.807	544.7	1837

Puntos de fusión de los elementos químicos

Artículo principal: Anexo:Elementos químicos

La tabla siguiente muestra los puntos de fusión de los elementos en °C (a una atmósfera de presión):^[6]

H
−259

He
−272

Li
181

Be
1287

B
2075

C
3500

N
−210

O
−219

F
−219

Ne
−249

Na
98

Mg
650

Al
660

Si
1414

P
44

S
115

Cl
−102

Ar
−189

K
64

Ca
842

Sc
1541

Ti
1668

V
1910

Cr
1907

Mn
1246

Fe
1538

Co
1495

Ni
1455

Cu
1085

Zn
420

Ga
30

Ge
938

As
817

Se
221

Br
−7

Kr
−157

Rb
39

Sr
777

Y
1522

Zr
1858

Nb
2477

Mo
2623

Tc

Ru
2333

Rh
1964

Pd
1555

Ag
962

Cd
321

In
157

Sn
232

Sb
631

Te
450

I
114

Xe
−112

Cs
29

Ba
727

*

Hf
2233

Ta
3017

W
3422

Re
3185

Os
3033

Ir
2446

Pt
1768

Au
1064

Hg
−39

Tl
304

Pb
327

Bi
271

Po
254

At
302

Rn
−71

Fr
27

Ra
696

**

*

La
920

Ce
799

Pr
931

Nd
1016

Pm
1042

Sm
1072

Eu
822

Gd
1313

Tb
1359

Dy
1412

Ho
1472

Er
1529

Tm
1545

Yb
824

Lu
1663

**

Ac
1050

Th
1750

Pa
1572

U
1135

Np
644

Pu
640

Am
1176

Cm
1345

Bk
986

Cf
900

Es
860

Fm
1527

Md
827

No
827

Lr
1627

Medición del punto de fusión

Existen diversas técnicas de laboratorio para la determinación de puntos de fusión, que varían según el rango de temperatura y la naturaleza de la muestra.

Técnicas convencionales

Banco Kofler con muestras para calibración.

Un banco Kofler es una tira metálica con un gradiente de temperatura (desde temperatura ambiente hasta 300 °C). Al colocar una sustancia sobre la tira, se puede observar su comportamiento térmico en función de la temperatura. Es un método rápido y económico para estimar puntos de fusión.

Un aparato de punto de fusión básico para el análisis de sólidos cristalinos consiste en un baño de aceite con una ventana transparente (un diseño clásico es el tubo de Thiele) y una lupa. La muestra se introduce en un tubo capilar y se sumerge parcialmente en el baño de aceite. Se calienta el baño (con agitación) y se observa la fusión de los cristales. También se puede usar un bloque metálico calefactado en lugar de un baño de aceite.

Los instrumentos modernos suelen incorporar:

Calentamiento programable y controlado
Detección óptica automática del inicio y fin de la fusión

- Cámaras digitales para registro visual - Software de análisis que permite determinar con precisión el intervalo de fusión

Técnicas para materiales refractarios

Para materiales refractarios con puntos de fusión extremadamente altos (por encima de 1800 °C, como el platino, wolframio, tantalio, o ciertos carburos y nitruros), se utilizan métodos especiales:

**Pirómetros ópticos**: se calienta el material en un horno de cuerpo negro y se mide la temperatura comparando el brillo espectral con una fuente calibrada. Para calibrar a altas temperaturas, se usa el punto de fusión del oro (1063 °C) como referencia y luego se aplica la ley de radiación de Planck.

**Calentamiento por láser sin contenedor**: se utilizan técnicas de levitación (aerodinámica, electrostática o electromagnética) para mantener la muestra suspendida mientras se calienta con láser, evitando así la contaminación por el recipiente. Pirómetros rápidos permiten realizar mediciones en fracciones de segundo, minimizando problemas como la vaporización.

**Método del orificio**: se utiliza una varilla del material con un pequeño orificio perforado en su centro que actúa como cuerpo negro. Al calentarla por paso de corriente eléctrica, la fusión se detecta cuando el orificio se oscurece al perder las condiciones de cavidad.

Calorimetría diferencial de barrido

La calorimetría diferencial de barrido (DSC) proporciona información precisa sobre el punto de fusión, así como sobre la entalpía de fusión y la pureza de la muestra. Esta técnica mide la diferencia de flujo de calor entre la muestra y una referencia inerte mientras se someten a un programa controlado de temperatura.^[11]

Medición en línea

En procesos industriales, como en las refinerías de petróleo, se mide el punto de congelación del diésel "en línea" mediante equipos automáticos que toman muestras periódicamente. Esto permite un control de calidad más frecuente sin necesidad de análisis en laboratorios remotos.

Utilidad y aplicaciones

Los puntos de fusión se utilizan ampliamente en química y ciencia de materiales para:

**Caracterización de compuestos**: el punto de fusión es una propiedad física característica que ayuda a identificar sustancias orgánicas e inorgánicas.
**Determinación de pureza**: una sustancia pura tiene un punto de fusión más alto y un intervalo de fusión más estrecho que una sustancia impura. La temperatura a la que comienza la fusión se denomina temperatura de solidus, y aquella a la que se completa se llama temperatura de liquidus. Los eutécticos son mezclas con una composición específica que se funden a temperatura constante, comportándose como una sustancia pura.
**Control de calidad**: en la industria farmacéutica, alimentaria y de materiales, la determinación del punto de fusión es una prueba de rutina para verificar la conformidad de los productos.

Descenso del punto de congelación

Artículo principal: Descenso crioscópico

El punto de congelación de un disolvente disminuye cuando se le añade un soluto. Es decir, una disolución tiene un punto de congelación más bajo que el disolvente puro. Este fenómeno, conocido como descenso crioscópico, es una propiedad coligativa que depende únicamente del número de partículas de soluto, no de su naturaleza. Se utiliza en aplicaciones prácticas para evitar la congelación, como en el caso de añadir sal (cloruro de sodio) o etilenglicol al agua.^[1]

Regla de Carnelley

En química orgánica, la regla de Carnelley, formulada en 1882 por Thomas Carnelley, establece que una alta simetría molecular está asociada con un alto punto de fusión.^[12] Carnelley basó su regla en el examen de 15.000 compuestos. Por ejemplo, para los tres isómeros estructurales del C₅H₁₂, el punto de fusión aumenta en la serie: isopentano (−160 °C), n-pentano (−129,8 °C) y neopentano (−16,4 °C).^[13] De manera similar, en los xilenos y en los diclorobencenos, el punto de fusión aumenta en el orden meta, orto y para.

Un punto de fusión elevado puede deberse a un alto calor de fusión (ΔH_fus), a una baja entropía de fusión (ΔS_fus), o a una combinación de ambos. En moléculas altamente simétricas, la fase cristalina suele estar densamente empaquetada con muchas interacciones intermoleculares eficientes, lo que da lugar a un mayor cambio de entalpía durante la fusión y, a menudo, a una menor entropía de fusión debido a la alta organización del sólido.

Como muchos compuestos de alta simetría, el tetrakis(trimetilsilil)silano tiene un punto de fusión muy alto de 319-321 °C. Al tender a sublimarse, su determinación requiere que la muestra esté sellada en un tubo.^[14]

Predicción del punto de fusión

Criterio de Lindemann

Frederick Lindemann propuso en 1910 un criterio para predecir el punto de fusión de materiales cristalinos.^[15] La idea es que la fusión se inicia cuando la amplitud de las vibraciones térmicas de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio es lo suficientemente grande como para que ocupen el espacio de sus vecinos. El criterio de Lindemann establece que la fusión ocurre cuando la amplitud cuadrática media de vibración supera un valor umbral, que suele ser una fracción (c, la constante de Lindemann) de la distancia interatómica (a).

Suponiendo que todos los átomos vibran con la misma frecuencia ν, la energía térmica promedio se puede estimar mediante el teorema de equipartición como^[16]

$E=4\pi ^{2}m\nu ^{2}u^{2}=k_{\rm {B}}T$

donde m es la masa atómica, u es la amplitud de vibración promedio, k_B es la constante de Boltzmann y T es la temperatura absoluta. Si la condición para la fusión es u² = c² a², entonces el punto de fusión (T_m) se estima como:

$T_{\rm {m}}={\cfrac {4\pi ^{2}m\nu ^{2}c^{2}a^{2}}{k_{\rm {B}}}}$

Usando la frecuencia de Debye (ν ≈ θ_Dk_B/h), se obtiene otra expresión común:^[17]

$T_{\rm {m}}={\cfrac {2\pi mc^{2}a^{2}\theta _{\rm {D}}^{2}k_{\rm {B}}}{h^{2}}}$

donde θ_D es la temperatura de Debye y h es la constante de Planck. La constante de Lindemann c suele tener valores entre 0,15 y 0,3 para la mayoría de los materiales.^[18]

Predicción computacional

En las últimas décadas, el uso de técnicas computacionales y de ciencia de datos ha permitido desarrollar modelos para predecir el punto de fusión de compuestos químicos. En febrero de 2011, la compañía Alfa Aesar publicó más de 10 000 puntos de fusión de su catálogo como datos abiertos. Este conjunto de datos se ha utilizado para crear modelos predictivos basados en bosques aleatorios y otras técnicas de aprendizaje automático.^[19]

También se han publicado recopilaciones de datos abiertos en plataformas como Nature Precedings^[20] y se han desarrollado modelos a partir de datos extraídos de patentes, abarcando cientos de miles de compuestos.^[21]

Véase también

Referencias

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Notas

↑ El helio no se solidifica a la presión de una atmósfera. Solo puede solidificarse a presiones superiores a 25 atmósferas.

Enlaces externos

Tablas de puntos de fusión y ebullición vol. 1 por Thomas Carnelley (Harrison, Londres, 1885-1887)
Tablas de puntos de fusión y ebullición vol. 2 por Thomas Carnelley (Harrison, Londres, 1885-1887)
Datos extraídos de patentes - Más de 250.000 datos de punto de fusión descargables gratuitamente
Datos en figshare - Conjuntos de datos abiertos para predicción computacional

Datos: Q15318
Multimedia: Melting point / Q15318

[Atkins-1] 1 2 3 4 5 Atkins, Peter (2018). «4. Phase equilibria». Physical Chemistry (11ª edición). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-876986-6.

[2] Ramsay, J. A. (1 de mayo de 1949). «A New Method of Freezing-Point Determination for Small Quantities». Journal of Experimental Biology 26 (1): 57-64. PMID 15406812.

[3] Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005) Phase Transformations of Elements Under High Pressure, CRC Press, Boca Raton, p. 98 ISBN 0-8493-3367-9

[4] Haynes, p. 4.122.

[5] El punto de fusión del agua purificada se ha medido como 0,002519 ± 0,000002 °C, consulte Feistel, R.; Wagner, W. (2006). «A New Equation of State for H₂O Ice Ih». J. Phys. Chem. Ref. Data 35 (2): 1021-1047. Bibcode:2006JPCRD..35.1021F. doi:10.1063/1.2183324.

[CRC-6] 1 2 Haynes, William M. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd edición). CRC Press. ISBN 978-1-4398-5511-9.

[7] Agte, C.; Alterthum, H. (1930). «Researches on Systems with Carbides at High Melting Point and Contributions to the Problem of Carbon Fusion». Z. Tech. Phys. 11: 182-191.

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[11] El helio no se solidifica a la presión de una atmósfera. Solo puede solidificarse a presiones superiores a 25 atmósferas.

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