miniaturadeimagen|Los cubitos de hielo sumergidos en agua comienzan a fundirse al alcanzar su punto de fusión de 0 °C.
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).
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.
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 (ΔHfus). Durante la fusión, la temperatura del sistema permanece constante hasta que toda la fase sólida se ha transformado en líquido.
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:
donde Tf 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.
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:
miniaturadeimagen|Dependencia del punto de fusión del agua con la presión. A diferencia de la mayoría de las sustancias, el punto de fusión del agua disminuye al aumentar la presión.|300x300px
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.Tonkov, E. Yu. and Ponyatovsky, E. G. (2005) Phase Transformations of Elements Under High Pressure, CRC Press, Boca Raton, p. 98
Puntos de fusión de sustancias comunes miniaturadeimagen|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 .Haynes, p. 4.122. Sin embargo, algunas sustancias presentan histéresis térmica, mostrando temperaturas diferentes para la fusión y la solidificación. Por ejemplo, el agar se funde a y solidifica a partir de .
El punto de fusión del hielo a 1 atmósfera de presión es muy cercano a .El punto de fusión del agua purificada se ha medido como 0,002519 ± 0,000002 °C, consulte 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 antes de congelarse.
El elemento químico con el punto de fusión más alto es el wolframio, a ; 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 ; su fase líquida solo existe a presiones superiores a y se estima entre (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 . Simulaciones computacionales basadas en mecánica cuántica han predicho que la aleación HfN0.38C0.51 tendría un punto de fusión aún más alto (alrededor de 4400 K), lo que la convertiría en la sustancia con el punto de fusión más alto a presión ambiental, una predicción que ha sido confirmada experimentalmente.
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 comunesSustancia químicaDensidad Punto de fusión Punto de ebullición Agua (H₂O)1.00Soldadura de estaño-plomo (Pb60Sn40)......Manteca de cacao...—Cera de parafina~0.9Hidrógeno (H₂)0.0000898814.0120.28Helio (He)0.0001785—El helio no se solidifica a la presión de una atmósfera. Solo puede solidificarse a presiones superiores a 25 atmósferas.4.22Berilio (Be)1.8515602742Carbono (C)2.2673800 (sublima)4300Nitrógeno (N₂)0.001250663.1577.36Oxígeno (O₂)0.00142954.3690.20Sodio (Na)0.971370.871156Magnesio (Mg)1.7389231363Aluminio (Al)2.698933.472792Azufre (S₈)2.067388.36 (romboédrico)717.87Cloro (Cl₂)0.003214171.6239.11Potasio (K)0.862336.531032Titanio (Ti)4.5419413560Hierro (Fe)7.87418113134Níquel (Ni)8.91217283186Cobre (Cu)8.961357.772835Zinc (Zn)7.134692.881180Galio (Ga)5.907302.91462673Plata (Ag)10.5011234.932435Cadmio (Cd)8.69594.221040Indio (In)7.31429.752345Yodo (I₂)4.93386.85457.4Tantalio (Ta)16.65432905731Wolframio (W)19.2536955828Platino (Pt)21.462041.44098Oro (Au)19.2821337.333129Mercurio (Hg)13.5336234.43629.88Plomo (Pb)11.342600.612022Bismuto (Bi)9.807544.71837
Puntos de fusión de los elementos químicos
La tabla siguiente muestra los puntos de fusión de los elementos en °C (a una atmósfera de presión):
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 miniaturadeimagen|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.
miniaturadeimagen|Medidor de punto de fusión digital automático. 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.
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
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.
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. 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).Haynes, pp. 6.153–155. De manera similar, en los xilenos y en los diclorobencenos, el punto de fusión aumenta en el orden meta, orto y para.