Cálculo del punto de ebullición: fundamentos y aplicaciones técnicas

El cálculo del punto de ebullición determina la temperatura a la cual un líquido pasa a vapor. Es esencial en química, ingeniería y procesos industriales.

Este artículo explora métodos, fórmulas y ejemplos prácticos para calcular el punto de ebullición con precisión técnica y rigor científico.

Calculadora con inteligencia artificial (IA) para cálculo del punto de ebullición

¡Hola! ¿En qué cálculo, conversión o pregunta puedo ayudarte?

Pensando ...

Calcular el punto de ebullición del agua a 1 atmósfera.
Determinar el punto de ebullición de una mezcla binaria de etanol y agua.
Calcular el punto de ebullición de un líquido a presión reducida de 0.5 atm.
Estimar el punto de ebullición de un compuesto orgánico usando la ecuación de Antoine.

Tablas de valores comunes para el cálculo del punto de ebullición

Para facilitar el cálculo y la comparación, a continuación se presentan tablas con puntos de ebullición de sustancias puras y constantes relevantes para las fórmulas más utilizadas.

Componente	Punto de ebullición (°C) a 1 atm	Punto de ebullición (K)	Presión de vapor a 25°C (kPa)	Constantes Antoine (A, B, C)
Agua (H₂O)	100.0	373.15	3.17	A=8.07131, B=1730.63, C=233.426
Etanol (C₂H₅OH)	78.37	351.52	5.95	A=8.20417, B=1642.89, C=230.3
Benceno (C₆H₆)	80.1	353.25	12.7	A=6.90565, B=1211.033, C=220.79
Acetona (C₃H₆O)	56.05	329.2	24.0	A=7.02447, B=1161, C=224
Hexano (C₆H₁₄)	68.7	341.85	17.0	A=6.8763, B=1171.53, C=224.0
Cloroformo (CHCl₃)	61.2	334.35	21.0	A=6.95464, B=1170.966, C=226.232
Metanol (CH₃OH)	64.7	337.85	12.3	A=8.08097, B=1582.271, C=239.726
Agua destilada (a 0.5 atm)	81.3	354.45	1.27	—

Las constantes Antoine son específicas para cada sustancia y se utilizan en la ecuación de Antoine para calcular la presión de vapor o el punto de ebullición a diferentes presiones.

Fórmulas para el cálculo del punto de ebullición

El punto de ebullición de un líquido es la temperatura a la cual su presión de vapor iguala la presión externa. Existen varias fórmulas y métodos para calcularlo, dependiendo de las condiciones y la información disponible.

Ecuación de Antoine

La ecuación de Antoine es una de las más utilizadas para estimar la presión de vapor en función de la temperatura, o viceversa, y se expresa como:

T = B / (A – log10(P)) – C

donde:

T: temperatura en °C
P: presión de vapor en mmHg
A, B, C: constantes específicas para cada sustancia

Alternativamente, para calcular la presión de vapor a una temperatura dada:

log10(P) = A – (B / (T + C))

Las constantes A, B y C se obtienen experimentalmente y varían según el rango de temperatura.

Ecuación de Clausius-Clapeyron

Para cambios de presión y temperatura, la ecuación de Clausius-Clapeyron relaciona la presión de vapor con la temperatura, útil para estimar el punto de ebullición a presiones distintas de 1 atm:

ln(P2/P1) = – (ΔHvap / R) * (1/T2 – 1/T1)

donde:

P₁: presión de referencia (Pa o atm)
P₂: presión objetivo
T₁: temperatura de referencia (K)
T₂: temperatura objetivo (K)
ΔH_vap: entalpía molar de vaporización (J/mol)
R: constante universal de gases = 8.314 J/mol·K

Esta fórmula permite calcular el punto de ebullición a diferentes presiones, especialmente útil en procesos de destilación y vacío.

Regla de Trouton

Para estimar la entalpía de vaporización a partir del punto de ebullición, la regla de Trouton establece que la entropía de vaporización es aproximadamente constante para líquidos no asociados:

ΔSvap ≈ ΔHvap / Tb ≈ 85 – 88 J/mol·K

Donde T_b es el punto de ebullición en Kelvin. Esta regla es útil para estimar ΔH_vap si se conoce el punto de ebullición, o viceversa.

Ecuación de Watson

Para estimar la entalpía de vaporización a temperaturas distintas del punto de ebullición:

ΔHvap(T) = ΔHvap(Tb) * ((1 – T/Tc) / (1 – Tb/Tc))0.38

donde:

T: temperatura de interés (K)
T_b: punto de ebullición normal (K)
T_c: temperatura crítica (K)
ΔH_vap(T_b): entalpía de vaporización a punto de ebullición (J/mol)

Fórmulas para mezclas y soluciones

El cálculo del punto de ebullición en mezclas es más complejo y depende de la interacción entre componentes. Se utilizan modelos termodinámicos como:

Raoult: para soluciones ideales, la presión de vapor total es la suma ponderada de presiones parciales.
Dalton: para gases ideales, la presión total es la suma de presiones parciales.
Modelo de Margules y Wilson: para soluciones no ideales, corrigen desviaciones de idealidad.

La presión de vapor total en una mezcla ideal se calcula como:

Ptotal = Σ xi * Pisat

donde:

x_i: fracción molar del componente i en la fase líquida
P_i^sat: presión de vapor del componente i a la temperatura dada

El punto de ebullición de la mezcla se determina cuando P_total iguala la presión externa.

Ejemplos prácticos del cálculo del punto de ebullición

Ejemplo 1: Cálculo del punto de ebullición del agua a presión reducida

Se desea calcular el punto de ebullición del agua a una presión de 0.5 atm (50.66 kPa). Se conoce que el punto de ebullición normal es 100 °C a 1 atm.

Datos:

P₁ = 1 atm = 101.325 kPa
T₁ = 373.15 K (100 °C)
P₂ = 0.5 atm = 50.66 kPa
ΔH_vap = 40.65 kJ/mol = 40650 J/mol
R = 8.314 J/mol·K

Aplicando la ecuación de Clausius-Clapeyron:

ln(P2/P1) = – (ΔHvap / R) * (1/T2 – 1/T1)

Despejamos 1/T₂:

1/T2 = 1/T1 – (R / ΔHvap) * ln(P2/P1)

Calculamos:

ln(0.5) = -0.6931
R / ΔH_vap = 8.314 / 40650 = 0.0002045 K^-1
1/T₁ = 1 / 373.15 = 0.00268 K^-1

Entonces:

1/T2 = 0.00268 – 0.0002045 * (-0.6931) = 0.00268 + 0.0001418 = 0.0028218 K-1

Finalmente:

T2 = 1 / 0.0028218 = 354.2 K = 81.05 °C

Por lo tanto, el punto de ebullición del agua a 0.5 atm es aproximadamente 81.05 °C.

Ejemplo 2: Estimación del punto de ebullición de una mezcla binaria de etanol y agua

Se tiene una mezcla con 40% molar de etanol y 60% molar de agua a presión atmosférica (1 atm). Se desea estimar el punto de ebullición aproximado de la mezcla.

Datos:

x_etanol = 0.4
x_agua = 0.6
P = 760 mmHg (1 atm)
Constantes Antoine:

Etanol: A=8.20417, B=1642.89, C=230.3
Agua: A=8.07131, B=1730.63, C=233.426

Se busca la temperatura T tal que:

P = xetanol * Petanolsat(T) + xagua * Paguasat(T)

Donde:

Pisat(T) = 10A – B / (T + C)

Se realiza un cálculo iterativo para encontrar T que cumpla la igualdad.

Intentamos T = 85 °C:

P_etanol^sat = 10^{8.20417 – 1642.89 / (85 + 230.3)} = 10^{8.20417 – 1642.89 / 315.3} = 10^{8.20417 – 5.211} = 10^2.993 ≈ 983 mmHg
P_agua^sat = 10^{8.07131 – 1730.63 / (85 + 233.426)} = 10^{8.07131 – 1730.63 / 318.4} = 10^{8.07131 – 5.435} = 10^2.636 ≈ 433 mmHg
P total = 0.4 * 983 + 0.6 * 433 = 393.2 + 259.8 = 653 mmHg < 760 mmHg

Intentamos T = 90 °C:

P_etanol^sat = 10^{8.20417 – 1642.89 / (90 + 230.3)} = 10^{8.20417 – 1642.89 / 320.3} = 10^{8.20417 – 5.13} = 10^3.074 ≈ 1187 mmHg
P_agua^sat = 10^{8.07131 – 1730.63 / (90 + 233.426)} = 10^{8.07131 – 1730.63 / 323.4} = 10^{8.07131 – 5.35} = 10^2.72 ≈ 524 mmHg
P total = 0.4 * 1187 + 0.6 * 524 = 474.8 + 314.4 = 789.2 mmHg > 760 mmHg

Por interpolación lineal:

T = 85 + (90 – 85) * (760 – 653) / (789.2 – 653) = 85 + 5 * 107 / 136.2 ≈ 85 + 3.93 = 88.93 °C

El punto de ebullición estimado de la mezcla es aproximadamente 88.9 °C, menor que el agua pura y mayor que el etanol puro, como se espera en una mezcla.

Aspectos avanzados y consideraciones normativas

El cálculo del punto de ebullición debe considerar normativas y estándares internacionales para garantizar precisión y reproducibilidad. Organismos como ASTM (American Society for Testing and Materials) y la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) establecen métodos y condiciones para la medición y cálculo.

ASTM D1120: método estándar para determinar el punto de ebullición de líquidos mediante destilación.
IUPAC Compendium of Chemical Terminology: define términos y métodos relacionados con propiedades termodinámicas.
ISO 3405: especifica métodos para la determinación del punto de ebullición de líquidos por destilación.

Además, en aplicaciones industriales, el control del punto de ebullición es crítico para procesos de separación, purificación y diseño de equipos, por lo que se emplean simuladores y software especializados que integran modelos termodinámicos avanzados.

Recursos y enlaces externos para profundizar

NIST Chemistry WebBook: base de datos confiable con propiedades termodinámicas y constantes Antoine.
ASTM International: estándares para medición y análisis de propiedades físicas.
IUPAC: definiciones y recomendaciones en química.
ChemEurope – Boiling Point: explicación técnica y ejemplos.

El dominio del cálculo del punto de ebullición es fundamental para ingenieros químicos, químicos analíticos y profesionales en ciencias aplicadas, permitiendo optimizar procesos y garantizar la calidad en la producción y manipulación de sustancias.