¿Cuando una sustancia es pura? // Propiedades en sus cambios de fase - Relación con la industria alimenticia

Es importante el estudio de las propiedades de las sustancias puras, ya que las sustancias puras cambian de fase alterando sus propiedades físicas y estados en los que se pueden presentar, también es importante el análisis físico realizado a los procesos en los que se cambia de fase para estas sustancias puras. Uno de los análisis de gran relevancia son los realizados a los diagramas de presión - volumen - temperatura.

En el mundo moderno se tiene una gran aplicación y uso de determinados componentes como el gas utilizado en los aires acondicionados, refrigeradores, cuyo propósito es el de funcionar como un enfriador en los procesos de conservación de algunos cuerpos de masa, estos gases pueden entrar en la categorización de sustancias puras, por lo que su estudio es de principal importancia, y que con la ayuda que nos brinda la termodinámica hemos adoptado procesos optimizados para el uso de estas sustancias puras.

Sustancia pura

Para llegar a catalogar a un elemento como sustancia pura, está tiene que cumplir con una composición química fija, son sustancias puras el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono. Quizás muchos de nosotros queridos steemians y amantes de la termodinámica y las ciencias puras pensemos que una sustancia pura solo tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico, y esto es totalmente erróneo, ya que una mezcla de varios elementos químicos o compuestos químicos también puede ser una sustancia pura, el único requisito que tiene que cumplir para ser una sustancia pura es que la mezcla resultante tiene que ser homogénea. Un ejemplo claro de sustancia pura que es una mezcla de varios compuestos, pero que se considera sustancia pura es el aire, el aire tiene una composición química uniforme, sin embargo una mezcla que no podemos considerar una sustancia pura es por ejemplo una mezcla de agua y aceite, ya que esta mezcla hace de que el agua no sea soluble en el aceite, lo que hace que sea una mezcla no homogénea por lo tanto no se considera una sustancia pura.

Fuente de imagen. Autor: Markus Schweiss. Licenciamiento: Documentación Libre de GNU

Descripción de la imagen: El agua y el vapor de agua son dos fases de una misma sustancia química: se diferencian en su estado de agregación (líquido y gas respectivamente).

La conclusión del caso para las sustancias puras, es que estas pueden presentar mezclas con distintos elementos o compuestos químicos, y por esta condición no dejan de ser sustancias puras, la única condición indispensable es que sea mezclas homogéneas. Sin embargo ya bajo este punto nos preguntamos lo siguiente:

¿Si existiera una sustancia formada por un solo elemento o compuesto químico, y que estuviera conformada por dos o más fases, se consideraría una sustancia pura?

La respuesta es sí, es decir una mezcla de dos o más fases se consideran una sustancia pura siempre y cuando la composición química de las fases sea la misma. Para esta situación voy a describir varios ejemplos para que podamos describir si las siguientes mezclas son sustancias puras.

En el caso del agua, a pesar de que se muestra una mezcla de dos fases, estas dos fases presentan una misma composición química, es decir a pesar de que existe cambios en propiedades como presión, volumen y temperatura para que se pueda dar estos dos estados del agua no cambian sus composiciones químicas, por lo tanto esta mezcla de agua líquida y vapor es una sustancia pura.

En este caso los estados: líquido y gas del aire presentan distinta composición química, por lo que podemos concluir que esta mezcla a pesar de ser el mismo componente (aire) son distintas las composiciones químicas de las dos fases.

Fases de una sustancia pura

Muchos de nosotros hemos visto que en la naturaleza se presentan algunos compuestos en diferentes fases, algunos de estos elementos conservan sus propiedades químicas, mientras que en otros se ven alterados. Tal es el caso de los dos ejemplos que explique anteriormente, donde el agua se presenta en estado líquido y en forma de vapor, sin que se altere la composición química del agua, mientras que en el otro ejemplo se puede visualizar que el aire no conserva la misma composición química en estado líquido y gaseoso.

No solamente se tienen los ejemplos antes citados, también podemos encontrar a temperatura y presión ambiental en estado sólido al cobre, al mercurio en estado líquido y el nitrógeno en estado gaseoso. Sin embargo estos tres compuestos se podrían presentar en fases distintas si se varía las condiciones de presión y temperatura. Una sustancia puede tener varias fases dentro de una fase principal, por ejemplo en el caso del agua, está estando en estado líquido se pueden encontrar pequeñas fase de gas, pudiendo ocurrir en viceversa, es decir estando en estado gaseoso se pueden encontrar pequeñas fases de líquido. Otros casos son los siguientes: el carbono existe como grafito o diamante en estado sólido, el helio tiene dos fases líquidas, y el hierro tres fases sólidas.

Fuente de imagen. Autor: Diana reyes ayala. Licenciamiento: Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0

Descripción de la imagen: Mezcla heterogénea donde se distinguen dos fases.

La conclusión para este caso de cambios de fase es que existen elementos y compuestos que no paran de cambiar sus estados de fase mientras se les varíe su entorno ambiental en consecuencia de presión y temperatura. Por ejemplo el helio sometido a presiones altas puede existir en siete estados diferentes.

Una fase tiene una configuración molecular distinta, donde es homogénea en todas sus partes, separándose de las demás fases por superficies frontera de fácil identificación.

Conclusiones

El poder estudiar los distintos comportamientos de la materia es de vital importancia en la actualidad, yo como futuro ingeniero de alimentos necesito saber evaluar los distintos estados de ciertas sustancias puras para el correcto procesamiento de ciertos alimentos que se presentan en la industria alimenticia en estados sólidos, líquidos y gaseosos.

Muchos alimentos necesitan ser presurizados y ser sometidos a diversos cambios de temperatura, con el único objetivo de obligarlos a cambiar su estado físico, y en muchos de los casos su composición química, todo esto con la intención de buscar las condiciones idóneas de preservarlos por mucho más tiempo.

Son características fundamentales para nuestro entender en el perfil de ingenieros de alimentos el poder comprender los cambios físicos y químicos de las sustancias puras más elementales con las que comúnmente se trabaja en las industrias alimenticias, es por ello que quise presentar este artículo resaltando brevemente algunas consideraciones teóricas acerca de cómo poder identificar una sustancia pura de otra que no lo es, con el objetivo primordial de que una vez identificado la sustancia pura, este tendrá un tratamiento distinto a la que no lo es. También es importante recalcar la importancia de poder conocer todos los implementos para poder evaluar las presiones y temperaturas a las que se tienen que estar cambiando ciertas sustancias para alcanzar el estado deseado. Tal es el caso en las industrias lácteas, una vez obtenida la leche vacuna en estado líquido es necesario un conjunto de operaciones estandarizadas de presión y temperatura para llegar a procesar la leche hasta alcanzar su estado sólido (conocida comúnmente como leche en polvo).

Espero que este artículo tenga la utilidad necesaria para todos aquellos amigos steemians apasionados con la ciencia, la ingeniería y las aplicaciones técnicas.

Referencia consultada

Libro de termodinámica. Autor: Yunus A Cengel. Michael A. Boles. 7ma edición. Editorial Mc Graw Hill. México 2011.

Saludos. Atte. @emynb