ESTADO METAESTABLE

Este experimento fue propuesto por Cristina Martín Pariente (3º ESO A) al mostrar el funcionamiento de unas bolsas calienta manos. Gracias por tener curiosidad, Cristina.

La Metaestabilidad es la propiedad que posee un sistema con varios estados de equilibrio. Este sistema tiene la posibilidad de mostrar, durante un considerable período de tiempo, un estado de equilibrio débilmente estable. Lo curioso de este estado débilmente inestable es que, bajo la acción de perturbaciones externas, puede producirse una evolución temporal hacia un estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la Metaestabilidad es debida a transformaciones de estado que se producen de forma lenta.

El concepto de Metaestabilidad puede hacer referencia a gran variedad de procesos en la naturaleza (biológicos, químicos o físicos). En el último caso, el estado metaestable posee un mínimo de energía local que no será estable bajo ciertas perturbaciones.

Observa el siguiente vídeo:

La primera pregunta sería obvia, ¿qué contiene la bolsa de plástico? Se trata de una disolución de acetato de sodio en agua que se encuentra sobresaturada (disolución en la que se ha disuelto más soluto del que teóricamente es capaz de admitir el disolvente a una temperatura determinada, la ambiente en nuestro caso).

Una primera forma de explicar lo que ocurre se basa en la concentración de la disolución. Al tratarse de una disolución sobresaturada el sistema está en un equilibrio metaestable, es decir, en una situación que se puede alterar muy fácilmente. Cuando sufre la perturbación de la flexión del disco metálico (algo bastante leve), se rompe el estado metaesble y el sistema evoluciona hacia una situación más estable, en este caso, una cristalización. En ese proceso de evolución, la diferencia de energía entre el estado metaestable y el estable se manifiesta en forma de calor.

IZQUIERDA: ESTADO ESTABLE
DERECHA: ESTADO METAESTABLE

Otra forma de explicarlo, es a partir de las propiedades de la mezcla obtenida al preparar la disolución de aceta de sodio y agua. Esa mezcla tiene un punto de fusión es de 58 ºC. Cuando calentamos por encima de esa temperatura se hace líquida. Cuando la temperatura desciende por debajo de la temperatura de transición (cambio de estado) no solidifica, como deberíamos esperar, sino que permanece líquida. Ahora estamos en presencia de lo que se denomina Líquido Sobreenfriado.  Un Líquido Sobreenfriado se encuentra en un estado de equilibrio metaestable, lo que implica que una perturbación puede provocar el cambio de estado. Al flexionar el disco metálico que va en el interior del dispositivo, se produce una sobrepresión sobre una pequeña zona del líquido, lo que provoca que alguna de las moléculas presentes en esa zona se ordenen y aparezca un Núcleo de Cristalización. A partir de él comienza la cristalización. La energía que se desprende es la que corresponde al cambio de estado, que en el caso del acetato de sodio es bastante elevada. Además la mezcla tiene una capacidad calorífica específica alta, lo que hace que se mantenga durante bastante tiempo caliente.

Y ahora una pregunta... ¿tendrá algo que ver el estado metaestable con ese refresco o esa cerveza que misteriosamente se congelan al sacarlos del frigorífico y abrirlos?... En este caso volvemos a estar hablando de sobrefusión (también llamada sobreenfriamiento o subfusión). Hemos conseguido enfriar un líquido por debajo de su temperatura de congelación sin que se transforme en sólido. Cualquier modificación brusca del sistema, como un golpe seco o las burbujas del propio refresco, puede forzar la aparición de una zona de nucleación y a partir de ella producirse la congelación rápida de líquido.