DIAGRAMA DE FASES 1. INTRODUCCIÓN. Los diagramas de fase son sumamente importantes en áreas como la metalurgia o la química-física, porque agrupan gran cantidad de información sobre el comportamiento de las aleaciones a diferentes condiciones, una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más metales, se hace para conseguir características muy difíciles de hallar en los metales puros, o de uno un o o más metales con algunos elementos no metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan. Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los elementos que se encuentran en menor proporción serán componentes secundarios o componentes traza.
2. OBJETIVOS. 2.1 Objetivo General.
Determinar el punto de solidificación de diferentes composiciones de mezclas y determinar el punto Eutéctico de la mezcla mediante el diagrama de fases.
2.2 Objetivo Específico.
Conocer cómo construir un diagrama de fases Encontrar el punto eutéctico. Construir la curva de sólido y líquido.
3. MARCO TEÓRICO Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a –a varias temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que están presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Parte de la información que se puede obtener a partir de de ellos es la siguiente:
Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas. Solubilidad de un elemento o compuesto en otro. Temperatura a la cual cual una aleación que se deja enfriar empieza a solidificar solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificación.
Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.
La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida, líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión pres ión y temperatura. En el diagrama se observa ob serva un punto triple a baja presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación. Estas líneas so n líneas de equilibrio entre las dos fases. A presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua pasa de la fase fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si continúa aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la temperatura de vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para varias presiones con la línea de solidificación y vaporización respectivamente.
Figura 2.1 Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura
La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del hierro puro. El hierro tiene a diferencia del agua a gua tres fases sólidas separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y
(3)
vapor,
Fe
γ
y
Fe
α.
Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. 1.539° C. Si continua el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A 910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta llegar a temperatura ambiente.
Figura 2.2 Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro. A lea leaci ci ones met metál álii cas .
Los metales se caracterizan, en general, por tener una elevada conductividad (eléctrica y térmica), resistencia mecánica, por ser opacos, fundir a temperaturas elevadas, etc. Estas y otras propiedades hacen de los metales los materiales más comúnmente utilizados en la industria. No obstante, pocas veces se utilizan los
metales en estado puro, normalmente se mezclan con otros metales o elementos no
metálicos
formando
aleaciones.
Las aplicaciones técnicas de los metales exigen frec uentemente que se les otorguen unas propiedades diferentes de las originarias. A veces se desea obtener una dureza y una resistencia mecánica mayor; otras veces, una mayor plasticidad que facilite la conformación; algunas veces se desea una mayor resistencia a la corrosión, etc. La formación de aleaciones permite modificar las propiedades de los metales: la resistencia mecánica de los metales mejora cuando son aleados. Una aleación metálica es un producto obtenido a partir de la unión de dos o más elementos químicos (como mínimo uno de los dos debe ser un metal) y que, una vez
formado,
presenta
las
características
propias
de
un
metal.
La fabricación de aleaciones puede llegar a ser un proceso complejo dependiendo del número de constituyentes de la aleación que deban de añadirse al metal base (componente mayoritario) y de su proporción. Para conocer el comportamiento de la mezcla de acuerdo con las proporciones de los constituyentes de la aleación presentes, se utilizan los diagramas de equilibrio o diagramas de fase. Cuando se estudian aleaciones binarias (mezcla de dos metales) se construyen diagramas temperatura-composición
en
los
que
la
presión
se
mantiene
constante,
normalmente a 1 atm. En dichos diagramas se representa la temperatura en el eje de ordenadas y la composición de la aleación, en tanto por ciento, en el de abscisas. La constitución de una aleación a una determinada temperatura queda determinada por las fases presentes, la fracción en peso de cada una de ellas y por su composición. La estructura de la aleación se describe por el tamaño y forma de las fases presentes.
4. MATERIALES. Cantidad por grupo Item
Descripción
cantidad unidad
Cantidad por grupos #de grupos
total
MATERIALES 1 Baño Maria
1
pieza
1
1
2 Vasos de precipitado precipitado
2
pieza
1
2
3 Tubos de ensayo
1
pieza
2
2
4 Varillas
1
pieza
2
2
5 Espátula
1
pieza
3
3
6 Vidrio de reloj
1
pieza
1
1
7 Termómetro Termómetro
2
pieza
3
6
8 Gradilla
1
pieza
3
3
9 Pinza para tubo de ensayo
1
pieza
3
3
1
pieza
2
2
1 Naftaleno
5
gramos
4
20
2 Alcanfor
5
gramos
4
20
1 balanza
1
pieza
2
2
1 hornilla
1
pieza
2
2
10 Cola de zorro
REACTIVOS
EQUIPOS
5. PROCEDIMIENTO.
Proceder colocando la mezcla pesada de acuerdo a las cantidades definidas de la tabla en 5 tubos de ensayo donde la composición que contiene es diferente de cada uno de ellos. Se toma el primer tubo de ensayo con ayuda de las pinzas y se empieza a calentar en un baño maría como se muestra en la figura.
Cuando la mezcla solida ingresa ingresa en fusión se se agita con la la varilla. varilla. Se introduce el termómetro y se deja enfriar lentamente hasta que aparezca los primeros cristales a una temperatura constante que corresponde a la fusión de la mezcla. Se repite el procedimiento con los cinco tubos de muestras diferentes y se determinan los puntos de fusión.
6. RESULTADOS Y OBSERVACIONES. OBSERVACIONES . N° Tubo
Masa en (g) Naftaleno
Masa en (g) Alcanfor
Temperatura De Fusión (°C)
1
0,0
2,0
183
2
0,5
1,5
40
3
1,0
1,0
42
4
1,5
0,5
60
5
2,0
0,0
80
1
0
100
183
2
25
75
40
3
50
50
42
4
75
25
60
5
100
0
80
N° Tubo
Temperatura De Fusión (°C)
Punto Eutéctico Temperatura Eutéctica ≈31 °C Composición ≈0,33(Naftaleno)+0,67(Alcanfor) Composición ≈0,66g(Naftaleno)+1,31g(Alcanfor)
En este experimento no se pudo observar el punto de fusión del tubo de ensayo 1 ya que teóricamente es 183°C. La razón de no llegar a esa temperatura es porque utilizamos utilizamos agua para calentar las muestras, ya que el punto de ebullición del agua es de 91°C aproximadamente en Cochabamba sería imposible llegar a 183°C. Se observa cuando se empieza a cristalizar la muestra su temperatura permanece constante. El tubo de ensayo que alcanzó su punto de fusión más rápido fue del tubo 5, seguido del tubo 4, tubo3 y tubo 2.
7. CONCLUSIONES.
El diagrama de fases muestra los estados estables, estables, es decir los estados que que en unas condiciones dadas poseen p oseen el mínimo de energía libre. De acuerdo acuer do a esto los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refieren a las condiciones de equilibrio.
El diagrama de fase fase representa un caso teórico y en la práctica se utiliza para estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades de calentamiento o enfriamiento.
Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión se consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la composición son variables.
8. CUESTIONARIO. a) Defina: diagrama de fases de un componente, de dos componentes, y su representación gráfica.
Diagrama de fases de un componente: Es una representación gráfica de composición vs temperatura donde podemos conocer en qué estado se encuentra el componente.
Diagrama de fases de 2 componentes: Es la representación gráfica de composición vs temperatura donde podemos conocer en qué estado se encuentran cada componente de una mezcla binaria, a una temperatura dada y a distintas composiciones.
Diagrama de fases para 3 componentes: compon entes: Es un diagrama baricéntrico que se emplea para representar 3 variables que suman su valor constante dado.
b) En que consiste la regla de fases de Gibbs. Describe el número de grados de libertad o número de variables intensivas como pueden ser la temperatura y la presión (F) en un sistema cerrado en equilibrio en términos del número de fases separadas(P) y el número de componentes químicos (C) del sistema. Esta regla establece la relación entre esos 3 números enteros dada por: F= C-P+2. La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un sistema y requiere: 1. Equilibrio homogéneo en cada fase 2. Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes coexistentes Además nos da información con respecto a la velocidad de reacción. Es importante observar que en la regla de las fases de Gibbs se supone que hay equilibrio termodinámico y las condiciones de equilibrio durante el procesamiento de los materiales no se mantiene.La condición termodinámica importante es que en equilibrio e l cambio de la energía de Gibbs cuando se producen pequeñas transferencias de masa entre las fases es cero. Esta condición equivale a que el potencial químico de cada componente sea el mismo en todas las fases, esto impone r=C(P-1) restricciones o ecuaciones más para un sistema en equilibrio.
c) Se tienen los siguientes datos para el sistema si stema odinitrobenceno y p-dinitrobenceno: % mol del compuesto para
Punto inicial de fusión en ºC
100
173.5
90
167.7
80
161.2
70
154.5
60
146.1
50
136.6
40
125.2
30
111.7
20
104.0
10
110.6
0
116.9
Construir el diagrama de temperatura-composición del sistema en una planilla Excel mostrando la tendencia de la curva, y determinar de ahí la temperatura eutéctica y composición.
Punto Eutéctico Temperatura Eutéctica ≈104 °C Composición ≈20% d) Usando la gráfica del problema anterior, hallar el porcentaje máximo de p-dinitrobenceno puro que se obtendrá por cristalización de las mezcla de los dos compuestos que contenían originalmente 95%, 75% y 45% del compuesto para. Resp. 98,4% para el primero
