Laboratorio 2 Fisicoquimica II

DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO

INFORME 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II QU-435B

PROFESORES DE LABORATORIO:  

ING. KARIN PAUCAR CUBA ING. TEODARDO CARDENAS MENDOZA

SECCIÓN: “B” “B”

GRUPO DE TRABAJO: INTEGRANTES: ARROYO GUEVARA RAISA  MUÑOZ RODRIGUEZ RICHARD  VARA SANCHEZ FATIMA 

20101398D 20090408I 20101328F

FECHA DE ENTREGA: 18-09-12

LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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INFORME 1

ÍNDICE



OBJETIVOS…………………………………………………………………

3



FUNDAMENTO TEÓRICO……………………………………………

3



PARTE EXPERIMENTAL……………………………………………..

8

Materiales Procedimiento Experimental 

DATOS………………………………………………………………………… 11 Datos Experimentales Datos Bibliográficos



TRATAMIENTOS DE DATOS…………………………………………. 12



DISCUSIÓN DE RESULTADOS ………………………………………. 14



CONCLUSIONES…………………………………………………………… 14



RECOMENDACIONES…………………………………………………… 15



APLICACIONES……………………………………………………………..15



BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………… 17


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INFORME 1

“ DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO”

I. 





II.

OBJETIVOS Aprender a elaborar diagramas de fase un sistema binario partiendo de los termogramas. Analizar y graficar los termogramas tanto de enfriamiento como de calentamiento KCl-H2O. Graficar el diagrama de fases posteriormente reconocer los puntos, líneas y zonas relevantes de dicho diagrama.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Diagramas de fase para sistemas binarios Estos diagramas son sumamente importantes en áreas como la metalurgia o la química-física, por lo cual veremos un par de ejemplos en esta sección. Ya habíamos notado que en sistemas binarios el potencial de Gibbs molar µ es función de T , P y la fracción molar X 1 de uno de los componentes químicos. En el caso de soluciones llamadas regulares existen dos composiciones que lo minimizan a y fijos.

En la figura se muestra un ejemplo típico para el cual se ha fijado la presión y se estudia el equilibrio para varias temperaturas. Eligiendo un valor particular de X 1 se puede tener al sistema en estado líquido o gaseoso con esta composición para temperaturas suficientemente bajas o altas respectivamente. La región termodinámicamente inestable es la sombreada, y los estados representados allí no son de equilibrio. Por ejemplo para la fracción molar elegida, cuando la temperatura es Tb, el sistema se separa en una fase gaseosa con fracción molar X 1(g) y una fase líquida con X1(l) . De esta manera, aunque los puntos comprendidos en el LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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área sombreada no representan ningún estado en particular, se sobreentiende que el sistema en ese caso se separa en las dos fases mencionadas, por lo que suele indicarse a esta región como `líquido-gas'. Si se eleva la temperatura del sistema cuando está totalmente en estado líquido, vemos que para cierto valor de temperatura se intersecta la curva inferior de la región sombreada. Allí comienza a coexistir la fase líquida con una fase gaseosa cuya fracción molar está dada por la abscisa para la cual la curva superior provee ese mismo valor de temperatura. A medida que la temperatura se eleva, la fase líquida recorre las composiciones dadas por la curva inferior y la fase gaseosa los correspondientes en la curva superior. Esto sucede hasta que la temperatura supera el valor de la intersección con la curva superior y el sistema ha pasado completamente al estado gaseoso. Siguiendo un razonamiento análogo al desarrollado para el fluido de Van der Waals puede mostrarse que para determinar la porción de sistema en la fase líquida o gaseosa es válida también aquí la regla de la palanca. Si se modifica la presión el diagrama resultante es similar, y la región sombreada puede desplazarse, en general hacia arriba a medida que aumenta la presión.

En el caso de la coexistencia de fases sólidas y líquidas, los sistemas binarios se representan típicamente mediante un diagrama como el de la figura. Para temperaturas altas, el sistema se halla en estado líquido, pero cuando se reduce la temperatura, puede cristalizar en dos fases sólidas que aquí se han señalado como α y β . En este caso la fase es rica en el elemento 1 y la β es rica en la otra componente. Como en el caso anterior, cuando se cruza una de las curvas el sistema se separa en dos fases, cada una con la fracción molar determinada por las curvas correspondientes. En este diagrama aparece el llamado punto eutéctico, que se ha representado en el estado E. LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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Cuando la fase líquida posee la fracción molar eutéctica, al reducirse la temperatura arribando al estado E puede coexistir la fase líquida con las dos fases sólidas, cuyas cantidades aparecen nuevamente siguiendo la regla de la palanca. Si bien es cierto que la fase líquida tiene la misma composición que la fracción de sistema en estado sólido, es importante notar que hay en realidad una mezcla de dos fases sólidas, cada una con su composición. El adecuado conocimiento de este tipo de diagramas de coexistencia es de fundamental importancia en metalurgia, y en particular en la elaboración de piezas que deben ser resistentes a diversos efectos. Un fenómeno particular ocurre cuando los materiales (metales, cerámicos, etc.) son sometidos a cargas, que se deforman de manera regular, independientemente del tiempo que esté trabajando. A medida que se eleva la temperatura, cargas que no causan deformaciones permanentes pueden ahora provocar que los materiales se aplasten, como si en lugar de un sólido rígido estuviéramos trabajando con un material plástico, provocando deformaciones lentas y continuas que dependen del tiempo que dure el proceso. El nombre de este efecto en inglés es ``creep'', que significa deslizarse o arrastrarse, y no ha sido traducido al castellano en este contexto, por lo que se lo invoca ingeniosamente como creep. Un ejemplo de este fenómeno ocurre con el tungsteno, cuya temperatura de fusión ronda los 3500 K. Respecto de ella, la temperatura ambiente es muy baja, pero el funcionamiento de una lámpara con filamento de tungsteno eleva la temperatura a unos 2000 C: esta temperatura es suficientemente alta como para que comience a notarse el creep, provocándose deformaciones que finalmente hacen que el contacto entre espiras vecinas lleguen a quemar el filamento (vale la pena analizar una lámpara finada para corroborarlo). La mayoría de los metales se funden a temperaturas altas (por encima de 1000 K), y el creep se hace notorio cuando se trabaja a temperaturas medianamente cercanas a las de fusión; por este motivo, este fenómeno resulta poco familiar. Una excepción es el plomo, que se funde a 600 K, de manera que a temperatura ambiente puede observarse el creep, por ejemplo en cañerías de algunas instalaciones sanitarias. Otro ejemplo interesante es el de los glaciares moderados, cuyas temperaturas son próximas a 0oC: el creep se evidencia en el arrastre o deslizamiento rápido que hace que los glaciares se desplacen. Finalmente, conviene citar el caso de los álabes de turbinas, que requieren materiales muy resistentes, en particular resistentes al creep, pues para mejorar la eficiencia de los ciclos termodinámicos involucrados se los hace alcanzar temperaturas que rondan los 1000 C. Para lograr esta característica se recurre a `súper-aleaciones de níquel', cuyos principales componentes son Ni (59%), Co y W (10% cada uno), Cr (9%), Al (5,5%), Ta (2,5%), Ti y Hf (1,5% cada uno) y otros componentes minoritarios (Fe, Mo, C, etc.). Al solidificarse este material, se forman precipitados de Ni3Al, Ni3Ti, MoC y TaC que obstruyen posibles dislocaciones: si bien el punto de fusión de esta mezcla es 1280o C y las turbinas operan alcanzando LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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850o C, se ha logrado un notable éxito al eludir eficientemente las deformaciones permanentes asociadas con el creep.

EQUILIBRIO SOLIDO – LIQUIDO EN SISTEMAS DE DOS COMPONENTES El efecto de la presión sobre los sólidos y los líquidos es pequeño, y a menos que se esté interesado en fenómenos que ocurran a presiones elevadas, se mantiene P constante a 1 atm y se estudia el diagrama de fases sólido-líquido T vs X A 

Para un sistema de dos componentes, los grados de libertad son:

 Es decir si el sistema consta de una fase, hace falta 3 variables para describirlo o solo se tiene que variar 3 condiciones para alcanzar una condición de equilibrio. En este caso hemos trabajado a una presión constante, por lo que solo se tendrá que especificar dos condiciones más para poder explicar el sistema; estas serán las concentraciones de dos componentes.

MISCIBILIDAD EN FASE LIQUIDA E INMISCIBILIDAD EN FASE SOLIDA Cuando un sistema se enfría sin que se produzca ninguna transformación, la curva de enfriamiento muestra como la temperatura cae prácticamente con velocidad constante. La aparición de cristales en el paso de una modificación cristalina a otra, se acompaña de un desprendimiento de calor, a consecuencia de lo cual, la caída de temperatura se hace más lenta o se corta temporalmente 

Por lo tanto cualquier inflexión en la curva de enfriamiento indica el comienzo de cierta transformación Sean A y B dos sustancias miscibles en todas proporciones en la fase líquida y completamente inmiscibles en fase sólida. La mezcla de cantidades arbitrarias de los líquidos A y B origina un sistema monofásico que es una disolución de A y B. Como los sólidos A y B son completamente insolubles entre sí, el enfriamiento de la disolución líquida de A y B ocasiona que A o B se congelen, abandonando la disolución. LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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Una forma común de este tipo de diagramas es, donde TA* y TB* son los puntos de congelación de A puro y B puro, el siguiente En el límite de baja temperatura, existe una mezcla bifásica del sólido puro A y el sólido puro B, ya que los sólidos son inmiscibles. En el límite de temperatura elevada existe una única fase formada por la disolución líquida de A y B, ya que los líquidos son miscibles. Viendo el enfriamiento de una disolución de A y B cuya concentración X’A sea cercana a 1 (lado derecho del diagrama). Se alcanza una temperatura a la que el disolvente A comienza a congelarse, originando una región de dos fases con A sólido en equilibrio con una disolución líquida de A y B. La curva DE da el descenso del punto de congelación de A por la presencia del soluto B. Similarmente, si se enfría una disolución líquida con X’ B cercano a 1 (lado izquierdo del diagrama) provocará que la sustancia B pura se congele, por lo que CFGE es la curva de descenso del punto de congelación de B por el soluto A. Si se enfría una muestra bifásica formada por la disolución y cualquiera de los sólidos, la disolución se congelará completamente originando una mezcla de sólido A y sólido B. Las dos curvas del punto de congelación se interceptan en el punto E. Para una disolución con X’A a la izquierda de E, se congelará el sólido B cuando T disminuye; si X’A está a la derecha de E, será el sólido A el que se congele. El punto E es el punto eutéctico (“que funde con facilidad”). Para los valores T y X’A correspondientes al punto E, los potenciales químicos de A y B en la disolución son iguales a los de A y B puros, y tanto A como B se congelan cuando se enfría una disolución con la composición eutéctica X A’’’. Para conseguir una idea aproximada de la forma de las curvas DE y CE, se desprecia la dependencia de la temperatura de ΔH fus, A y ΔHfus, B. Las ecuaciones que incluyen aproximaciones para las curvas DE y CE, son:


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III.

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PARTE EXPERIMENTAL

Materiales y reactivos: KCl Agua destilada Etanol al 50% V/V Hielo Sal común (NaCl) 1 vial de vidrio incoloro de 10ml y con tapón de jebe 1 probeta de 10ml 1 termómetro de -15 a 100oC 2 vasos de precipitado de 50ml 1 bagueta de 15cm 1 vaso de polietileno de 1L 1 caja de tecknopor 1 punzón 50cm de hilo grueso 1 tubo de vidrio de 30x100mm con tapon perforado Pinza, nuez y soporte (para el tubo) 1 cronómetro

Procedimiento Experimental: Montaje del equipo para el registro de la temperatura: 1. Perforar el tapón de jebe del vial con el punzón e introducir luego el termómetro hasta la altura tal que el bulbo quede aproximadamente a 5mm del fondo del vial. 2. Preparar la solución de KCl con agua destilada en la cantidad y concentración indicada por el jefe de Practica (como en la tabla de la guía) 3. Verter la solución en el vial limpio y seco. Tapar. El bulbo del termómetro debe quedar totalmente sumergido en la solución sin tocar el fondo del vial. Con un trozo de hilo asegurar el tapón al cuello del vial como se muestra en la figura 1.


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Montaje del sistema de enfriamiento: 4. Mezclar el hielo con sal común en una proporción de 3 a 1 y colocar la mezcla en un vaso de polietileno. 5. Envolver el vaso de polietileno con papel y colocarlo en una caja de tecknopor. Rellenar todo el espacio con papel arrugado u otro material aislante. 6. Verter 30ml de etanol al 50% V/V en un vaso de precipitado de 50ml y ponerlo en el baño de hielo. El sistema de enfriamiento quedara tal como se muestra en la figura 2.

Obtención del termograma de enfriamiento: 7. Sumergir el vial en el baño de etanol frio. La solución salina debe quedar totalmente sumergida en el etanol. El cuello y tapón del vial deben quedar por encima de la superficie del etanol como se muestra en la figura 2. 8. Registrar el descenso de la temperatura cada 20 segundos. Observar y anotar en qué momento se producen los siguientes cambios de fase: aparición del primer cristal, desaparición de la última gota. Cada 10 minutos agitar suavemente el baño de etanol con una bagueta y mover circularmente el vial sin sacarlo del baño. Continuar el registro hasta alcanzar la temperatura de -15oC.


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Obtención del termograma de calentamiento 9. Retirar el vial del baño frio y ponerlo a temperatura ambiente dentro de un tubo grueso, hacer el ajuste con ayuda del tapón de jebe circular, como se muestra en la figura 3. Registrar el ascenso de la temperatura cada 20 segundos. Observar y anotar en qué momento se producen los siguientes cambios de fase: aparición de la primera gota, desaparición del último cristal. Continuar el registro hasta alcanzar la temperatura ambiente. 10. Si a temperatura ambiente no ha desaparecido toda la fase sólida, sumergir el vial en un termostato regulado a 30 oC y continuar el registro hasta que solo se observe una fase liquida.


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IV.

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DATOS 1. Datos Experimentales: t (min) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

T (°C)

t (min)

T (°C)

t (min)

T (°C)

21 16 -2.5 31 17 32 19.5 -3.5 18 33 17 -4 15 19 -5 34 20 35 13 -6 21 36 11 -6.5 22 37 9.5 -7 23 38 7 -7.5 24 39 6 -8 4.5 25 -8.5 40 26 41 3 -9 27 42 1.5 -9.5 0.5 28 -10 43 29 44 -0.5 -10.5 30 45 -1.5 -11 Tabla 4.1.1 Datos para curva de enfriamiento t (min)

T (°C)

0

-15

1

-10

2

-7

3

-6.5

4

-6

5

-5.5

6

-5

7

-4.7

8

-4.5

9

-4

10

-3.5

-11.1 -11.2 -11.8 -12 -12 -12.5 -12.5 -13 -13 -13.5 -13.5 -14 -14 -14.2 -14.5

Tabla 4.1.2 Datos para curva de calentamiento I 7.63

II 11.6

III 25

%KCl t desaparición de -1 -3.5 -24.5 cristales t solidificación total -11 -11 -11 Tabla 4.1.3 Datos para el diagrama de fases binario LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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2. Datos Bibliográficos: MKCl = 74,5 g/mol MH2O = 18g/mol Temperatura eutéctica del sistema KCl – H2O: -10,7 ºC.

V.

[cit. 3] [cit. 3] [cit. 4]

TRATAMIENTO DE DATOS Y RESULTADOS 

Procederemos hacer la curva de enfriamiento a partir de los datos de la Tabla 4.1.1.

25 20 15 10 5 0 0

10

20

30

40

50

-5 -10 -15 -20

Figura 1. Curva de enfriamiento del KCl (ac) 

Se observa que la curva es constante en -11 °C por lo que sería el primer resultado de la temperatura eutéctica.


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

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Procedemos hacer el gráfico de la curva de calentamiento tomando los datos de la tabla 4.1.2.

0 -2

0

2

4

6

8

10

12

-4 -6 -8 -10 -12 -14 -16

Figura 2. Curva de calentamiento del KCl (ac) 

Es constante en -5 °C por lo que sería el segundo resultado de la temperatura eutéctica. 40

y = 3.1667x - 54.667 30

C 20 º ( A R 10 U T A R E 0 P M E T -10

0

5

10

15

20

25

30

y = -0.6297x + 3.8048

-20

-30

%KCl – H 2O Figura 2. Gráfico sistema binario KCl - H 2o


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Igualamos las ecuaciones para conseguir el punto de intersección:

 X=15.4% o

Reemplazando este resultado en cualquiera de la ecuación hallamos la temperatura eutéctica.

TEUTÉCTICA = -5,89 °C

VI. o

DISCUSIÓN DE RESULTADOS La temperatura eutéctica teórica del sistema del experimento es -10,7 ºC. Calculando el error porcentual respecto a los datos de la Tabla 4:

 ()  |  |     ()  |  |      (   )  |  |     o

o

Notamos que al calcular el error en los tres procesos en el enfriamiento se obtuvo un menor error, es debido a que en este proceso hay más control sobre los datos ya que los cambios no son tan rápidos. Al no contar con muchos datos para los diagramas de calentamiento y binario el error se hará más grande respecto al del diagrama de enfriamiento el cual si tiene más datos.

VII.

CONCLUSIONES



Experimentalmente se demuestra que en el diagrama de fases del sistema KCl – H2O la temperatura disminuye a medida que aumenta la concentración hasta la temperatura eutéctica partir de este punto la temperatura aumentara a medida que aumente la concentración.



Podemos concluir que la temperatura eutéctica es fija para un sistema binario el cual queda evidenciado con el hecho de que existe una temperatura que es la eutéctica en la cual actúan las diferentes fases del sistema.



Se confirmó que la temperatura eutéctica a la cual ambas sustancias del sistema se solidifican es menor que la de ambas sustancias en su estado puro.


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

En la gráfica de enfriamiento notamos una pequeña baja de disminución y luego vuelve a aumentar para quedarse constante esto es debido a que existe un calor latente de transformación y se concluye que cada vez que haya una inflexión en la curva es porque hay un evento de transformación.



Se concluye también que el punto eutéctico es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del s olvente y soluto.



Se concluye que la temperatura del punto eutéctico para esta solución está por debajo de los 00c. esto debido a que la adición de cloruro de sodio en el agua hace que la temperatura de solidificación disminuya.

VIII. RECOMENDACIONES Hay que tener sumo cuidado al momento del uso de los materiales, mencionando con mayor énfasis “el termómetro” ya que si éste lo juntamos directamente con el hielo se rompe y el mercurio se derrama. Se debe tapar bien el sistema al momento de hacer el sistema de enfriamiento para obtener las temperaturas adecuadas y así disminuir el error en los resultados. Al momento que medimos las temperaturas en el sistema de enfriamiento debemos de llegar a una temperatura de -15oC o temperatura bien cercana a ella para obtener óptimos resultados. Si se quiere que el sistema baje más de temperatura para tabular temperaturas más bajas se debe agregar más sal al hielo para que absorba calor y el termómetro llegue a temperaturas lo suficientemente bajas.

IX.

APLICACIONES UN SISTEMA DE ALEACIÓN ISOMORFA BINARIA Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada elemento metálico de una aleación se considera como un componente. El cobre puro es un sistema de un solo componente mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos componentes. En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido. En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les denomina sistemas isomorfos.


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EJEMPLO DE UN SISTEMA ISOMORFO DE ALEACIÓN BINARIA Y COMENTARIO DE SU DIAGRAMA DE FASE. Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria es el sistema cobre-níquel. El cobre y el níquel tienen solubilidad total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura 2.3 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se representa la composición química de la aleación en tanto por ciento en peso en abscisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea superior del diagrama, línea de líquidos, corresponde a la región en la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la línea inferior, línea sólidos, representa la región de estabilidad para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de cada fase presente depende de la temperatura y la composición química de la aleación.

Diagrama de fases del cobre-níquel

Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones totalmente en fase sólida, en fase sólida + líquida y en fase totalmente líquida según la proporción de sus componentes. De la misma manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida. LABORATORIO DE FISICOQUÍMICA II

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X.

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BIBLIOGRAFÍA http://www.famaf.unc.edu.ar/~gcas/termo1/clases/node67.html www.xtec.cat/~maleman1/uned/unedcurset22.html Enciclopedia Encarta 2009 Biblioteca Premium / Tabla periódica. Ira N. Levine. “Fisicoquímica”. Editorial: Mc Graw Hill, quinta edición, Volumen 1, Madrid, 2004, Paginas: 457 – 458 – 459 – 465.


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