INTRODUCCION

En circunstancias reales, los materiales en estado solidos existen en diferentes formas o fases. El número de tales fases puede ser grande incluso para sustancias puras, por ejemplo el hielo puede existir en varias fases sólidas y un metal tan importante como el hierro presenta hasta cuatro fases sólidas. En los sistemas que presentan más de una especie química el número de fases puede igualmente ser grande.

Es también frecuente, aun en sistemas comerciales importantes, la disponibilidad de datos que cubren solo una parte de los sistemas. En vista del hecho que las propiedades de los materiales dependan significativamente de la naturaleza, numero, cantidad y forma de las posibles fases que se presentan y pueden cambiarse por alteraciones en dichas cantidades, es vital, en el uso de materiales, conocer la condiciones bajo las cuales cualquier sistema dado puede existir en sus varias formas posibles.

A través de los años se acumulado gran cantidad de información de un gran número de sistemas; para registrar tal enorme cantidad de datos se acostumbra graficar el número y composición (e indirectamente las cantidades) de fases presentes como función de la temperatura, la presión y sobre todo la composición. Estas graficas se llaman diagramas de fases, diagramas de constitución o diagramas de equilibrio, en donde se muestran la mayoría de las fases estables que se encuentran bajo condiciones de equilibrio.

RESUMEN

La práctica de laboratorio tiene como objetivo determinar experimentalmente el comportamiento del diagrama de fases y la curva de enfriamiento de una mezcla binaria cuyos componentes no se combinan químicamente, no son miscibles en estado sólido, pero son solubles al estado líquido.

Las condiciones de trabajo son las siguientes: 98% de humedad relativa, 24°c de temperatura y 756mmHg

de presión.

Inicialmente, se toma la temperatura de cristalización de 8 muestras, formadas por mezclas de diversa

composición en naftaleno y p-diclorobenceno (dicho evento se manifiesta con la aparición de partículas

escarchadas en las paredes del tubo de ensayo).

En base a estos datos se realiza el diagrama de fasespara el sistema (Temperatura vs. fracción molar del

naftaleno), el cual permitirá la ubicación del punto eutéctico. El siguiente interés es captar el comportamiento

de la curva de enfriamiento en 2 muestras diferentes (para el caso, se escogen los tubos 1 y 2), para lo cual se

toma nota de la temperatura por cada intervalo de 15 segundos, teniendo mayor interés en aquellos valores

más próximos al punto de cristalización. Con estos datos se grafican las curvas respectivas. Posteriormente, se

calcula el calor latente de fusión para cada muestra constituida por uno de los componentes puros.

luego de la experiencia se con clu

PRINCIPIOS TEORICOS

1.- REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

Los llamados “Diagramas de Fase” representan esencialmente una expresión gráfica de la “Regla de las Fases”, la

cual permite calcular el número de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresión

matemática está dada por:

P + F= C + 2

Dónde:

C = número de componentes del sistema

P = número de fases presentes en el equilibrio

F = número de grados de libertad del sistema (variables: presión, temperatura, composición)

En los casos experimentales que nosotros trataremos, el efecto de la variación de la presión es despreciable, así

establecemos que: P = 1 atm = constante durante todo el experimento. Así pues, la regla de las fases queda

establecida para nuestros propósitos empíricos como:

P + F= C + 1

En1875 J. WillaidB Gibbs relacionó tres variables: fases (P), componentes(C), y grados de libertad o varianza (F)

para sistemas multicomponente en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la regla de las

fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por la gravedad, fuerzas eléctricas o magnéticas

y solo se afecta por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la regla corresponde a las

variables de temperatura T y presión P.

COMPONENTES: es el menor número de constituyentes químicos independientemente variables necesario y

suficiente para expresar la composición de cada fase presente en cualquier estado de equilibrio

FASE: es cualquier fracción, incluyendo la totalidad, de un sistema que es físicamente homogéneo en sí mismo y

unido por una superficie que es mecánicamente separable de cualquier otra fraccion. Una fracción separable

puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un líquido dispersado en otro.

- Un sistema compuesto por una fase es homogéneo

- Un sistema compuesto por varias fases es heterogéneo

Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homogénea en los equilibrios heterogéneos.

GRADO DE LIBERTAD: es el número de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente y

arbitrariamente sin provocar la desaparición o formación de una nueva fase. Variables intensivas son aquellas

independientes de la masa: presión, temperatura y composición. También sedefine con el número de factores

variables.

F=0 indica invariante

F=1 univariante

F=2 bivariante

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

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes, sino que

depende sólo del número. Además no da información con respecto a la velocidad de reacción.

El número de componentes más dos (C+2), representa el número máximo de fases que pueden coexistir al

equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (a condiciones invariantes).

Ejemplo: (1 componente)

* Para el punto de triple coexistencia (C en diagrama):

3+F=1+2

F =0 (cero grados de libertad)

Como ninguna de las variables (presión, temperatura o composición) se pueden cambiar manteniendo las tres

fases de coexistencia, el punto triple es un punto invariante.

* Un punto de la curva de congelación sólido-líquido(B):

2+F=1+2

F=1 (un grado de libertad)

Una variable ( T o P) se puede cambiar manteniendo aún un sistema con dos fases que

coexisten.

Si se especifica una presión determinada, sólo hay una temperatura en la que las fases

sólida y líquida coexisten.

* Un punto dentro de la zona de fase única (A):

1+F= 1+2

F=2 (dos grados de libertad)

Dos variables (T o P) se pueden cambiar independientemente y el sistema permanece

con una única fase.

El diagrama de fases para un sistema binario se obtiene graficando temperatura de solidificación vs. la fracción

molar, utilizando los datos de las curvas de enfriamiento de mezclas de composición diferentes. La relación

entre solubilidad y el punto de congelación de un componente puro en una mezcla binaria, está dada por:

d (lnx)=∆HdT

RT 2

Para el sistema a estudiar, la variación del calor latente de fusión según la temperatura absoluta T, para los

componentes puros, está dada por las siguientes ecuaciones:

p- C6 H4 Cl2: ΔHB = -10250+94.07T – 0.1511T2 cal/mol

C10 H8: ΔHA = 4265 -26.31T + 0.1525T2 – 0.000214T3 cal/mo

lPara calcular la fracción molar en cualquier punto, se puede integrar la ecuación (1) y reemplazar el calor

latente de fusión, obteniéndose para este sistema:

logxB=2239.9T+47.343logT-0.03302T-115.0924

logxA=-932.03T-13.241logT+0.0332T-2.3382x10-5T2+27.5264

PROCEDIMIENTODETERMINACION DEL DIEGRAMA DE FASES:

a) Seleccione, los tubos de cada set en orden decreciente de su temperatura de fusión.

b) En un vaso de 600 mL, caliente agua de caño y a la vez coloque el tubo cuyo punto de fusión es el más alto

(con el tapón ligeramente suelto), hasta que la muestra se funda completamente. Inmediatamente después

sumerja dentro del tubo el agitador metálico pequeño y el termómetro.

c) Sumerja el tubo con la mezcla fundida en otro vaso de 600 mL, que contiene agua de caño que se encuentra

2-3ºC por encima del punto de fusión de la muestra, agite lentamente y en forma constante hasta que se forme

los primeros cristales, mida la temperatura. Realice este procedimiento en la campana extractora.

d) Proceda de forma similar con los demás tubos del set, de acuerdo al orden decreciente del punto de

cristalización, teniendo en cuenta que tanto el agitador como el termómetro estén limpios y secos.

e) No lave los tubos al terminar la práctica y déjelos con sus tapones correctamente enumerados.

DETERMINACION DE LA CURVA DE ENFRIEMIENTO:

a) Seleccione un tubo que contenga un componente. (Tubo 1 u 8)

b) Coloque el tubo en un baño a una temperatura inicial mayor entre 5 y 8 ºC a la de cristalización de dicho tubo.

Tome datos de temperatura cada 10 segundos hasta obtener como mínimo 6 valores. Mantenga una agitación

constante durante el proceso.

c) Seleccione otro tubo que contenga dos componentes y en forma similar a b), tome datos de temperatura cada

10 segundos hasta por lo menos 8 valores que vayan descendiendo en forma continua y uniforme, observando

simultáneamente la formación de cristales dentro del tubo.

CONCLUSIONESDel análisis anterior se pueden llegar a las siguientes conclusiones:

* Las impurezas que pudiesen inocularse en las muestras pueden alterar de forma significativa tanto la

temperatura de fusión como el punto de temperatura de cristalización.

* Trabajando con muestras puras es mucho más fácil obtener resultados mucho más precisos, lo cual indica que

las muestras que son mezclas comúnmente llevan a errores, los cuales son bastante difíciles de identificar las

causas que los engendran.

* Aunque el rango de temperaturas varía muy poco, una variación pequeña lleva a errores significativos, es

importante entonces considerar que los porcentajes de error en estos casos son un tanto relativos.

* La temperatura de cristalización que se tiene en tablas coincide en la mayoría de los casos con los resultados

obtenidos de forma experimental.

RECOMENDACIONESEs necesario tratar de evitar que las muestras se contaminen con impurezas que puedan alterar tanto las

temperaturas de fusión,así como su solubilidad, por lo que es necesario trabajar en un ambiente bastante

limpio, y si se trata de muestras puras, se debe de tener mucho más cuidado.

Se debe de tener cuidado también de ser organizado en el momento del trabajo, ya que se pueden confundir

fácilmente los corchos en donde están etiquetados los números con los que se reconocen a las muestras.

Durante la experiencia se tuvo el inconveniente de haber encontrado dos tubos de ensayo, en los cuales el

rotulado no coincidía con la muestra, ya que la temperatura de cristalización era totalmente diferente. Se

procedió entonces a encontrar la temperatura de cristalización, y colocar adecuadamente los corchos en los

tubos de ensayo.

También es importante mantener cerrados los tubos de ensayo mientras que no se están utilizando, ya que los

compuestos con los que se trabaja son muy volátiles.

Por último, se recomienda no exponerse de forma prolongada a los vapores que emana en Diclorobenceno, ya

que este es muy tóxico. Por seguridad, se debe de trabajar en campana extractora, y de preferencia, con

mascarilla.

CUESTIONARIO:

1. ¿Qué es un diagrama de fases?, ¿Cuál es su importancia?

En un diagrama de fases, la temperatura es representada en el eje horizontal, y la presión en el eje vertical. El

área abierta representa una fase. Para un sistema de un componente y una fase el número de grados de libertad

en el equilibrio es:

f=1-1+2=2

La temperatura y la presión pueden ser, ambas independientes, y cualquier punto en el área representa un

posible estado intensivo del sistema. Para un componente, y dos fases, el número de grados de libertad en el

equilibrio es:

f=1-2+2=1

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de

enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a

solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistema multicomponente tienen aplicaciones

importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura,

propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.

2. ¿Qué entiende usted por un sistema de punto eutéctico simple?

Ya que el punto eutéctico es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del

solvente y soluto, o la temperatura más baja a la cual puede fundir una mezcla de sólidos A y B con una

composición fija, un sistema de punto eutéctico simple sería un sistema en el que, a determinada presión y

temperatura, coexisten tres fases, dos sólidos y un líquido, siendo su temperatura la más baja a la que una

composición, la eutéctica, puede estar completamente como líquido.

3. En un diagrama de un punto eutéctico simple, explique la aplicación de la Regla de la Palanca.

Para hallar las cantidades en el punto eutéctico usamos la regla de la palanca

Sea m1 la cantidad de muestra que hay en la columna de A y m2 la cantidad de muestra que hay en la

columna B, también tenemos que:

m1+m2=mt(masa total)

por la regla de la palanca según el grafico tenemos :

m1x(40-0)=m2(100-40) luego operando encontraremos la cantidad en cada fase.