• Author / Uploaded
• Evelin Mamani

Citation preview

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

DIAGRAMA DE FASES

Nombre: Chuncho

Coronel Fernando

Salazar Chavarría Jackelina

Carrera: ING. Industrial

Practica: Nº 9

Grupo:

De 6:45- 9:30

Asignatura: Laboratorio de fisicoquímica

Fecha de entrega:

06 de Julio 2011

Cochabamba – Bolivia

1

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

Diagrama de fases OBJETIVOS:  Objetivo General: Realizar el diagrama de fases para un sistema binario y ternario.  Objetivos específicos:  Determinar la fracción del agua y fenol en el sistema binario.  Calcular el número de moles de agua y fenol en la mezcla binaria.  Determinar la fracción del agua, cloroformo y acido acético en el sistema ternario.

FUNDAMENTO TEÓRICO: El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interface definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto de componente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse de otro por su naturaleza de sustancia química diferente. Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) pero sin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados físicos en determinadas condiciones y así identificarse dos fases con diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clara superficie de separación entre ellas (interface). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo es describir completamente el sistema. El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por medio de gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en función de variables como presión, temperatura y composición y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos de cambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de dos líquidos son ejemplos de diagramas de fases). Regla de las Fases de Gibbs El diagrama, también conocido como diagrama de fase o diagrama de equilibrio es esencialmente una expresión gráfica de la regla de fases. La ecuación siguiente presenta la regla de fases en la forma matemática usual: F+L=C+2 Donde: C: Número de componentes del sistema 2

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

F: Número de fases presentes en el equilibrio L: Varianza del sistema (grados de libertad) Los términos usados en la expresión anterior así como otros necesarios para entender los diagramas de fase se definen a continuación: SISTEMA: cualquier porción del universo material que pueda aislarse completamente y arbitrariamente del resto, por consideración de los cambios que puedan ocurrir en su interior y bajo condiciones variantes. FASE: cualquier porción del sistema físicamente homogénea consigo misma y separada por una superficie mecánicamente separable de otras porciones. COMPONENTES: el menor número de variables individuales independientes (vapor, líquido o sólido) por medio de los cuales la composición del sistema puede expresarse cuantitativamente. VARIANZA DEL SISTEMA (GRADOS DE LIBERTAD): es la aplicación de la regla de fase al tipo de sistemas bajo consideración; la variable independiente condiciona cuales factores se consideran; usualmente son la temperatura, la presión y la concentración. El número de estas variables, las cuales se fijan de manera arbitraria para definir completamente el sistema, se llama varianza o grados de libertad del sistema. EQUILIBRIO: Se dice que el equilibrio existe en cualquier sistema cuando las fases del mismo no conducen a ningún cambio en las propiedades con el paso del tiempo y permite que las fases tengan las mismas propiedades cuando se tienen las mismas condiciones con respecto a las variantes que se han alcanzado por procedimientos diferentes. EQUILIBRIO HETEROGÉNEO: un sistema es heterogéneo y está en equilibrio heterogéneo cuando consta de dos o más porciones homogéneas (fases) en equilibrio entre ellas. EQUILIBRIO HOMOGÉNEO: un sistema es homogéneo y está en equilibrio homogéneo cuando consta de una fase y todos los procesos y/o reacciones que ocurren al interior están en equilibrio reversible. Diagrama de fase binomial o de 2 componentes. Al existir dos componentes en el sistema en consideración la regla de las fases queda: F+P=4 Luego, para representar gráficamente el campo de estabilidad de una región homogénea (monofásica) se requieren 3 variables, lo que hace necesario el sistema en un diagrama tridimensional. Por conveniencia se suelen mantener P o T constantes y se representa gráficamente un sistema de fases bidimensionales, que es un corte transversal de la representación tridimensional. En los sistemas que presentan más de una especie química el número de fases puede igualmente ser grande. Es también frecuente, aún en sistemas comerciales importantes, la disponibilidad de datos que cubren sólo una parte de los sistemas. En vista del hecho que las propiedades de los materiales dependen significativamente de la naturaleza, número, cantidad, y forma de las posibles fases que se presentan y pueden cambiarse por alteraciones en dichas cantidades, es vital, en el uso 3

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

de materiales, conocer las condiciones bajo las cuales cualquier sistema dado puede existir en sus varias formas posibles.

Diagrama de fase de 3 componentes o ternario. En este tipo de sistemas se tienen 4 variables independientes: presión, temperatura y dos concentraciones. En materiales cerámicos, dada la naturaleza y estabilidad de los compuestos con que habitualmente se trabaja, es posible debido a sus bajas presiones de vapor, despreciar el efecto de la presión en el estudio de diagramas de equilibrio de fases, de tal forma que la relación que da cuenta del fenómeno queda: P+F=C+1 (sistemas condensados) La existencia de un campo monofásico es lo que define el tipo de diagrama para representar un sistema ternario. En el tratamiento de los diagramas de fase, tanto en la determinación, como en el uso se ha hecho un acercamiento fundamentalmente empírico, aunque en general ellos poseen una fuerte base termodinámica. En principio, al menos los diagramas de equilibrio, pueden calcularse por relaciones termodinámicas, en la práctica, sin embargo, sólo se recurre a sustituciones relativamente simples fundamentalmente por dos razones: la teoría exacta para casos generales es bastante compleja y muchos de los datos termodinámicos necesarios no se encuentran disponibles. Otros acercamientos posibles son: a) estudios desde un punto de vista puramente químico, con lo cual se involucrarían algunos sistemas que no son de interés. b) una visión puramente matemática, haciendo uso de un lenguaje y simbolismos que no se manejan normalmente en ingeniería. c) estudio geométrico y/o aproximación fenomenológica a los diagramas de fase sin casi ninguna discusión termodinámica. En estas notas se opta por una fundamentación termodinámica con el fin de sentar las bases de discusión para cualquier otro sistema que se desee afrontar. Regla de fases. Cuando un sistema consista de una sola sustancia simple, se dice que consiste de sólo una fase. Si un sistema heterogéneo está compuesto de varias partes, cada una de las cuales es homogénea en sí misma, se dice que el sistema consta de tantas fases como partes homogéneas estén contenidas en el sistema. Para definir la composición química de una fase se puede dar el porcentaje de cada sustancia químicamente definida presente en la fase. Estrictamente hablando se puede establecer que si el porcentaje de cada elemento químico (contando la cantidad total del elemento, tanto libre como químicamente rodeado de otros elementos) se sabe el porcentaje de los diferentes compuestos que pueden formarse con los elementos dados, estaría determinado por la temperatura dada y la presión de la fase. Además, se sabe de las leyes de la química, que para unas condiciones dadas de temperatura, presión y concentración relativa de los diferentes elementos presentes, siempre se alcanzará el equilibrio químico al interior de la fase. Por lo tanto se puede decir que una fase es una 4

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

mezcla homogénea de todos los compuestos químicos posibles que puedan formarse de los elementos químicos presentes en la fase y que el porcentaje de cada compuesto presente está determinado completamente por T, P y las concentraciones relativas de todos los elementos en la fase.

MATERIALES Y REACTIVOS:          

Tubos de ensayo Pipetas Vasos precipitados Hornilla Termómetro Balanza digital Fenol Agua y Agua destilada Cloroformo Ácido acético

PROCEDIMIENTOS: Sistema binario: Fenol y agua. 1. En seis tubos de ensayo introducir 0.2 g de fenol, a cada tubo de ensayo introducir un volumen diferente de agua. 2. Calentar un tubo de ensayo en un baño maría y tomar la temperatura a la cual la mezcla se clarifica, esa temperatura corresponde a la temperatura de de clarificación. 3. Sacar el tubo de ensayo del baño maría y dejarlo enfriar. Tomar la temperatura a la cual el líquido se enturbia, esa temperatura corresponde a la temperatura de turbidez. 4. Realizar los pasos 2 y 3 para los seis tubos de ensayo. 5. Determinar las fracciones molares del agua y fenol y realizar la grafica de Temperatura versus fracción. Sistema ternario: Cloroformo, ácido acético y agua. 1. En seis tubos de ensayo introducir cantidades diferentes de cloroformo y ácido acético en proporciones que van desde 0.2ml hasta 1.2ml y desde 1.2 ml hasta 0.2ml respectivamente. 2. A cada uno de los tubos de ensayo, agregar a través de una bureta agua destilada gota a gota hasta que la solución presente una turbidez. 3. Anotar el volumen gastado de agua que se agregó a cada tubo de ensayo. 4. Determinar las fracciones de cloroformo, ácido acético y agua en la mezcla ternaria 5. Realizar un diagrama ternario considerando las fracciones molares de los tres componentes en cada tubo de ensayo.

5

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Sistema binario: Fenol y agua. Cuadro 1:

X H 2O Tclaridad C  Tturbidez C  n m fenol g  V H 2O ml  n fenol mol  n H 2O mol  X fenol 1 0.2 0.5 0.0021277 0.027778 0.071146 0.928854 62 61 2 0.2 0.7 0.0021277 0.038889 0.051873 0.948127 61 61 3 0.2 0.9 0.0021277 0.050000 0.040816 0.959184 63 62 4 0.2 1.1 0.0021277 0.061111 0.033645 0.966355 60 60 5 0.2 1.3 0.0021277 0.072222 0.028617 0.971383 57 55 6 0.2 1.5 0.0021277 0.083333 0.024896 0.975104 55 46

Sistema ternario: Cloroformo, ácido acético y agua. Cuadro 2:

nac.acéticomol  n H 2O mol  n VCHCl3 ml  Vac.acético ml  V H 2O ml  nCHCl3 mol  1 0.2 1.2 1.2 0.002008 0.0210 0.06667 2 0.4 1.0 0.9 0.004017 0.0175 0.05000 3 0.6 0.8 1.0 0.006025 0.0140 0.05556 4 0.8 0.6 1.0 0.008033 0.0105 0.05556 5 1.0 0.4 2.6 0.010042 0.0070 0.14444 6 1.2 0.2 1.7 0.012050 0.0035 0.09444

X CHCl3 0.022396 0.056165 0.079718 0.108430 0.062184 0.109553 6

X ac.acético 0.234179 0.244698 0.185233 0.141721 0.043347 0.031820

X H 2O 0.743425 0.699137 0.735050 0.749849 0.894469 0.858628

Diagrama de fases

Universidad Mayor de San simón

IXOYE

CONCLUSIONES: Después de observar los diagramas de fase se concluye que el número de esas fases puede ser grande incluso para sustancias puras, por ejemplo el hielo puede existir en varias fases sólidas y un metal como el hierro presenta hasta cuatro fases sólidas. Se concluye además que para algunas sustancias donde la presión en el punto triple es mayor que 1 atm, la presión atmosférica, cae por debajo del punto triple y pasa por lo tanto directamente de la región sólida a la de vapor sin interceptar la región líquida. A presión atmosférica estas sustancias no se licúan sino que se vaporizan directamente desde la fase sólida (sublimación) y sólo pueden existir en la fase líquida a presiones suficientemente altas. Es necesario fijarse bien el momento de la turbidez de la mezcla para tomar la temperatura de turbidez y el volumen de agua gastado porque de esa manera tenemos diagramas de fases más exactas y que nos muestran claramente el comportamiento de esa mezcla.

BIBLIOGRAFÍA: 1. http://cipres.cec.uchile.cl/~cdolz/ 2. http://cuhwww.upr.clu.edu/%7Einieves/w_DIGRAMA-manual2.htm 3. http://www.unlu.edu.ar/~qui10192/qii06.pdf 4. CASTELLAN, G. Fisicoquímica. Fondo Educativo Interamericano, México, 1976. 835 p. 56-89. 5. PERO SANZ, José A. Ciencia e Ingeniería de Materiales. Metalurgia física: estructura y propiedades. Ed. Dossat. Madrid, 1993 6. Libro guía de laboratorio de fisicoquímica

7

Diagrama de fases