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• alvaro rodrigo

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DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO 1. OBJETIVOS 



Aprender a construir el sistema de fases de un sistema binario a partir de los termogramas de enfriamiento y calentamiento de soluciones acuosas de KCl de distintas composiciones. Comprender y reconocer las áreas de dominio, líneas y puntos relevantes del diagrama de fases obtenido.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO El proceso a considerarse en este experimento será un sistema de dos componentes que no reaccionan entre sí. La regla de fase será la regla de fases de Gibbs, la cual establece que: F=C–P+2=4–P C = número de especies químicas

(Maron y Prutton, 2002)

P = número de fases

F = número de grados de libertad Para la región del diagrama de fases donde hay dos fases en equilibrio, hay que especificar dos variables para definir el sistema. Si se deja la presión constante, nos reduce F en 1. F=C–P+1

(Maron y Prutton, 2002)

Un diagrama de fases se construye tomando los datos de un análisis termal. Del análisis termal se construyen las curvas de enfriamiento midiendo los valores de tiempo y temperatura FIG 1. En la FIGURA 1 se muestra la curva de enfriamiento para una solución de composición conocida. Se observan tres regiones identificadas como: IV, V, VI. El enfriamiento de la solución se observa en la región IV. En la temperatura T1, se nota un cambio de pendiente debido a que esa temperatura empieza a separase el sólido 1. Esta temperatura se le conoce como punto de fusión de la solución. Entre las temperaturas T1 y T2 existen equilibrios entre la solución y el sólido 1. En la región V, se observa que la composición de la solución va cambiando a lo largo del tiempo. Además, se observa que el punto de fusión de la solución es menor que el punto de fusión del disolvente puro. En esta región, la concentración del componente 2 en la solución va aumentando, lo que causa que el punto de fusión vaya disminuyendo. Después que se alcanza la temperatura T2, el componente 1 se precipito totalmente y se comienza a precipitar el componente 2.

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Figura 1: Curva de enfriamiento de una solución Cuando una solución se enfría hay un cambio de pendiente de la curva de enfriamiento a la temperatura en la que los componentes se empiezan a recristalizar. Esto es debido a la evolución de calor por la cristalización progresiva de la solución. La temperatura a la cual ocurre es temperatura eutéctica. Para diferentes curvas de enfriamiento de la solución variando la concentración de un componente se obtiene el diagrama de fases del sistema binario (Fig. 2).

Figura 2: Diagrama de fases binario

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3. DATOS 3.1.

Datos Experimentales

Temperatura (ºC) 23 22.2 20 18.8 15 13.2 10 8.1 6.1 2 1 0.2 -1

Tiempo (s)

Temperatura Tiempo (s) Temperatura (ºC) (ºC) 0 -1.8 260 -12 20 -3 280 -12 40 -3.5 300 -12 60 -5 320 -12.2 80 -5.2 340 -13 100 -5.8 360 -13.1 120 -7 380 -13.3 140 -8.2 400 -14 160 -8.5 420 -14.5 180 -9 440 -14.6 200 -9.8 460 -14.8 220 -9.9 480 -15 240 -11.2 500 Tabla Nª1: Temperaturas del sistema en función del tiempo

% masa de KCl 7% 12% 16% 23% 25%

Tiempo (s) 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740

Temperatura de desaparición de la última gota -1 -2 -3 15.5 20

Tabla Nª2: Temperaturas de cambio de fase para cada de solución KCl.

3.2.

Datos teóricos Punto Eutéctico de la mezcla % masa de KCl en el Punto Eutéctico

-11 ºC 22

4. TRATAMIENTO DE DATOS 4.1.

Con los datos obtenidos experimentalmente durante el enfriamiento de la solución salina, graficar temperatura (ºC) vs tiempo (seg). Indicar las temperaturas donde se observaron los cambios de fase. Temperatura (ºC) 23 hasta 6.1 6.1 hasta -12 -12 hasta -15 (último dato registrado)

Tiempo (s) 0 hasta 160 160 hasta 560 560 hasta 740

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Fase Liquido – Liquido Solido – Liquido Solido - Solido

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% concentracion de KCl = 16% 20

Temperatura (ºC)

15 10 5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

-5 -10 -15 -20

Tíempo (s) Grafica Nº1: Termograma de enfriamiento a una concentración de 16%

4.2.

Buscar en los manuales de propiedades fisicoquímicas los siguientes datos para el sistema KCl – H2O: solubilidad, punto de fusión de las sustancias puras, composición y temperatura eutéctico. Curva de solubilidad KCl +H2O (Perry,1992) % masa de KCl Temperatura (ºC) 19.97 -11 20.33 -9 20.52 -8 20.87 -6 21.24 -4 21.42 -2 21.63 0 23.66 10 25.37 20 27.00 30 28.57 40 29.87 50 31.27 60 32.56 70 33.81 80 36.06 90 36.18 100 Temperatura de eutéctico: -11 ºC / Temperatura de fusión de KCl(S): 776ºC 4

UNI - FIQT 4.3.

Con los datos experimentales y los datos de manuales, construir el diagrama de fases (temperatura en ºC vs composición en % en peso) para el sistema binario KCl – H2O. indicar las fases presentes en cada zona, así como las curvas de solubilidad y los puntos de fusión notables.

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UNI - FIQT 5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS    

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De la gráfica Nº1 se evidencia que a una concentración de 16% de KCl la temperatura del eutéctico es -12ºC. Los cambios de pendiente observados en la Grafica Nº1 es debido a que los componentes empiezan a recristalizar. Del termograma de enfriamiento se verifica que a partir de la temperatura 6.1ºC empieza la aparición del primer cristal. Los puntos experimentales presentados en la Tabla Nº2, no pudieron coincidir en sus respectivas curvas ya que se presentó una dispersión entre estos datos, el error se encuentra en la medición de las temperaturas en las que desaparece el último cristal, ya que este fenómeno es instantáneo. Además, no se tomaron datos cuando la solución salina empezó a calentar, por ello no pudimos realizar la curva de calentamiento, con lo que no pudimos comparar las temperaturas de cambio de fase y así poder afirmar la exactitud de estas. Si bien las temperaturas halladas en la Tabla Nº2 presentan un error, al ubicarlos en la gráfica no se notó ninguna anomalía, esto es porque en los datos para el 7%, 12% y 16% se nota que a concentraciones más cercanas a 22% (mezcla eutéctica), se presenta una cercanía a la temperatura eutéctica, esto ocurre por a la pendiente negativa de la curva líquidas de la izquierda. Mientras que para los datos de 23% y 25% se nota que a mayor concentración las temperaturas son más altas respecto al eutéctico, esto se da por la pendiente positiva de la curva liquidas de la derecha

6. CONCLUSIONES    

La construcción del termograma de enfriamiento depende de la concentración de uno de sus componentes a evaluar. El punto eutéctico es invariante para cada sistema binario, porque a una temperatura y composición van a coexistir las dos fases en equilibrio. Se logró notar que la temperatura eutéctica a la cual ambas sustancias del sistema se solidifican es menor que la de ambas sustancias en su estado puro. La temperatura del punto eutéctico para esta solución está por debajo de los 0 C, esto debido a que la adición de cloruro de sodio en el agua hace que la temperatura de solidificación disminuya.

7. RECOMENDACIONES    

Estar atentos a los cambios de fase del sistema binario KCl – H2O, recordar que la ultima temperatura a evaluar es -15ºC. Verificar que el termómetro este sujeto firmemente del vial para evitar errores en la medición de la temperatura. Realizar una buena construcción del baño helado para enfriar la solución salina para poder evitar el mayor error posible. 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 6

UNI - FIQT 8. BIBLIOGRAFÍA    

W. Castellan.1987. Fisicoquímica, Segunda Edición, México. Addison Wesley Iberoamericana S A. Atkins, P. Fisicoquímica, Quinta Edición. Freeman, New York, 1994. Maron, Prutton. 2002. Fundamentos de Fisicoquímica, Tercera Edición. México. Noriega Limusa. Pag 361-365. http://www.insugeo.org.ar/libros/misc_18/06.htm

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