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DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química

CURSO: FISICOQUÍMICA II INFORME N º1 TÍTULO: DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO GRUPO N°4  Gonzales Mera, Carmen  Nuñuvero Ramírez, Lizbeth  Vásquez Contreras, Gianella PROFESORES:  Mg. Hermoza Guerra, Emilia  Mg. Villón Ulloa Ángel Fecha de realización de práctica: 28/03/2019 Fecha de presentación del informe: 04/04/2019 Lima – Perú

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ÍNDICE 1. OBJETIVOS ............................................................................................................................. 3 2. FUNDAMENTO TEORICO..................................................................................................... 3 2.1. Diagrama de fases .............................................................................................................. 3 2.2. Equilibrio líquido-sólido en sistemas de dos componentes................................................ 3 3. DATOS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS ....................................................................... 4 Temperaturas de fusión ............................................................................................................. 4 Solubilidad KCl en H2O ........................................................................................................... 5 Temperatura Eutéctica Sistema binario KCL- H2O.................................................................. 5 4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................................................ 8 5. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 9 6. APLICACIONES ...................................................................................................................... 9 7. REFERENCIAS ...................................................................................................................... 10

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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 a reconocer las áreas de dominio, líneas y puntos relevantes del diagrama de fases obtenido.

2. FUNDAMENTO TEORICO 2.1. Diagrama de fases Son diagrama en el que se muestran las fases estables en función de dos variables, normalmente la composición y la temperatura. Un sistema de de dos componentes se denomina sistema binario Según la regla de fase será la Regla de Fases de Gibbs, se establece que F=C–P+2 Una fase simple en un sistema binario (C=2) puede poseer tres grados de libertad. (Atkins, 2008) 𝐹 = 𝐶−𝑃+2=2−1+2 =3

Las tres variables intensivas independientes son P, T y una de las fracciones molares, como la mayoría de estos procesos ocurre a presión constante se reduce a dos los grados de libertad.

2.2. Equilibrio líquido-sólido en sistemas de dos componentes Sean C y B dos sustancias miscibles en la fase liquida e inmiscibles en la fase solida. Al mezclar cantidades arbitraria de ambos líquidos que son insolubles entre si se forma un sistema monofásico. Al enfriar la mezcla en fase liquida, llegaremos a alcanzar una temperatura en la cual el solvente B empezará a fundirse dando lugar a un mezcla de dos fases Disolucion liquida de C+Disolucion liquida de B +Solido B La sustancia C se irá congelando según la curva de enfriamiento AE Las dos curvas de enfriamiento se encontraran en el punto E (punto eutéctico)

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Figura 1: Diagrama de fases sólido-líquido Cuando se tiene una sustancia pura o una mezcla eutéctica se da una curva de enfriamiento como la curva 1, mientras que la curva 2 representa una disolución B en un disolvente C, ambos con diferentes puntos de fusión .

Figura 2: Curvas de enfriamiento (Fisicoquímica, Ira N. Levine, 2004)

3. DATOS EXPERIMENTALES Y CÁLCULOS Temperaturas de fusión: Agua: 00C (A.Dean, 1972) KCl: 7710C (A.Dean, 1972) 4

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Solubilidad KCl en H2O: 34 g/100ml H2O (A.Dean, 1972)

Temperatura Eutéctica Sistema binario KCL- H2O: -11 0C Masa y composición de los componentes Grupo %KCl

%H2O

T(°)aparece el primer cristal

1

5

95

8

2

10

90

-6

3

18

82

-10

4

23

77

-9

5

25

75

7.8

12

10

90

-5.2

GRUPO

1

2

3

4

5

%masa de soluto

5

10

18

23

25

Masa de KCl(g)

0.5

1.0

1.8

2.3

2.5

Masa de H2O(g)

9.5

9.0

8.2

7.7

7.5

Masa total de

10

10

10

10

10

KCl

solución (g) Composición de los componentes y puntos de fusión

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TABLA DE TEMPERATURAS DE ENFRIAMIENTO t(segundos)

T(°C)

t(segundos)

T(°C)

20

26

1160

-12.2

80

17

1220

-13

140

14

1280

-13

200

12

1340

-13.5

260

10

1400

-13.8

320

8

1460

-14

380

6.5

1520

-14

440

3

1580

-14.2

500

2

1640

-14.5

560

-0.5

1700

-15

620

-2.2

1700

-15

680

-4.1

1760

-16

740

-6.5

1820

-11

800

-9

1880

-11

860

-11

1920

-11

920

-11

1980

-11

980

-11.5

2240

-11.8

1040

-12

2300

-12

1100

-12

2360

-12

2420

-13

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2480

-13.8

2540

-14

TABLA DE TEMPERATURAS DE CALENTAMIENTO Tiempo(min)

Temperatura(°c)

0

-12

5

-11

25

24

CURVA DE ENFRIAMIENTO (2.3%) 30 25 20

Temperatura(°C)

15 10 -11 (solidificacion total de la mezcla)

5 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

-5

-10 -15

-20

tiempo(s)

Figura (1): tiempo vs temperatura

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CURVA DE CALENTAMIENTO 30 25

TEMPERATURA(°C)

20

24 ultimo cristal

15 10

-11 primera gota

5

0 -5 0

5

10

15

20

25

30

-10 -15 -20

TIEMPO(min)

Figura (2): tiempo vs temperatura

Figura (3) temperatura vs % composición

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS - Con los datos obtenidos en este experimento, se logra obtener el gráfico a la derecha y ala izquierda del punto eutéctico, por lo que nos es difícil encontrar el porcentaje en peso en el punto eutéctico. - En el gráfico (1) podemos notar que la pendiente tiene una cierta inclinación, esto se debe a que durante la experiencia al trabajar con tiempos cortos no se verificó un cambio significativo de la temperatura.

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DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO - El sistema es aislado, al estar el hielo en contacto con la sal; hace que el hielo se funda un poco, haciendo así que la temperatura del sistema disminuya. Si hay suficiente cantidad de sal dicha temperatura podría alcanzar la temperatura del punto eutéctico. - Para realizar la gráfica de composición vs temperatura tomamos en cuenta la temperatura de fusión del primer cristal según lo establecido en la guía.

5. CONCLUSIONES - Verificamos que la temperatura eutéctica fue de -11°C y concuerda con la temperatura eutéctica teórica. - Verificamos que en una mezcla eutéctica a pesar de que el punto de solidificación eutéctico era constante no significaba la formación de un compuesto definido. - Podemos indicar que el incremento de temperatura en la curva de enfriamiento corresponde a un primer periodo eutéctico en el cual presenciamos la formación de los primeros cristales a una temperatura variable. -El nexo entre el enfriamiento (descenso) y calentamiento (ascenso) nos permite corroborar que alcanzaremos la temperatura eutéctica de la mezcla. Además en la experiencia pudimos observar la transferencia tanto de calor como de masa en el sistema.

6. APLICACIONES APLICACIÓN DE LOS DIAGRAMAS DE EQUILIBRIO DE FASES A LA EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LOS MATERIALES DE SÍO2- AI2O3 FRENTE A ESCORIAS CON RELACIONES CaO/Si02 VARIABLES La corrosión de los refractarios por escorias es de la mayor importancia económica, ya que es uno de los factores que más contribuyen a la disminución de la vida útil de un material refractario y por ello este problema ha sido, y continúa siendo, objeto de numerosos estudios de tipo cinético o termodinámico. El resultado del ataque por una escoria fundida es la disolución del refractario en el líquido corrosivo. El proceso de disolución depende de la temperatura, composición de la escoria, composición de todas las fases refractarias, de la presión y de la atmósfera del horno. La fuerza conductora para la corrosión del refractario por la escoria es la disminución de la energía libre del sistema asociada a los cambios físicos y químicos producidos por el ataque. Estos cambios se pueden calcular según la ecuación:

Ahora bien, para poder realizar este estudio es necesario considerar todas las posibles reacciones químicas así como conocer las concentraciones efectivas (actividades) en vez de las concentraciones reales de todos y cada uno de los compuestos que intervienen en la reacción. Todo esto hace que en la práctica este método de cálculo sea muy difícil de llevar a cabo. Sin embargo, son estos principios termodinámicos fundamentales, los que controlan la corrosión del refractario, si bien los efectos cinéticos pueden hacer que un refractario sea utilizable aunque termodinámicamente sea inestable. Puesto que el cálculo termodinámico, como se ha expuesto, se hace muy difícil, la aplicación de la termodinámica a los problemas de los refractarios se puede abordar, sin embargo, haciendo uso de los diagramas de equilibrio de fases, los cuales nos indican qué fases son estables para una temperatura y composición dadas, ya que dichos diagramas no son más que la representación gráfica de las condiciones termodinámicas de 9

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DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO equilibrio de un sistema dado. Desafortunadamente, muchos sistemas escoria-refractario son complejos y los diagramas de fase apropiados no han sido estudiados. Ahora bien, a menudo puede ser de gran ayuda la utilización de los diagramas de fases de dos o tres de los componentes mayoritarios, si bien hay que destacar que las extrapolaciones deben tratarse con cuidado.

7. REFERENCIAS - Castellan, G. W. (1974). Fisicoquimica. México. - Levine, I. N. (2004). Fisicoquímica. - María, D. F. (s.f.). Diagramas de fase II. Obtenido de Diagramas de fase II: https://www.academia.edu/35726937/Diagramas_de_fase_II_Sistemas_eut%C3%A9ct icos_binarios

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