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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO]

DIAGRAM A DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO

1. OBJETIVOS 





Analizar y graficar los termogramas tanto de enfriamiento como de calentamiento del KCl – H2O. Aprender a construir el diagrama de fase de un sistema binario a partir de los termogramas de enfriamiento y calentamiento de soluciones acuosas de KCl de distintas composiciones. Reconocer las zonas del diagrama de fase obtenido.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO

Un diagrama de fase es una representación gráfica de las fases presentes en un sistema a diversas temperaturas, presiones y composiciones. En un diagrama de fase, se observa la temperatura en la que la sustancia cambia de una fase a otra. Una sustancia pura, como el agua, puede existir en la fase sólida, líquida y gaseosa dependiendo de las condiciones de presión y temperatura existente en el sistema en el que se encuentre. La regla de fase de Gibbs no permite encontrar el grado de libertad necesario para lograr mantener el equilibrio en un sistema, siempre y cuando se tengan dos variables termodinámicas independientes. Es normal que estas dos variables sean la presión y la temperatura. Esto se logra de la siguiente manera: F=C–P+2 Dónde: F: Grados de libertad C: Número de componentes P: Fases presentes Los sistemas que presentan dos componentes se conocen como sistema binarios. Los sistemas binarios presentan tres variables independientes: temperatura, presión y composición. El diagrama de fases de un sistema binario suele caracterizarse por presentar las siguientes regiones:  Sólido puro o disolución sólida.  Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide).  Mezcla sólido – líquido.

2° LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO]   

Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión)o un líquido completamente homogéneo. Mezcla líquido – gas. Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones de altitud)

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la solución. El objetivo es construir el diagrama de fases sólido – líquido de un sistema binario que presenta punto eutéctico simple, mediante el análisis térmico. La aleación plomo – estaño presenta un diagrama de fases de este tipo. Un sistema binario es influenciado por tres variables: temperatura, presión y composición. Esta representación tridimensional se simplifica si se fija la presión, generalmente igual a la atmosférica. La representación de temperatura Vs composición para un sistema binario genérico A-B se indica en la Figura 1.

Un sistema eutéctico es aquel en el cual los componentes presentan una completa solubilidad en el estado líquido, pero solubilidad sólida limitada. Cuando una aleación eutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se agregan para formar regiones de los metales originales casi puros. Considerando un sistema de dos componentes A y B a una 2° LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO] determinada presión, un sistema con comportamiento eutéctico simple presenta las siguientes cuatro regiones:    

Miscibilidad total en fase líquida (líquido). Miscibilidad parcial o inmiscibilidad total de fases sólidas (sólido A + sólido B). Líquido + sólido A. Líquido + sólido B.

Las curvas de la Figura 1 indican el equilibrio termodinámico de las fases involucradas. Siendo E el punto eutéctico, las líneas BE y AE representan las líneas de líquidos, mientras que la línea horizontal es la llamada eutéctica. En el sistema se distinguen tres tipos de aleaciones: la aleación eutéctica, definida por el punto E, las aleaciones hipoeutécticas a la izquierda del punto E y las hipereutécticas a la derecha del punto E. El punto C se ubica dentro de la región líquido + sólido B y representa el equilibrio entre la solución líquida de composición y el sólido B puro. Las temperaturas de fusión de las componentes puras T A o TB establecen la temperatura máxima del diagrama binario. La temperatura eutéctica se encuentra por debajo de ellas. Aplicando la regla de las fases se determina los grados de libertad de cada una de las regiones. 3. DATOS

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO]

TERMOGRAMA DE CALENTAMIENTO 30 25 20 15 10 TeMPERATURA (°C)

5 0

0

10

20

30

40

50

60

70

-5 -10 -15 -20 TIEMPO (30s)

TERMOGRAMAS

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TERMOGRAMA DE ENFRIAMIENTO 2 0 -2

0

5

10

15

20

25

30

-4 TEMPERATURA (°C)

-6 -8 -10 -12 -14 -16 TIEMPO (30S)

DATOS OBTENIDOS PARA EL TERMOGRAMA DE ENFRIAMIENTO tiempo(30s)

temperatura (°C)

tiempo(30s)

temperatura(°C)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

23 21 18 11 9 7 6 5 4 3 3 1 1 1 0.5 -1 -1 -2 -2

20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

-3 -3 -4 -4 -4 -4 -4 -5 -5 -5 -5 -5.5 -5.5 -6 -6 -6.5 -7 -7 -7.5

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO] tiempo(30s) temperatura (°C) tiempo(30s) temperatura(°C) 39 -8 58 -10.5 40 -8 59 -10.5 41 -8 60 -11 42 -8.5 61 -11 43 -8.5 62 -11 44 -8.5 63 -11 45 -9 64 -11 46 -9 65 -11 47 -9 66 -11.5 48 -9 67 -12 49 -9.5 68 -12.5 50 -9.5 69 -12.5 51 -10 70 -13 52 -10 71 -13.5 53 -10 72 -13.5 54 -10 73 -14 55 -10 74 -14.5 56 -10 75 -14.5 57 -10.5 76 -15 *nota: del cuadro los datos que están sombreados fueron tomados en intervalos de 1min (60s) y no como muestra la cuadra de cada 30s.

DATOS OBTENIDOS PARA EL TERMOGRAMA DE CALENTAMIENTO tiempo(30s) temperatura (°C) tiempo(30s) temperatura(°C) 1 -15 13 -4 2 -12 14 -3.5 3 -10 15 -3.5 4 -8 16 -3 5 -6 17 -2.5 6 -5 18 -2.5 7 -5 19 -2 8 -5 20 -2 9 -5 21 -2 10 -5 22 -0.5 11 -4.5 23 0.5 12 -4 24 1 *nota: los datos que están sombreados son en intervalos de 1min y no como muestra el cuadro cada 30s. 2° LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO]

DATOS BIBLIOGRAFICOS: Se considera los datos obtenidos de la bibliografía para las condiciones que se tuvieron en el laboratorio:

TEMPERATURA DE TRABAJO (°C) PRESION DE TRABAJO EN EL LABORATORIO

20.0°C 760.0 mmHg

COMPUEST0 H20

DENSIDAD 0.998 g/mL

MASA MOLAR 18 g/mol

SAL

TEMPERATURA EUTÉCTICA

PORCENTAJE EN MASA DE LA SAL EN EL EUTÉCTICO 19.75%

Cloruro (KCl)

de

potasio

-11.1°C

4. CÁCULOS Hay que hallar el porcentaje en masa de cada componente.

Volumen de H 2 O=5 mL

Densidad del agua a 20°C:

0.998

g mL

Entonces:

Masa H O=V × ρ 2

Masa H O=5 mL × 0.998 2

g mL

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO] Para el Masa:

KCl :

0.4 g

Entonces el porcentaje en masa de cada componente será:

Masa H

%MasaH O=

2

O

Masa H O + Masa KCl

2

× 100 =

2

%MasaKCl =

4.990 g ×100 =92.57 0.4 g+ 4.990 g

Masa KCl 0.4 g ×100 = × 100 =7.42 Masa H O + MasaKCl 1 g+ 4.9866 g 2

Entonces este procedimiento para hallar los porcentajes de cada componente se va a repetir y finalmente obtendremos siguiente tabla de cada grupo que trabajo en la práctica de laboratorio: A GRUPO

01

XH O

0.9257

X KCl

0.742

2

02

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5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS 

Para la muestra trabajada con la concentración de 7.42% en masa en el termograma de enfriamiento se observó los primeros cristales a la temperatura de -9°C y se cristalizó por completo a los -12.5°C aproximadamente.



Para el termograma de calentamiento se observó la primera gota de líquido a los -10°C y se diluyó por completo en -0.5°C, quedando puramente solución liquida.



En ambos termogramas el punto de equilibrio liquido-solido se da a los -9°C aproximadamente. Sin embargo no se logró presenciar correctamente dicho suceso ya que tras retirar el vial del sistema de enfriado, se pudo observar que la mezcla de KCl presenta dos fases, donde la fase sólida apenas era visible, sin embargo al agitar con el termómetro, la parte líquida se va solidificando, lo que se debe a que el líquido se encontraba sobre-enfriado. 2° LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

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[DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO] 

En el enfriamiento, es muy probable que la mezcla se haya congelado en -9 ˚C. Cuando se hace el calentamiento, hubo muestras que llegan rápidamente a fundirse, en el caso de nuestra muestra tardó un poco, lo que se debe a las diferentes concentraciones con las que se trabajó. Las mezclas que tuvieron mayor porcentaje en peso de KCl tardaron en calentarse, tanto es así que se calentaron esos sistemas en un baño maría.



Como la concentración del eutéctico es menor que la del punto de equilibrio, los cristales que se obtuvieron en la fase solida son cristales de agua, ocurriría lo contrario si la concentración fuere mayor, pues los cristales serian de la sal (cloruro de potasio).

6. CONCLUSIONES 

La gráfica de las curvas de enfriamiento estarán mejor definidas, si es que se toma los datos al momento de enfriar.



En un termograma es posible identificar la temperatura del eutéctico, ya que dicha temperatura se mantiene constante durante un periodo de tiempo prolongado.



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 aumentará a medida que aumente la concentración.



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.



El punto eutéctico es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del solvente y soluto.



La temperatura del punto eutéctico para esta solución está por debajo de los 0°C, lo que se debe a la adición de NaCl en el agua hace que la temperatura de solidificación disminuya. 7. REFERENCIAS 2° LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

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Gilbert W. Castellan. “Fisicoquímica”. Editorial: Addison-Wesley Iberoamericana, segunda edición en español, Wilmington, 1987, Paginas: 358 – 359 – 360.



Ira N. Levine. “Fisicoquímica”. Editorial: Mc Graw Hill, quinta edición, Volumen 1, Madrid, 2004, Paginas: 457 – 458 – 459 – 465.

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