EQUILIBRIO BINARIO: SLIDO - LQUIDO

Facultad de Ingeniera Qumica LABORATORIO DE FISICOQUIMICA II

DIAGRAMA DE FASES I. OBJETIVOS Graficar la curva de enfriamiento de sustancias puras y mezclas. Graficar el diagrama de fases en funcin w%. Determinar el punto eutctico. Determinar el Hf del naftaleno y paradiclorobenceno.II. FUNDAMENTO TERICOEl concepto de sistema heterogneo implica el concepto de fase. Fase es toda porcin de un sistema con la misma estructura o arreglo atmico, con aproximadamente la misma composicin y propiedades en todo el material que la constituye y con una interface definida con toda otra fase vecina. Puede tener uno 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 qumica diferente. Por ejemplo, una solucin es un sistema homogneo (una sola fase) pero sin embargo est constituida por al menos dos componentes. Por otro lado, una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de sus estados fsicos en determinadas condiciones y as identificarse dos fases con diferente organizacin atmica y propiedades cada una y con una clara superficie de separacin entre ellas (interfase). Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los ms variados tipos de sistemas heterogneos: un lquido en equilibrio con su vapor, una solucin saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos lquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos slidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos slidos 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 grficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en funcin de variables como presin, temperatura y composicin y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto (los grficos de cambio de estado fsico de presin de vapor de una solucin de dos lquidos son ejemplos de diagramas de fases).

La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y cientficos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener informacin como:1.- Conocer que fases estn presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

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

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleacin enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificacin.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en qumica, geologa y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales cientficos y tecnolgicos.

EQUILIBRIO SLIDO-LQUIDO

En este caso la variacin de la P de equilibrio cuando cambia la T se obtiene directamente a partir de la ecuacin de Clapeyron:

Los valores de Hfus y de Vfus varan a lo largo de la curva de equilibrio slido-lquido, las funciones de estado H y V son funciones de T y P, y por lo tanto lo son tambin Hfus y de Vfus. Sin embargo la elevada pendiente de esta lnea en el diagrama P-T implica que a menos que P cambie en una cantidad considerable, la variacin de T ser muy pequea, por tanto podemos tomar como aproximacin:

Equilibrio lquido-lquido en mezclas binarias.Si consideramos la mezcla a P y T constante de dos lquidos A y B, en cantidades nA y nB, esta se producir cuando G disminuya, es decir cuando la energa libre de la mezcla sea menor que la energa libre de los dos componentes puros. As si definimos la energa libre de mezcla Gmezcla como el cambio en la energa libre del sistema al llevar a cabo el proceso de mezclar ambos lquidos:

y por mol de mezcla:

que debe ser < 0 para que el proceso tenga lugar.

La Gmezcla, a T y P constantes, puede variar con la composicin del sistema (con la fraccin molar de sus componentes), segn se representa esquemticamente en la figura:

En (a) la Gmezcla es negativa en todo el rango de composicin, por lo que ambos lquidos son totalmente miscibles a la presin y temperatura implicadas.

En (b) Gmezcla >0, por lo que ambos lquidos son inmiscibles, a la P y T de trabajo. En (c) se representa una situacin ms compleja. Gmezcla 0, luego Gmezcla