Diagrama de Fases Mire

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO Laboratorio de Fisicoquímica II

INTRODUCCION

En esta experiencia observaremos la formación de sólidos con función del tiempo, la diferencia

de temperatura entre liquidas y sólidas se denomina rango de solidificación. Dentro de este

rango coexistirán dos fases: una líquida y otra sólida .El diagrama de fases es muy útil cuando

se desea saber en qué fases se encuentran presentes a cierta temperatura, en el momento de

diseñar un proceso de fabricación para un producto.

Considérese un sistema de dos componentes, a una de terminada presión, cuando el intervalo

de temperaturas utilizado corresponde a la formación de una o más fases sólidas. El

comportamiento más sencillo lo presentan aquellos sistemas para los que los líquidos son

totalmente miscibles entre sí, y para los que las únicas fases sólidas que se pueden presentar,

son las formas cristalinas puras de los componentes.

DIAGRAMA DE FASE SÓLIDO-LIQUIDO PARA EL SISTEMA NAFTALENO-

PARADICLOROBENCENO

Determinación de volúmenes parciales de mezclas binarias


I.- OBJETIVOS

Obtener el diagrama de fases de la mezcla para di cloro benceno (PDB)-Naftaleno.

Graficar la curva de enfriamiento.

Determinar el punto eutéctico.

Determinar la ∆ Hf (Naftaleno) y ∆ Hf (PDB).

II.- FUNDAMENTO TEORICO

El efecto de la presión sobre los sólidos y los líquidos es pequeño, y a menos que se

esté interesado en fenómenos que ocurran a presiones elevadas, se mantiene P constante a

1atm. y se estudia el diagrama de fases sólido-líquido T-xA

a) Miscibilidad en fase líquida e inmiscibilidad en fase sólida: Sean A y B dos sustancias

miscibles en todas proporciones en la fase líquida y completamente inmiscibles en fase sólida.

La mezcla de cantidades arbitrarias de los líquidos A y B origina un sistema monofásico que es

una disolución de A y B. Como los sólidos A y B son completamente insolubles entre si, el

enfriamiento de la disolución líquida de A y B ocasiona que A o B se congelen, abandonando la

disolución.

Una forma común de este tipo de diagramas es, donde TA* y TB* son los puntos de

congelación de A puro y B puro, el siguiente:

En el límite de baja temperatura, existe una mezcla bifásica del sólido puro A y el

sólido puro B, ya que los sólidos son inmiscibles. En el límite de temperatura elevada existe

una única fase formada por la disolución líquida de A y B, ya que los líquidos son



miscibles. Viendo el enfriamiento de una disolución de A y B cuya concentración xA,l sea

cercana a 1 (lado derecho del diagrama). Se alcanza una temperatura a la que el disolvente. A

comienza a congelarse, originando una región de dos fases con A sólido en equilibrio con una

disolución líquida de A y B. La curva DE da el descenso del punto de congelación de A por la

presencia del soluto B. Similarmente, si se enfría una disolución líquida con xB,l cercano a 1

(lado izquierdo del diagrama) provocará que la sustancia B pura se congele, por lo que CFGE

es la curva de descenso del punto de congelación de B por el soluto A. Si se enfría una

muestra bifásica formada por la disolución y cualquiera de los sólidos, la disolución se

congelará completamente originando una mezcla de sólido A y sólido B. Las dos curvas del

punto de congelación se interceptan en el punto E. Para una disolución con xA,l a la izquierda

de E, se congelará el sólido B cuando T disminuye; si xA,l está a la derecha de E, será el sólido

A el que se congele. El punto E es el punto eutéctico (“que funde con facilidad”). Para los

valores T y xA,l correspondientes al punto E, los potenciales químicos de A y B en la disolución

son iguales a los de A y B puros, y tanto A como B se congelan cuando se enfría una disolución

con la composición eutéctica xA’’’.

La ecuación correspondiente a la zona de la curva DE con xA casi 1 se puede calcular a partir

de la ecuación: ΔTf = - xBR(Tf*)2/ΔH fus, A, que es válida para disoluciones muy diluidas. La

mayor parte de la curva CFGE con xA muy cercano a 0 se puede calcular con esta misma

ecuación intercambiando los índices A y B. Lejos de los extremos de estas líneas se usa la

ecuación: ln (yA xA) = ∫ (ΔH fus, A(T)/RT 2) dTf, P

constante.

Para conseguir una idea aproximada de la forma de las curvas DE y CE, se desprecia la

dependencia de la temperatura de ΔH fus, A y ΔH fus, B. Las ecuaciones que incluyen

aproximaciones para las curvas DE y CE, son :

R ln (xB)= ΔH fus, B ( 1/ TB* - 1/T) para CE

R ln (xB)= ΔH fus, B ( 1/ TB* - 1/T) para DE

Si se parte del punto R de la figura, y se enfría isobáricamente una disolución de A y B de

composición xA’. El sistema es cerrado, por lo que la composición global permanece constante

y se desciende verticalmente desde el punto R. Cuando T alcanza T1, empieza a aparecer el

sólido B separado de la disolución. Cuando B se congela, el valor de xA,l aumenta y (como A

es ahora el soluto) el punto de congelación disminuye aún más. A una temperatura T2, existe

un equilibrio entre una disolución cuya composición viene dada como xA’’ por el punto G y el

sólido B, cuya composición viene dada por el punto I con xA=0. Los extremos de la línea de

conjunción (GHI) dan las composiciones de las dos fases en equilibrio.



Si T continúa disminuyendo se alcanza finalmente la temperatura eutéctica T3 en el punto K.

En ese punto la disolución tiene una composición xA (punto E), y tanto A como B se congelan,

por lo que ambos sólidos aparecen cuando se enfría una disolución de composición eutéctica.

El resto de la disolución se congela también a la temperatura T3.

En el punto K existen tres fases en equilibrio (disolución, sólida A y sólido B), por lo que no se

puede aplicar la regla de la palanca. Con tres fases se tiene 1 grado de libertad (F= 2-3+2=1),

este grado de libertad se elimina si se considera P constante e igual a 1atm. Por lo que no

existen grados de libertad para el sistema trifásico, y la temperatura T3 permanece constante

hasta que toda la disolución se haya congelado y el número de fases se reduzca a 2. Por

debajo de T3 se enfría una mezcla de sólido A y sólido B (punto S).

Si se invierte el proceso y se parte desde el punto S con A y B sólidos, el primer líquido que se

forma tendrá la composición eutéctica xA’’’. El sistema se mantiene en el punto K hasta que se

haya fundido todo A más la cantidad suficiente de B necesaria para formar una disolución de

composición eutéctica. Luego, el sólido B restante se funde entre las temperaturas T3 y T1.

Una mezcla sólida que posea la composición eutéctica fundirá completamente a una sola

temperatura, la T3. Una disolución de A y B con la composición eutéctica congela a la

temperatura T3. Pero, una mezcla eutéctica no es un compuesto , sino una mezcla íntima de

cristales de A y cristales de B. Los sistemas que presentan un diagrama de fase como el antes

descrito se llaman sistemas eutécticos simples. Algunos de ellos son los sistemas Pb-Sb,

benceno-naftaleno, Si-Al, KCl-AgCl, Bi-Cd, C6H6-CH3Cl y cloroforma-anilina.



III.- MATERIALES Y EQUIPOS.

Vaso de precipitado

Mechero de bunsen

Balanza analítica

Bagueta

Termómetro

Trípode

Rejilla

REACTIVOS.

Agua destilada

Naftaleno

Paradicloro benceno (PDB)

Trípode balanza mechero termómetro

pizeta rejilla vaso de precipitado



IV.- PARTE EXPERIMENTAL.

PROCEDIMIENTO CON EL PDB (Para di cloro benceno)

a) En un vaso de precipitado colocar un tubo de ensayo con 7gr de PDB

sólido y llevarlo al baño maría hasta unos 70 a 75 ºC

b) Después de haberse fundido el PDB medir la temperatura, cada 15

segundos.

c) Luego agregar 1.5 gr de naftaleno llevarlo al baño maría, hasta que se

funda nuevamente, retirarlo del baño, medir la temperatura (cada 15

segundos) hasta que se solidifique.

d) Agregar 2 gr de naftaleno y llevarlo a baño maría hasta que se funda,

retirarlo del baño y medir la temperatura (cada 15 segundos) hasta que se

solidifique.

e) Por ultimo 2 gr más de naftaleno y llevarlo nuevamente al baño María y

medir su temperatura (cada 15 segundos) hasta que se

solidifique.



V.- CALCULOS

PARA EL PARADICLOROBENCENO

Fracción molar Fracción en peso

Proporción de reactivo Temp. De

solidificación

X naftaleno X PDB ωnaftalenoωPDB

7 grC6H 4Cl2 610C 0 1 0 1

1 .5 grC10H 8 y7 grC6 H4Cl 2 560 C 0 .1975 0 .8025 0 .1765 0 .8235

3 .5 grC10 H8 y 7 .0 grC6H 4Cl2 480C 0 .3648 0 .6352 0 .3333 0 .6667

5 .5 grC10 H8 y 7grC6 H4Cl2 410C 0 .4743 0 .5257 0 .44 0 .56

GRAFICO DE T VS Χ1



GRAFICO DE T VS %PESO



Sea la tabla:

TEMPERATURA Χ 2 ℓηΧ 2 1T

− 1

T 0

334 . 15 1 0 0

329 .15 0 .8025 −0 .220023 4 .51605×10−5

321 .15 0 .6352 −0 .4538 1 .211417×10−4

314 . 15 0 .5257 −0 .6430 1 .9052×10−4

GRAFICA (-Lnx2) vs (1/T-1/T)

De donde:

m=3086 . 5759

Luego:

ΔH 0f =3086 . 5759×8 . 3144

jmol×k

=25 . 6630kJ /mol



Para el naftaleno:

Fracción molar Fracción en peso

Proporción de reactivo Temp. De

solidificación

Χ naftaleno Χ difenilo ωnaftaleno ωdifenilo

7 grC10H 8 820C 1 0 1 0

7 grC10H 8 y1 . 5grC6 H4Cl 2 92 . 60C 0 .8428 0 .1572 0 .8235 0 .1765

7 grC10H 8 y 3. 0 grC6H 4Cl2 80 . 80C 0 .7284 0 .2716 0 .7 0 .3

7 grC10H 8 y5 grC6H 4Cl2 820C 0 .6167 0 .3833 0 .5833 0 .4167

GRAFICO DE T VS Χ 2

GRAFICO DE T VS %PESO



Sea la tabla:

TEMPERATURA Χ1 ℓηΧ 1 1T

− 1

T 0

355 .15 1 0 0

365 .75 0 .8428 −0 .1710 −8 . 16036×10−5

353 . 95 0 .7284 −0 .3169 9 . 5461×10−6

355 .15 0 .6167 −0 .4834 0

GRAFICA (-Lnx1) vs (1/T-1/T)



De donde:

m=3934 . 61394

Luego:

ΔH 0f =3934 . 61394×8 . 3144

jmol×k

=32. 7139kJ /mol

DIAGRAMA DEL EQUILIBRIO SÓLIDO- LIQUIDO



Sea la ecuación de la curva:

T=−121 .3447 Χ2+245 . 89803 Χ−49 .0679

T=−70 . 8829 Χ2+2 . 25902Χ+52. 14397

INTERSECTANDO:

De donde el punto eutéctico es:

Χ=0 .4591T=38 . 24310C

CONCLUSIONES

El punto eutéctico de la mezcla PDB y naftaleno es :

Χ=0 .4591 yT=38 .24310C

En este punto los dos sólidos se encuentran en equilibrio con la fase líquida (dos

componentes en 3 fases).



La temperatura eutectica es T=38 . 24310C .siendo esta la temperatura más baja a la

cual funde la mezcla de los dos sólidos con una determinada composición.

Se encontró el calor latente de fusión de los dos componentes de la mezcla:

ΔΗ f (naftaleno )=32 .7139kJmol

ΔΗ f (PDB )=25 . 6630KJmol

Mediante la ecuación de Schoroder van laar.

RECOMENDACIONES

Estar atento, para poder identificar la temperatura de solidificación(la aparición

del primer cristal)

Para la fusión del naftaleno utilizar un transmisor de calor elevado, con la

finalidad de que se funda mas rápido.

Pesar con precisión las proporciones indicadas para la mezcla.



BIBLIOGRAFIA

FUNDAMENTOS DE FISICOQUIMICA, Samule maron y prutton, editorial

limusa 1980.

FISICOQUIMICA, gilbert w. castellan, segunda edición 1974,1987

ANEXO

Diagrama de fase

Un típico diagrama de fase. La línea con puntos muestra el comportamiento anómalo

del agua. La línea verde marca el punto de congelación y la línea azul, el punto de

ebullición. Se muestra como ellos varían con la presión.


http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_congelaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Phase-diag.svg


En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la

representación gráfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un

sistema, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en

una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación

diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios,

mientras que en termodinámica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una

sustancia pura.

Diagrama de fase de una sustancia pura

Los diagramas de fase más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia

pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el

de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el

cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas:

Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y

gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y

por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

Los pares (presión, temperatura)que corresponden a una transición de fase

entre:

o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico

o entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación

o entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación deposición (o

sublimación inversa)

o entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o

licuefacción);

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un

punto llamado punto crítico. Más allá de este punto, la materia se presenta como un

fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases.

Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen


http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_cr%C3%ADtico

http://es.wikipedia.org/wiki/Agua

http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Estado_de_agregaci%C3%B3n_de_la_materia

http://es.wikipedia.org/wiki/Ciencia_de_materiales

http://es.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A1mica


reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para

obtener café descafeinado.

es preciso anotar que, en el diagrama PV del agua, la línea que separa los estados

líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere

decir que aumentando la presión el hielo se funde, y también que la fase sólida tiene

menor densidad que la fase líquida

ALEACIONES METALICAS

Las aleaciones metálicas están formadas por un agregado cristalino de dos o más

metales o de metales con metaloides.

Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y

dejando luego solidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina

apreciable a simple vista o con el microscopio óptico.

La estructura queda conformada por diferentes micros constituyentes o fases como

son:

Cristales simples o de componentes puros, cristalizados separadamente donde

cada cristal contiene un solo componente. En este caso la aleación llamada

eutéctica es una mezcla íntima de cristales formada cada uno de ellos de un

solo componente puro. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido

a sus bajas propiedades mecánicas.

Por su baja temperatura de fusión, se emplean casi exclusivamente para la

soldadura dulce. El ejemplo típico lo constituye la aleación plomo estaño

empleada en la soldadura de láminas de cinc, cobre y latón.

Cristales de elementos compuestos. Estos cristales están formados por

compuestos químicos de los componentes donde no es posible distinguir

separadamente los componentes originales como en el carburo de hierro que le

aporta dureza a los aceros que lo contienen.

Cristales de solución sólida. Llamada así por semejanza con las soluciones

líquidas. Están formados por una solución sólida de los componentes puros o



por uno de ellos y un compuesto químico de ambos. Se forman debido a la

solubilidad de los componentes en el estado sólido.

Cuando los cristales de solución sólida se forman con enfriamiento muy lento, tienen

estructuras muy homogéneas y de buenas propiedades mecánicas para emplearlos en

la construcción de partes de máquinas.

Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y

distribución de sus fases o micro constituyentes. La adición de un componente aunque

sea en muy pequeñas proporciones, incluso menos de 1% pueden modificar

intensamente las propiedades de dicha aleación.

En comparación con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas:

Mayor dureza y resistencia a la tracción.

Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.

Pero son menores la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica.

RESUMEN

Los diagramas de fases son representaciones gráficas de las fases que están

presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas, presiones y

composiciones. Estos diagramas indican las fases que están presentes a diferentes

composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento lento,

cercanas al equilibrio termodinámico. En las regiones bifásicas de estos diagramas, las

composiciones químicas de cada una de las fases se indican mediante la intersección

de la isoterma con los límites de fase. La fracción en peso de cada fase en una región

bifásica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma

a una temperatura determinada.

En los diagramas de fase isomorfos binarios en equilibrio, los dos componentes son

completamente solubles entre sí en estado sólido y por tanto solo hay una fase sólida.



Diagrama de equilibrio de fases isomorfo o de solubilidad total

En los diagramas de fase binarios en equilibrio de aleaciones se producen

frecuentemente reacciones invariantes que involucran tres fases en equilibrio. Las

reacciones más comunes de tres fases son:

L = S1 + S2 (eutéctica)

L + S1 = S2 (peritéctica)

S1 = S2 + S3 (eutectoide)

S1 + S2 = S3 (peritectoide)

L1 = L2 + S1 (monotéctica)

L1 líquido 1, L2 líquido 2, S1 sólido 1, S2 sólido 2, S3 sólido 3, L líquido.

Diagrama de solubilidad parcial con punto eutéctico

En muchos diagramas de fases binarios en equilibrio se encuentran fases que pueden

ser metales puros, soluciones sólidas o compuestos intermedios. Las fases intermedias

pueden ser de composición fija (estequiométricas) o abarcar un rango de

composiciones (no estequiométricas).

Durante la solidificación rápida de muchas aleaciones, se crean gradientes de

composición y se producen estructuras segregadas. Una estructura segregada puede

suprimirse por homogenización de la aleación fundida durante largo tiempo y a la

temperatura, justo por debajo del punto de fusión de la fase que funde a menor

temperatura. Si se recalienta ligeramente la aleación fundida de tal modo que la fusión

tenga lugar en los bordes de grano se produce una estructura licuada. Este tipo de



estructura es indeseable por que la aleación pierde resistencia y puede que se rompa

durante trabajos posteriores.

El diagrama hierro-carbono (aleaciones de hierro y carbono)

Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, con porcentajes de este último que

oscilan entre 0,04 y el 2 %. Además de estos componentes pueden llevar otros

elementos químicos, como el azufre o el fósforo, provenientes de la chatarra, el mineral

o el combustible empleado en la fabricación, mientras que otros se añaden

intencionalmente, bien para incrementar la resistencia, dureza, etc. O para facilitar

algún proceso de fabricación, como puede ser el mecanizado; tal es el caso del cromo,

níquel, el molibdeno…

Atendiendo al porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en:

Aceros hipoeutectoides, si su porcentaje de carbono es inferior al punto S

(eutectoide), o sea al 0,89%.

Aceros hipereutectoides, si su porcentaje de carbono es superior al punto S.

El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones

metastables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento

relativamente lentas representa cambios de equilibrio.



En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones

isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura

se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la

temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción peritéctica.

La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cúbica centrado en el

cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cúbica centrado en las

caras) disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor

industrial de esta región es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento

térmico en este intervalo de temperaturas.

La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129º C, esta

temperatura es la de solidificación del eutéctico.

La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura

ambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformación durante el

enfriamiento.

La última línea horizontal, se presenta a los 722º C, esta línea corresponde a la

temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la

fase gamma debe desaparecer.

En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en

dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que se

llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 % de carbono, las

cuales se llaman fundiciones. A su vez, la región de los aceros se subdivide en otras

dos: una formada por los aceros cuyo contenido en carbono es inferior al

correspondiente a la composición eutectoide (0,77 %C) los cuales se llaman aceros

hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre

0,77 y 2 %, y que se conocen por aceros hipereutectoides.



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Diagrama de Fases Mire