3er laboratorio de fisicoquimica - diagrama de fases

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA y METALURGICA

INTRODUCCIÓN

Los diagramas de fase son sumamente importantes en áreas como la

metalurgia o la química-física, porque agrupan gran cantidad de

información sobre el comportamiento de las aleaciones a diferentes

condiciones, una aleación es una mezcla sólida homogénea de dos o más

metales, se hace para conseguir características muy difíciles de hallar en

los metales puros, o de uno o más metales con algunos elementos no

metálicos. Se puede observar que las aleaciones están constituidas por

elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), por

ejemplo Fe, Al, Cu, Pb. Pueden contener algunos elementos no metálicos

por ejemplo P, C, Si, S, As. Para su fabricación en general se mezclan los

elementos llevándolos a temperaturas tales que sus componentes fundan.

Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles

elementos se encuentran presentes en mayor proporción,

denominándose a estos elementos componentes base de la aleación. Los

elementos que se encuentran en menor proporción serán componentes

secundarios o componentes traza.

3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICAPágina 1


OBJETIVOS

Conocer cómo construir un diagrama de fases

El punto eutéctico

Curva de sólido y liquido.



MARCO TEÓRICO

Los diagramas de fases son representaciones gráficas –a varias

temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que están

presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se

realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y

son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del

comportamiento de los materiales.

Parte de la información que se puede obtener a partir de ellos es la

siguiente:

Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas.

Solubilidad de un elemento o compuesto en otro.

Temperatura a la cual una aleación que se deja enfriar empieza

a solidificar así como el rango de temperaturas en el que tiene

lugar la solidificación.

Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las

distintas fases.

La figura 2.1 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del

agua. Una sustancia pura como el agua puede existir en fase sólida,

líquida o gaseosa en función de las condiciones de presión y

temperatura. En el diagrama se observa un punto triple a baja

presión (4579 torr) y baja temperatura (0,0098°C) en el que

coexisten las fases sólida, líquida y gaseosa del agua. Las fases

líquida y gaseosa existen a lo largo de la línea de vaporización; las

fases líquida y sólida existen a lo largo de la línea de solidificación.

Estas líneas son líneas de equilibrio entre las dos fases.



A presión constante y a medida que aumenta la temperatura el agua

pasa de la fase sólida a la fase líquida. La temperatura en la que

tiene lugar este cambio de fase es la temperatura de fusión. Si

continua aumentando la temperatura habrá un segundo cambio de

fase en el que el agua pasa de líquido a vapor, es la temperatura de

vaporización. La temperatura de fusión y vaporización coincide para

varias presiones con la línea de solidificación y vaporización

respectivamente.

Figura 2.1 Diagrama de equilibrio de fases para el agua pura

La figura 2.2 muestra el diagrama de fases presión-temperatura del

hierro puro. El hierro tiene a diferencia del agua tres fases sólidas

separadas y distintas: hierro alfa, hierro gamma y hierro delta. En el



diagrama se observan tres puntos triples en los que coexisten tres

fases diferentes: (1) líquido, vapor y Fe δ; (2) vapor, Fe δ y Fe γ; y (3)

vapor, Fe γ y Fe α.

Para una presión constante de 1 atm, el hierro pasa de la fase líquida

a la fase de Fe δ a la temperatura de fusión de 1.539°C. Si continua

el enfriamiento de la muestra y a 1.394°C un segundo cambio de fase

producirá la transformación de la forma cristalina del Fe δ a Fe γ. A

910°C se produce el cambio de fase a Fe α que se mantendrá hasta

llegar a temperatura ambiente.

Figura 2.2 Diagrama de equilibrio de fases para el hierro puro.

Aleaciones metálicas.

Los metales se caracterizan, en general, por tener una elevada

conductividad (eléctrica y térmica), resistencia mecánica, por ser

opacos, fundir a temperaturas elevadas, etc. Estas y otras

propiedades hacen de los metales los materiales más comúnmente



utilizados en la industria. No obstante, pocas veces se utilizan los

metales en estado puro, normalmente se mezclan con otros metales o

elementos no metálicos formando aleaciones.

Las aplicaciones técnicas de los metales exigen frecuentemente que

se les otorguen unas propiedades diferentes de las originarias. A

veces se desea obtener una dureza y una resistencia mecánica

mayor; otras veces, una mayor plasticidad que facilite la

conformación; algunas veces se desea una mayor resistencia a la

corrosión, etc. La formación de aleaciones permite modificar las

propiedades de los metales: la resistencia mecánica de los metales

mejora cuando son aleados.

Una aleación metálica es un producto obtenido a partir de la unión

de dos o más elementos químicos (como mínimo uno de los dos debe

ser un metal) y que, una vez formado, presenta las características

propias de un metal.

La fabricación de aleaciones puede llegar a ser un proceso complejo

dependiendo del número de constituyentes de la aleación que deban

de añadirse al metal base (componente mayoritario) y de su

proporción. Para conocer el comportamiento de la mezcla de acuerdo

con las proporciones de los constituyentes de la aleación presentes,

se utilizan los diagramas de equilibrio o diagramas de fase. Cuando

se estudian aleaciones binarias (mezcla de dos metales) se

construyen diagramas temperatura-composición en los que la

presión se mantiene constante, normalmente a 1 atm. En dichos

diagramas se representa la temperatura en el eje de ordenadas y la

composición de la aleación, en tanto por ciento, en el de abcisas.

La constitución de una aleación a una determinada temperatura



queda determinada por las fases presentes, la fracción en peso de

cada una de ellas y por su composición. La estructura de la aleación

se describe por el tamaño y forma de las fases presentes.

¿Qué es un sistema de aleación isomorfa binaria?

Una mezcla de dos metales se denomina aleación binaria y

constituye un sistema de dos componentes, puesto que cada

elemento metálico de una aleación se considera como un

componente. El cobre puro es un sistema de un solo componente

mientras que una aleación de cobre y níquel es un sistema de dos

componentes.

En algunos sistemas binarios metálicos, los dos elementos son

completamente solubles entre sí tanto en estado sólido como líquido.

En estos sistemas sólo existe un tipo de estructura cristalina para

todas las composiciones de los componentes y, por tanto, se les

denomina sistemas isomorfos.

Un ejemplo importante de un sistema isomorfo de aleación binaria

es el sistema cobre-níquel. El cobre y el níquel tienen solubilidad

total tanto en estado líquido como sólido. En el diagrama de la figura



2.3 se muestra el diagrama de fases de este sistema en el que se

representa la composición química de la aleación en tanto por ciento

en peso en abcisas y la temperatura en °C en ordenadas. Este

diagrama se ha determinado bajo condiciones de enfriamiento lento

y a presión atmosférica y no tienen aplicación para aleaciones que

sufren un proceso de enfriamiento rápido. El área sobre la línea

superior del diagrama, línea de líquidus, corresponde a la región en

la que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de

la línea inferior, línea sólidus, representa la región de estabilidad

para la fase sólida. Entre ambas líneas se representa una región

bifásica en la que coexisten las fases líquida y sólida. La cantidad de

cada fase presente depende de la temperatura y la composición

química de la aleación.

Figura 2.3 Diagrama de fases del cobre-níquel

Para una determinada temperatura puede obtenerse aleaciones

totalmente en fase sólida, en fase sólida+líquida y en fase totalmente

líquida según la proporción de sus componentes. De la misma

manera, para una determinada proporción de la mezcla, se puede

definir una temperatura por debajo de la cual toda la aleación se

encuentre en fase sólida, un intervalo de temperaturas en donde la

aleación se encuentre en dos fases (sólida y líquida) y una

temperatura a partir de la cual toda la aleación esté líquida.

Proceso de construcción de un diagrama de fases isomorfo

binario.

Los diagramas de equilibrio para componentes que son

completamente solubles entre sí en estado sólido se construyen

después de realizar una serie de curvas de enfriamiento para



distintas composiciones de la aleación. Tomaremos como ejemplo el

sistema Cu-Ni, y el proceso se muestra en la figura 2.4.

Las curvas de enfriamiento para metales puros muestran un valor

fijo de temperatura de fusión: cuando se enfría un metal puro y pasa

del estado líquido al sólido, la temperatura se mantiene constante

mientras dura la solidificación (ver línea AB para el Cu puro y CD

para el Ni puro de la figura 2.4a). Una vez solidificado el metal la

temperatura continuará bajando, si nada se lo impide, hasta llegar a

temperatura ambiente.

La temperatura de fusión de una aleación binaria, en cambio, no es

fija: depende de las proporciones de cada componente, y no tienen

un único valor sino que se representa mediante un intervalo. En la

figura 2.4a, L1, L2, L3 y S1, S2, S3 representan el principio y el final

respectivamente de la solidificación de una aleación de proporciones

80%Cu-20%Ni; %50%Cu-50%Ni y 20%Cu-80%Ni. Todas las

composiciones de aleaciones intermedias muestran curvas de

enfriamiento similar. Cuántas más curvas de enfriamiento

intermedias se calculen mayor exactitud tendrá el diagrama de fases

que se construya.

El sentido del diagrama de fases se obtiene al dibujar una línea que

relacione todos los puntos que corresponden al principio de la

solidificación (L1, L2, L3 …) y otra que una todos los puntos en los

que se produce el final de la solidificación (S1, S2, S3 …). El

diagrama de fases real se determina representando gráficamente la

temperatura frente a la composición. Los puntos a representar se

toman de la serie de curvas de enfriamiento y se llevan al nuevo

diagrama, que resulta tal como se presenta en la figura 2.4b



Figura 2.4 Construcción del diagrama de fases en equilibrio del

Cu-Ni a partir de las curvas de enfriamiento líquido-sólido. a) Curvas

de enfriamiento b) Diagrama de fases en equilibrio

DIAGRAMA DE FASES EN SISTEMAS BINARIOS

En sistemas binarios el potencial de Gibbs molar µ es función de T, P

y la fracción molar X1 de uno de los componentes químicos. En el

caso de soluciones llamadas regulares existen dos composiciones que

lo minimizan a T y P fijos.



En la figura se muestra un

ejemplo típico para el cual se

ha fijado la presión y se

estudia el equilibrio para

varias temperaturas. Eligiendo un

valor particular de X1se puede

tener al sistema en estado

líquido o gaseoso con esta

composición para

temperaturas suficientemente

bajas o altas respectivamente. La región termodinámicamente

inestable es la sombreada, y los estados representados allí no son de

equilibrio. Por ejemplo para la fracción molar elegida, cuando la

temperatura es Tb, el sistema se separa en una fase gaseosa con

fracción molar X1(g)y una fase líquida con X1

(l). De esta manera,

aunque los puntos comprendidos en el área sombreada no

representan ningún estado en particular, se sobreentiende que el

sistema en ese caso se separa en las dos fases mencionadas, por lo

que suele indicarse a esta región como `líquido-gas'.

Si se eleva la temperatura del sistema cuando está totalmente en

estado líquido, vemos que para cierto valor de temperatura se

intercepta la curva inferior de la región sombreada. Allí comienza a

coexistir la fase líquida con una fase gaseosa cuya fracción molar

está dada por la abscisa para la cual la curva superior provee ese

mismo valor de temperatura. A medida que la temperatura se eleva,

la fase líquida recorre las composiciones dadas por la curva inferior y

la fase gaseosa los correspondientes en la curva superior. Esto

sucede hasta que la temperatura supera el valor de la intersección

con la curva superior y el sistema ha pasado completamente al

estado gaseoso.



Siguiendo un razonamiento análogo al desarrollado para el fluido de

Van der Waals puede mostrarse que para determinar la porción de

sistema en la fase líquida o gaseosa es válida también aquí la regla

de la palanca.

Si se modifica la presión el diagrama resultante es similar, y la

región sombreada puede desplazarse, en general hacia arriba a

medida que aumenta la presión.

En el caso de la coexistencia de fases sólidas y líquidas, los sistemas

binarios se representan típicamente mediante un diagrama como el

de la figura. Para temperaturas altas, el sistema se halla en estado

líquido, pero cuando se reduce la temperatura, puede cristalizar en

dos fases sólidas que aquí se han señalado como α y β. En este caso

la fase α es rica en el elemento 1 y la β es rica en la otra

componente.

Como en el caso anterior, cuando se cruza una de las curvas el

sistema se separa en dos fases, cada una con la fracción molar

determinada por las curvas correspondientes. En este diagrama

aparece el llamado punto eutéctico, que se ha representado en el

estado E. Cuando la fase líquida posee la fracción molar eutéctica, al

reducirse la temperatura arribando al estado E puede coexistir la

fase líquida con las dos fases sólidas, cuyas cantidades aparecen

nuevamente siguiendo la regla de la palanca. Si bien es cierto que la

fase líquida

Tiene la misma composición que la fracción de sistema en estado

sólido, es importante notar que hay en realidad una mezcla de dos

fases sólidas, cada una con su composición.



El adecuado conocimiento de este tipo de diagramas de coexistencia

es de fundamental importancia en metalurgia, y en particular en la

elaboración de piezas que deben ser resistentes a diversos efectos.

Un fenómeno particular ocurre cuando los materiales (metales,

cerámicos, etc.) son sometidos a cargas, que se deforman de manera

regular, independientemente del tiempo que esté trabajando. A

medida que se eleva la temperatura, cargas que no causan

deformaciones permanentes pueden ahora provocar que los

materiales se aplasten, como si en lugar de un sólido rígido

estuviéramos trabajando con un material plástico, provocando

deformaciones lentas y continuas (Creep) que dependen del tiempo

que dure el proceso.



Curva de enfriamiento de una sustancia pura

Para un sistema de dos componentes, el número máximo de grados

de libertad es 3. Este resultado nos indica que sería necesario

construir una gráfica de tres dimensiones para hacer una

representación completa de las condiciones de equilibrio (T,P,xi),

donde xi es la composición de uno de los componentes.

En este trabajo práctico se estudiará un sistema de fases

condensadas. Para este tipo de sistemas, el efecto de la presión es

mínimo y a menos que se esté interesado en fenómenos de presiones

altas, se puede mantener la presión fija a 1atm y examinar los

efectos de temperatura y composición. Además, en procesos de

fusión la presión es constante. Con esta condición impuesta, los

grados de libertad disminuyen en una variable y la regla de las fases

se reduce a:

V=C−F+1



Fig. 1. Diagrama de fases Líquido-Sólido.

La Figura 1 muestra el diagrama de fases temperatura-composición

a presión constante típico de un sistema de dos líquidos totalmente

miscibles que forman eutéctico simple. Para poder construir un

diagrama de este tipo se utilizan las curvas de enfriamiento de

sistemas de diferente composición.

Fig.2


(c)

(b)

(a)

t

T


Fig. 3

Consideremos lo que sucede al enfriar un líquido puro (Fig. 2). Para

un sistema de un componente puro en la fase líquida, hay un grado

de libertad, la temperatura, y usando la ecuación (2), los grados de

libertad son V = 1, siendo la temperatura la variable que describe el

sistema (porción (a)). Tan pronto coexisten las dos fases (sólido y

líquido), P=2 y F=O y por lo tanto la temperatura es constante (b).

Cuando todo el sistema se convierte en sólido la temperatura vuelve

a variar (c). El cambio en pendiente se debe a la diferencia en la

capacidad calorífica del líquido y el sólido.

La Fig. 3 representa la curva de enfriamiento de una mezcla simple.

La solución líquida comienza a enfriarse, disminuyendo su

temperatura a cierta velocidad (d). A cierta temperatura comienza a

separarse un sólido formado por alguno de los componentes puros.

El congelamiento es un fenómeno exotérmico y por eso la velocidad

de enfriamiento disminuye (e). A medida que el sólido se separa, la

composición del líquido se hace más rica en el otro componente y su

temperatura de fusión disminuye.


(d)

(c)

(b)

(a)

t

T


Cuando la solución alcanza una cierta composición (la composición

eutéctica) el sistema se congela como si se tratase de una sustancia

pura y la temperatura se mantiene constante (f)

Fig. 4.

Consideremos el diagrama de fases de la Fig. 4. En este diagrama A

T y B T son las temperaturas de fusión de los sólidos A y B puros. Las

distintas curvas separan las regiones donde el sistema presenta una

o más fases. En la Región I, cualquier punto corresponde al sistema

formado por una solución homogénea. En la región II, un punto

corresponde a una situación en la que el sólido A puro coexiste en

equilibrio con una solución líquida de B disuelto en A.

Una situación análoga corresponde a la región III, con el sólido B en

equilibrio con una solución de A disuelto en B. Por debajo de la

temperatura e T , en la región IV, existen los sólidos A y B y no puede

observarse ninguna solución líquida. A la temperatura e T se la llama

temperatura eutéctica. Las curvas “a” y “b” dan la dependencia de la

composición de la solución líquida con la temperatura. En términos

generales, estas curvas indican cómo varía la solubilidad de A en B o

B en A en función de la temperatura.



En la región I el número de grados de libertad es 2, por lo tanto,

debe especificarse la temperatura y la composición para definir el

estado del sistema. En las demás regiones, el número de grados de

libertad se reduce a 1.

Así, los puntos de diagrama de fases se obtienen preparando mezclas

de los dos componentes de fracciones molares conocidas. Las

mezclas se calientan hasta fundirse, se agita la solución para obtener

una solución homogénea y se deja enfriar lentamente. Mientras la

solución se enfría se agita continuamente y se toma la temperatura

como función de tiempo.

La región entre a1 y a2 representa el enfriamiento de la solución. Al

llegar a la temperatura T2, se nota un cambio en la pendiente debido

a que a esa temperatura empieza a separarse el sólido A puro. La

precipitación del sólido A libera energía. Esto hace que la mezcla se

enfríe más lentamente que la solución. T2 es el punto de fusión de la

solución de composición x1. De T2 a Te hay una sucesión de

equilibrios entre la solución y el sólido A. La temperatura no se

mantiene constante en esta región ya que el sólido A se está

precipitando y la concentración de A en la solución disminuye. Esto

es, la composición de la solución está cambiando entre a2 y a3. A

partir de Te ocurre la precipitación simultánea de dos sólidos

separados en fases diferentes. Una inspección microscópica de ese

sólido revela cristales de A puros mezclados con cristales de B puro.

Al llegar a Te la composición de la solución ha cambiado el máximo

permitido para ese sistema binario. La solución en Te tiene el punto

de fusión más bajo posible. A esta temperatura y composición es

donde la fase líquida esta en equilibrio con los sólidos A y B. A la

temperatura Te se le llama la temperatura eutéctica y la composición

de la solución cuyo punto de fusión es Te (el más bajo posible) es la



composición eutéctica. La palabra eutéctica viene del griego que

significa "fácilmente fundible".

Para las curvas de enfriamiento de mezclas, habrá tres regiones y

dos puntos de inflexión, (a las temperaturas T2 y Te ). La

temperatura Te será común para todas las fracciones molares. La

temperatura T2 variará según xA varíe. La única excepción ocurre

cuando se logra que xA corresponda a la composición eutéctica. Para

la composición eutéctica Te = T2 y la curva de enfriamiento de la

solución mostrará solamente un cambio notable en la pendiente. Al

graficar los valores de (T2 , xA ) y de (Te , xA) para varias

composiciones, se obtiene el diagrama de fases buscado.



Figura 2.6 Diagrama de fase en equilibrio Plomo-Estaño

Muchos sistemas de aleaciones binarias tienen componentes que

presentan solubilidad en estado sólido limitada; El sistema Pb-Sn es

uno de ellos.

Las áreas sombreadas (gris) de la derecha y de la izquierda del

diagrama, fase α y fase β, representan regiones de restricción de

solubilidad en estado sólido de los componentes de la aleación. La

fase α es una solución sólida rica en plomo que puede disolver un

máximo de 19,2% en peso de estaño a 183°C. La fase β es una

solución sólida rica en estaño que puede disolver un máximo de 2,5%

en peso de plomo a 183oC. A medida que la temperatura disminuye

por debajo de 183°C, la solubilidad máxima en estado sólido

disminuye según indica la línea solvus del diagrama.

La región superior del diagrama (azul) corresponde a la región en la

que la aleación se mantiene en fase líquida. El área por debajo de la

línea líquidus (verde) representa una región bifásica en la que

coexisten las fases líquida y sólida. La región inferior del diagrama

(amarilla) también es una región bifásica en la que coexisten dos

fases sólidas. La cantidad de cada fase presente depende de la

temperatura y la composición química de la aleación.

La aleación 1 del diagrama, de composición 61,9% de Sn y 38,1% de

Pb es una aleación específica, llamada composición eutéctica, que

solidifica a temperatura más baja que todas las demás aleaciones. La

temperatura a la que tienen lugar esta solidificación es la

temperatura eutéctica (183°C).



Cuando una aleación de composición eutéctica, en estado líquido, se

enfría lentamente hasta alcanzar la temperatura eutéctica, la fase

líquida se transforma simultáneamente en dos formas sólidas no

solubles entre ellas (solución α y solución β), según la reacción:

Líquido(61,9%Sn) = Solución sólida α (19,2%Sn) + Solución

sólida β (97,5%Sn)

En el punto eutéctico coexisten tres fases en equilibrio: fase líquido,

fase α y fase β

Una vez se ha completado la reacción eutéctica, si la mezcla

continúa enfriándose hasta temperatura ambiente hay una

disminución de la solubilidad en estado sólido del soluto en las

soluciones sólidas α y β, de manera que la composición de estas

soluciones variará con la temperatura, como también lo hará la

cantidad de cada una de la fases presentes.

La aleación 2 del diagrama, de composición 40% Sn y 60% Pb,

representa una aleación que se deja enfriar a partir del estado

líquido a 300 °C (punto "a") hasta la temperatura ambiente. A

medida que la temperatura desciende por debajo de 300°C (punto

"a") la aleación permanecerá líquida hasta que la línea de liquidus

resulte intersecada en el punto "b" a una temperatura aproximada de

245°C, a partir de la cual parte del líquido empezará a precipitar en

forma de solución sólida α (fase sólida con un 12 % de Sn en

disolución). La cantidad de fase sólida α irá aumentando en

detrimento de la fase líquida a medida que la temperatura



disminuya. En el punto "c" la solución sólida α presenta

aproximadamente un 15% de Sn en disolución y la fase líquida

aproximadamente un 48%. La cantidad de cada una de ellas es de

24% de fase α y 76% de fase líquida (resultados obtenidos por

aplicación de la regla de la palanca). En el punto "d", justo por

encima de 183°C, la cantidad de líquido que ha precipitado ya en

forma de solución sólida α es del 51%, quedando aún un 49% de la

aleación en forma líquida. La cantidad de Sn disuelto en la fase

sólida es en este punto del 19,2% y en la fase líquida del 61,9%. Un

enfriamiento posterior, justo por debajo de la temperatura eutéctica,

producirá la solidificación de la fase líquida remanente según la

reacción eutéctica dando lugar a una mezcla de fases sólidas α

(19,2% Sn) + β (97,5% Sn), concretamente 73% de fase α y 27% de

fase β. Del 73% de fase α presente en este punto, sólo un 22% es

sólido formado mediante reacción eutéctica, el 51% restante es

sólido α proeutéctico formado antes de la reacción. El 27 % del

sólido β es eutéctico.

EJEMPLO: Una aleación de Pb-Sn contiene un 30% en peso de

beta y un 70% de alfa a 50°C. ¿Cuál es la composición media

de Pb y Sn en esta aleación?



Figura 2.9 Diagrama de fases plomo-estaño

A 50°C la cantidad de estaño disuelto en fase alfa es

aproximadamente del 2% (ver figura 2.9). La fase beta es 100% de

estaño, no presenta Pb en disolución.



Llamando X al % en peso de estaño y aplicando la regla de la palanca

para la fase alfa:

La composición de la aleación es de 31,4% en peso de estaño y

68,6% en peso de plomo.

PARTE EXPERIMENTALMateriales:

Crisol de porcelana (de 50ml de capacidad)

Horno de laboratorio a gas (parecía de cemento)



Termómetro desde -10ºC hasta 420ºC

Pinza (usado para sujetar el crisol)

Cronómetro (se toma tiempo cada 15 segundos)

Sn-Estaño y Pb-Plomo (para hacer diferentes aleaciones)

Balanza (mecánica)

Soporte universal (para sujetar la pinza con el termómetro)

Lingotera (ahí vertimos la aleación luego de sacar el termómetro)

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1.-Pesamos las cantidades de Plomo (Pb) y Estaño (Sn) requeridas para elaborar la

aleación de los metales.

3ER LABORATORIO DE FISICO - QUÍMICAPágina 25PLOMO


2.-Armamos el equipo tal como se muestra en la imagen



3.-Colocamos el Crisol con el Sn y el Pb dentro del horno.

4.-Prendemos el Mechero y lo colocamos debajo del crisol y esperamos a que los

metales se fundan.



5.-Agitamos la solución con la bagueta para homogeneizarla y apagamos el mechero,

introducimos el termómetro para medir la temperatura

6.-Una vez que la

temperatura ha llegado a su punto máximo y comienza el descenso comenzamos a


FUNDICION


tomar mediciones de la temperatura a intervalos de 10 segundos hasta que la solución

haya solidificado por completo.

7.- Calentamos una vez más hasta lograr

retirar el termómetro y conseguir una

solución líquida

8.-Vertemos la solución mientras

se encuentra líquida en la lingotera que ha sido previamente calentada y conseguimos

un lingote de forma cónica.


SOLIDO



ALEACION Pb - Sn


CUESTIONARIO

80 % Pb – 20% Sn


Temperatura T (º

C )

Tiempot (s)

Temperatura T (º C )

Tiempot (s)


Tiempot (s)

380 0 220 285 140 570376 15 213 300 136 585367 30 207 315 134 600355 45 202 330 131 615343 60 196 345 128 630332 75 194 360 125 645320 90 190 375 122 660313 105 186 390 119 675308 120 182 405 116 690304 135 180 420 115 705297 150 178 435 113 720282 165 177 450 109 735276 180 175 465 106 750266 195 168 480 105 765257 210 163 495 103 780248 225 156 510 101 795241 240 152 525 99 810233 255 148 540226 270 144 555


0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

50

100

150

200

250

300

350

400

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)

Temperatura vs Tiempo80% Pb y 20% Sn



60% Pb – 40% Sn

Temperatura T (º

C )

Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

390 0 212 330 139 660388 15 212 345 136 675380 30 211 360 133 690369 45 210 375 131 705356 60 209 390 128 720344 75 205 405 126 735331 90 201 420 122 750321 105 196 435 121 765312 120 192 450 118 780308 135 187 465 116 795303 150 183 480 114 810298 165 178 495 111 825290 180 175 510 110 840277 195 175 525 108 855268 210 173 540 106 870259 225 169 555 104 885252 240 163 570 103 900242 255 156 585 101 915237 270 153 600 100 930230 285 149 615 97 945223 300 145 630 96 960



218 315 142 645

0 200 400 600 800 1000 12000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




85 % Pb – 15 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

380 10 207 310 126 610371 20 203 320 125 620365 30 200 330 122 630357 40 196 340 121 640347 50 193 350 120 650338 60 189 360 118 660330 70 185 370 117 670322 80 182 380 115 680314 90 179 390 114 690307 100 176 400 112 700304 110 173 410 111 710302 120 170 420 109 720300 130 167 430 108 730297 140 165 440 107 740296 150 162 450 105 750294 160 160 460 104 760290 170 157 470 103 770280 180 155 480 102 780271 190 152 490 100 790264 200 149 500 99 800256 210 147 510 98 810250 220 144 520 97 820244 230 142 530 96 830239 240 140 540 95 840235 250 138 550 94 850229 260 136 560 93 860224 270 134 570 91 870220 280 132 580 91 880215 290 130 590 90 890211 300 128 600



0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

400

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




83 % Pb – 17 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

380 10 209 310 126 610368 20 205 320 125 620363 30 200 330 123 630355 40 197 340 121 640346 50 194 350 119 650338 60 191 360 118 660329 70 188 370 116 670322 80 181 380 114 680315 90 178 390 112 690307 100 175 400 110 700304 110 172 410 109 710303 120 169 420 108 720302 130 166 430 106 730299 140 164 440 105 740295 150 161 450 104 750291 160 158 460 102 760286 170 155 470 101 770281 180 153 480 100 780274 190 151 490 99 790265 200 148 500 98 800259 210 146 510 97 810253 220 144 520 96 820246 230 141 530 95 830241 240 140 540 94 840235 250 138 550 93 850230 260 136 560 92 860226 270 134 570 91 870222 280 131 580 90 880217 290 130 590 89 890214 300 128 600



0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10000

50

100

150

200

250

300

350

400

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




82 % Pb – 18 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

291 0 210 240 151 480289 10 206 250 149 490

284,5 20 202,5 260 147 500

280 30 199 270 145 510

275 40 195,5 280 143 520270,5 50 194 290 141,5 530

265,5 60 189 300 140 540

260,5 70 186 310 138,5 550257 80 183 320 137 560

254,5 90 180 330 135,5 570

252 100 177,5 340 134,5 580249,5 110 175 350 133 590

247,5 120 173 360 132 600

245 130 172 370 131 610242 140 171 380 129,5 620

240 150 169,5 390 128,5 630

237 160 168 400 127 640233,5 170 166,5 410 126 650

230 180 164 420 124,5 660

226,5 190 162 430 123,5 670224 200 159,5 440 122,5 680

220 210 157,5 450 121,5 690216,5 220 155 460 120 700

213 230 153 470



0 100 200 300 400 500 600 700 8000

50

100

150

200

250

300

350

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




72.5 % Pb – 27.5 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

279 0 190 230 146 460275 10 186 240 144 470270 20 184 250 143,5 480266 30 181 260 141 490262 40 178 270 139 500257 50 175 280 137 510252 60 173 290 135,5 520248 70 170 300 134 530242 80 168 310 132,5 540237 90 166 320 131,5 550233 100 163 330 130,5 560

229 110 161 340 129 570225 120 159 350 128 580220 130 158 360 127 590217 140 156 370 126 600214 150 155 380 125 610212 160 154,5 390 124 620209 170 153,5 400 123 630206 180 152,5 410 121,5 640203 190 151 420 120,5 650199 200 149,5 430 119 660196 210 148,5 440193 220 147 450



0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)Temperatura vs Tiempo72.5 % Pb y 27.5% Sn



70 % Pb – 30 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

245 0 174,5 120 144 240

239 10 170,5 130 143 250

228 20 167 140 141 260

219 30 162,5 150 139,5 270

212 40 160 160 137 280

207 50 158,5 170 135 290

203 60 155 180 132 300

197 70 152 190 129 310

194 80 150 200 126 320

188 90 148 210 124 330

184 100 146 220 122 340

179 110 145 230 119 350



0 50 100 150 200 250 300 350 4000

50

100

150

200

250

300

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




60 % Pb – 40 % Sn


Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)

325 0 240 270 170 540318 15 235 285 167 555311 30 229 300 165 570304 45 224 315 162 585297 60 219 330 159 600293 75 215 345 157 615288 90 211 360 155 630284 105 207 375 153 645279 120 204 390 151 660277 135 199 405 150 675270 150 196 420 148,5 690266 165 192 435 147 705261 180 188 450 146 720256 195 186 465 144 735252 210 183 480 142 750248 225 179 495 140 765244 240 176 510240 255 173 525



0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

50

100

150

200

250

300

350

TIEMPO (SEGUNDOS)

TEM

PERA

TURA

(º C

)




50% de Pb y 50% de Sn:

Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 288 270 192 540 152

15 284 285 188 555 151

30 277 300 185 570 149

45 273 315 180 585 147

60 267 330 176 600 145

75 261 345 174 615 144

90 256 360 172 630 142

105 248 375 171 645 140

120 242 390 169 660 139

135 235 405 167 675 137

150 230 420 165 690 135

165 224 435 164 705 133

180 216 450 162 720 131

195 212 465 159 735 129

210 206 480 158 750 127

225 203 495 156 765 125

240 199 510 155

255 196 525 153



0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

50

100

150

200

250

300

350


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 275 210 195 420 156

10 270 220 193 430 154

20 265 230 190,5 440 151

30 260 240 188 450 148,5

40 256 250 186 460 146,5

50 250 260 184 470 144,5

60 246 270 181,5 480 142

70 242 280 179,5 490 140

80 237 290 177,5 500 138

90 233 300 175 510 135,5

100 230 310 173 520 134

110 226 320 171 530 132

120 222 330 169,5 540 130,5

130 219 340 167,5 550 129

140 215 350 165,5 560 127

150 211 360 164,5 570 125

160 208 370 163,5 580 124

170 205 380 161,5 590 123,5

180 202 390 160 600 120

190 199 400 159,5

200 197 410 158,5



0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 295 220 213 440 162

10 292 230 210 450 160

20 285 240 207 460 158,5

30 284 250 203 470 157

40 283 260 200 480 156

50 278 270 197 490 155

60 275 280 194,5 500 153,5

70 270,5 290 191,5 510 152

80 267 300 189 520 150

90 262 310 187 530 148,5

100 258 320 185 540 147

110 254 330 182,5 550 145

120 250 340 180 560 143,5

130 246 350 178 570 141

140 243 360 175,5 580 140

150 239 370 174 590 138

160 234,5 380 172 600 136

170 230,5 390 170 610 134

180 228 400 168 620 132,5

190 224 410 166 630 131,5

200 220 420 164,5 640 129

210 216,5 430 163 650 127,5



0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

350


tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)



38.1% de Pb y 71.9% de Sn:

Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 244 210 170 420 137

10 243 220 168 430 136

20 240 230 166 440 135

30 238 240 164 450 134

40 230 250 162 460 134

50 225 260 158 470 133

60 223 270 156 480 132,5

70 218 280 154 490 132

80 215 290 153 500 131

90 209 300 151 510 130

100 205 310 149 520 129,5

110 200 320 147 530 128,5

120 199 330 146 540 126,5

130 190 340 144 550 125

140 188 350 143 560 124

150 185 360 141 570 123

160 180 370 140 580 122

170 178 380 139 590 120,5

180 177 390 138 600 120

190 174 400 138

200 173 410 137



0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300

Temperatura vs Tiempo38.1% Pb y 71.9% Sn

Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 330 240 229 480 17615 324 255 225 495 17430 315 270 220 510 17345 309 285 215 525 17160 301 300 211 540 16975 294 315 207 555 16790 289 330 202 570 166

105 281 345 198 585 165120 274 360 194 600 165135 268 375 191 615 164150 263 390 188 630 163165 255 405 184 645 162,5180 250 420 181 660 162195 245 435 179 675 161210 239 450 178225 234 465 177



0 100 200 300 400 500 600 700 8000

50

100

150

200

250

300

350


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 276 160 216 320 173

10 272 170 212 330 170

20 268,5 180 209 340 168

30 265 190 205 350 166

40 262 200 201 360 164,5

50 259 210 198 370 163

60 255 220 196,5 380 160

70 250 230 194,5 390 158

80 247 240 193 400 156

90 242,5 250 191 410 155

100 239 260 189 420 153,5

110 235,5 270 187 430 152

120 232 280 184 440 150

130 227 290 180 450 149

140 224 300 177,5 460 147

150 220 310 175 470 145,5



0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

50

100

150

200

250

300


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 321 290 200 580 15810 318 300 199 590 15720 315 310 197,5 600 15630 311 320 196 610 15440 306 330 195 620 15350 301 340 194 630 15260 295 350 192 640 15070 291 360 190,5 650 14980 286 370 189 660 14890 280 380 188 670 147

100 275 390 186 680 146110 270 400 184 690 145120 266 410 182 700 144130 261 420 180 710 143140 256 430 179 720 142150 251 440 177 730 141160 247 450 175 740 140170 243 460 174 750 139180 239 470 172 760 138190 235 480 171 770 137200 229 490 170 780 136210 225 500 169 790 135220 221 510 168 800 134230 218 520 167 810 133240 214 530 166 820 132250 210 540 165 830 131260 206 550 163 840 130270 203 560 162280 201 570 160



0 100 200 300 400 500 600 700 800 9000

50

100

150

200

250

300

350


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)




Tiempot (s)


Tiempot (s)


Tiempot (s)


0 274 210 204 420 160

10 273 220 199 430 157

20 272,5 230 198 440 156

30 272 240 196 450 154,5

40 269 250 193 460 152

50 265 260 192 470 150

60 262 270 190 480 147

70 257 280 188 490 145

80 254 290 187 500 142

90 250 300 185 510 140

100 247 310 181 520 138

110 243 320 180 530 136

120 237 330 178 540 135,5

130 234 340 176 550 131

140 230 350 174 560 129

150 226 360 172 570 126

160 222 370 170 580 125

170 218 380 168 590 123

180 214 390 166 600 121

190 210 400 164 610 120

200 207 410 162



0 100 200 300 400 500 600 7000

50

100

150

200

250

300


Tiempo (s)

Tem

pera

tura

(°C)



Graficar el diagrama de fase Pb-Sn

experimental y compararlo con el teórico

T



CONCLUSIONES

El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir los estados que en

unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. De acuerdo a esto los

cambios de estado reflejados en el diagrama también se refiere a las condiciones

de equilibrio.

El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra como una

placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagrama experimental

observamos que la línea de liquidus está por debajo de la teórica y que la línea

de solidus no es exactamente una recta.

El diagrama de fase representa un caso teórico y en la práctica se utiliza para

estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades de calentamiento o

enfriamiento.

Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para

representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión se

consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la

composición son variables.

El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases están presentes

a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso de fabricación para

un producto metálico.

L a regla de fases da la dependencia cuantitativa entre el grado de libertad del

sistema y el número de fase y componentes



RECOMENDACIONES

Introducir el termómetro dentro del crisol de modo que solo la punta metálica

del termómetro pueda chocar con la aleación fundida.

Encender el horno hasta que la aleación este por lo menos 350°C por encima de

su punto de fusión, agitando el baño con la bagueta.

No introducir el termómetro en la aleación si esta está a más de 420°C porque el

termómetro podría estallar. Por lo cual es recomendable esperar un momento

hasta que la aleación se enfríe hasta por debajo de dicha temperatura.

Calentar la lingotera antes de verter la aleación Pb - Sn pues estas se encontrará

a alta temperatura.

Tomar el crisol con la pinza con mucho cuidado y manteniéndolo a cierta

distancia del rostro ya que podría estallar debido al cambio de temperatura y

podría dañar la vista.


3er laboratorio de fisicoquimica - diagrama de fases

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