informe n°3 sistema binario-fisicoquimica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA DE PETROLEO, GAS NATURAL Y PETROQUÍMICA

CURSO:

FISICOQUÍMICA

INTEGRANTES:

AVILA ACOSTA CARLOS BRYAN 20142210J

FECHA DE ENTREGA:

09-11-15

DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO Fisicoquímica

DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMADIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO BINARIO


“DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO”

I. OBJETIVOS

Aprender a elaborar diagramas de fase un sistema binario partiendo de los termogramas.

Analizar y graficar los termogramas tanto de enfriamiento como de calentamiento KCl-H2O.

Graficar el diagrama de fases posteriormente reconocer los puntos, líneas y zonas relevantes de dicho diagrama.

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Diagramas de fase para sistemas binarios

Estos diagramas son sumamente importantes en áreas como la metalurgia o la química-física, por lo cual veremos un par de ejemplos en esta sección.

Ya habíamos notado que 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 y 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 X1 se 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 intersecta 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 y . En este caso la fase α β es rica en el elemento 1 y la es rica enβ 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 que dependen del tiempo que dure el proceso. El nombre de este efecto en inglés es ``creep'', que significa deslizarse o arrastrarse, y no ha sido traducido al castellano en este contexto, por lo que se lo invoca ingeniosamente como creep.



Un ejemplo de este fenómeno ocurre con el tungsteno, cuya temperatura de fusión ronda los 3500 K. Respecto de ella, la temperatura ambiente es muy baja, pero el funcionamiento de una lámpara con filamento de tungsteno eleva la temperatura a unos 2000 C: esta temperatura es suficientemente alta como para que comience a notarse el creep, provocándose deformaciones que finalmente hacen que el contacto entre espiras vecinas lleguen a quemar el filamento (vale la pena analizar una lámpara finada para corroborarlo).

La mayoría de los metales se funden a temperaturas altas (por encima de 1000 K), y el creep se hace notorio cuando se trabaja a temperaturas medianamente cercanas a las de fusión; por este motivo, este fenómeno resulta poco familiar. Una excepción es el plomo, que se funde a 600 K, de manera que a temperatura ambiente puede observarse el creep, por ejemplo en cañerías de algunas instalaciones sanitarias.

Otro ejemplo interesante es el de los glaciares moderados, cuyas temperaturas son próximas a 0oC: el creep se evidencia en el arrastre o deslizamiento rápido que hace que los glaciares se desplacen.

Finalmente, conviene citar el caso de los álabes de turbinas, que requieren materiales muy resistentes, en particular resistentes al creep, pues para mejorar la eficiencia de los ciclos termodinámicos involucrados se los hace alcanzar temperaturas que rondan los 1000 C. Para lograr esta característica se recurre a `súper-aleaciones de níquel', cuyos principales componentes son Ni

(59%), Co y W (10% cada uno), Cr (9%), Al (5,5%), Ta (2,5%), Ti y Hf (1,5% cada uno) y otros componentes minoritarios (Fe, Mo, C, etc.). Al solidificarse este material, se forman precipitados de Ni3Al, Ni3Ti, MoC y TaC que obstruyen posibles dislocaciones: si bien el punto de fusión de esta mezcla es 1280o C y las turbinas operan alcanzando 850o C, se ha logrado un notable éxito al eludir eficientemente las deformaciones permanentes asociadas con el creep.

EQUILIBRIO SOLIDO – LIQUIDO EN SISTEMAS DE DOS COMPONENTES

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 1 atm y se estudia el diagrama de fases sólido-líquido T vs XA

Para un sistema de dos componentes, los grados de libertad son:

F=2−P+2=4−P

Es decir si el sistema consta de una fase, hace falta 3 variables para describirlo o solo se tiene que variar 3 condiciones para alcanzar una condición de equilibrio. En este caso



hemos trabajado a una presión constante, por lo que solo se tendrá que especificar dos condiciones más para poder explicar el sistema; estas serán las concentraciones de dos componentes.

MISCIBILIDAD EN FASE LIQUIDA E INMISCIBILIDAD EN FASE SOLIDA

Cuando un sistema se enfría sin que se produzca ninguna transformación, la curva de enfriamiento muestra como la temperatura cae prácticamente con velocidad constante. La aparición de cristales en el paso de una modificación cristalina a otra, se acompaña de un desprendimiento de calor, a consecuencia de lo cual, la caída de temperatura se hace más lenta o se

corta temporalmente

Por lo tanto cualquier inflexión en la curva de enfriamiento indica el comienzo de cierta transformación 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 sí, 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 siguienteEn 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 X’A 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 X’B 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.


t (seg)


Las dos curvas del punto de congelación se interceptan en el punto E. Para una disolución con X’A a la izquierda de E, se congelará el sólido B cuando T disminuye; si X’A

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 X’A 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’’’.

Para conseguir una idea aproximada de la forma de las curvas DE y CE, se desprecia la dependencia de la temperatura de H Δ fus, A y HΔ fus, B. Las ecuaciones que incluyen aproximaciones para las curvas DE y CE, son:

III. PARTE EXPERIMENTAL

Materiales y reactivos:

1 termómetro de 100°C1 mechero bunsen3 tubos de ensayo1 gradilla1 rejilla de asbesto1 luna de reloj1 vaso de precipitación de 300 ml

1 bagueta1 gramo de paradiclorobenceno3 gramos de naftaleno1 cronometro1 balanza

IV. PROCEDIMIENTOa) Los productos químicos se

deben pesar: 0.5 gr de naftaleno, se pesa 1 gr de p-diclorobenceno. Una vez pesados independientemente los productos e mezclan íntimamente y se añaden al tubo de ensayo, el cual se coloca convenientemente para su calentamiento, quizás es la operación más delicada ya que la pérdida de producto o una mala mezcla de los mismos conducen a errores apreciables.

b) Se calienta suavemente la mezcla hasta que esté completamente líquida y luego se introduce el termómetro en el seno de la disolución. El bulbo del termómetro debe quedar en el centro de la masa y no tocar las paredes del tubo de ensayo. Si al introducir el termómetro se forma solido es preciso volver a calentar con cuidado hasta la fusión completa. Se retira el tubo de ensayo con la mezcla y se toma las temperaturas en aprox. 10 segundos, poniendo especial atención en observar la aparición de sólido en la disolución. Con los datos se



construye una gráfica y se deduce el punto de fusión de la mezcla.

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

•1.040 gr de Paradiclorobenceno Intervalo de tiempo: 10seg

Temperatura (°c)

Tiempo (s)

53 0 5.5 10 49 20 45 30 43 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

102030405060

f(x) = − 0.255 x + 53.2

Tiempo(s)

TEM

PERA

TURA

(°C)

-Antes de proceder a determinar los puntos de congelación de la mezcla es recomendable hacer la gráfica de temperatura vs tiempo de cada uno de los dos productos y así poder tener los puntos de fusión de los productos empleados.

-El procedimiento consiste en fundir el producto puro, introducir el termómetro en el interior de la sustancia liquida y tomar las temperaturas en función del tiempo. Con los datos, construir la gráfica de Temperatura (eje Y) frente a Tiempo (eje X). La temperatura correspondiente a la parte horizontal de la curva es el punto de fusión.

•Para el Paradiclorobenceno +0.5099 gr de Naftaleno Intervalo de tiempo: 10seg

Temperatura (°c)

Tiempo (s)

54 0 48 10 43.5 20 41 30 38.5 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

102030405060

f(x) = − 0.38 x + 52.6

TIEMPO (s)

TEM

PERA

TURA

(°C)


Temperatura (°c)

Tiempo (s)

58 0 56 10 51 20 45 30 41.9 40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

10203040506070

f(x) = − 0.432 x + 59.02

TIEMPO (s)

TEM

PERA

TURA

(°C)




Temperatura (°c)

Tiempo (s)

65 0 55.5 10 50 20 47 30

0 5 10 15 20 25 30 350

10203040506070

f(x) = − 0.595 x + 63.3

TIEMPO (s)

TEM

PERA

TURA

(°C)


Temperatura (°c)

Tiempo (s)

68 0 62.5 10 57.5 20 46.5 30

0 5 10 15 20 25 30 350

20

40

60

80

f(x) = − 0.695 x + 69.05

TIEMPO (s)

TEM

PERA

TURA

(°C)


Temperatura (°c)

Tiempo (s)

72 0 67.5 10 65.5 20

0 5 10 15 20 2562646668707274

f(x) = − 0.325 x + 71.5833333333333

TIEMPO (s)

TEM

PERA

TURA

(°C)

Con los datos anteriores hallamos la constante crioscópica

Molalidad Variación de temperatura

3.706017.47857711.2413115.075918.908922.6785

0 8 17 23 28 28

0 5 10 15 20 2505

1015202530

f(x) = 1.54851705972221 x − 3.07849513237183

Axis Title

Axis

Titl

e

-Por lo tanto la constante crioscópica es 1.5485 debido a que es la pendiente de la gráfica que se muestra arriba.

VI. CONCLUSIONES

Las propiedad de una solución depende dela concentración de las partículas de soluto y no de sus propiedades coligativas



Las propiedades coligativas incluyen disminución de la presión de vapor, elevación del punto de ebullición, descenso del punto de congelación y de la presión osmótica.

El descenso crioscópico o del punto de congelación de una solución diluida depende de la concentración de soluto y del tipo de solvente utilizado.

Cuando aumenta la concentración del solvente dentro del soluto el tiempo transcurrido para que alcance la temperatura de congelación tendrá que ser mayor

Se concluye también que el punto eutéctico es la máxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalización del solvente y soluto.

Se concluye que la temperatura del punto eutéctico para esta solución está por debajo de los 00c. esto debido a que la adición de cloruro de sodio en el agua hace que la temperatura de solidificación disminuya.

VII. RECOMENDACIONES

Hay que tener sumo cuidado al momento del uso de los materiales, mencionando con

mayor énfasis “el termómetro” ya que si éste lo juntamos directamente con el hielo se rompe y el mercurio se derrama.

Se debe tapar bien el sistema al momento de hacer el sistema de enfriamiento para obtener las temperaturas adecuadas y así disminuir el error en los resultados.

Al momento que medimos las temperaturas en el sistema de enfriamiento debemos de llegar a una temperatura de -15oC o temperatura bien cercana a ella para obtener óptimos resultados.

VIII. BIBLIOGRAFÍA

http://www.famaf.unc.edu.ar/~gcas/termo1/clases/node67.htmlwww.xtec.cat/~maleman1/uned/unedcurset22.htmlEnciclopedia Encarta 2009 Biblioteca Premium / Tabla periódica.Ira N. Levine. “Fisicoquímica”. Editorial: Mc Graw Hill, quinta edición, Volumen 1, Madrid, 2004, Paginas: 457 – 458 – 459 – 465.


http://www.famaf.unc.edu.ar/~gcas/termo1/clases/node67.html



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