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Facultad de Ciencias y TecnologíaLaboratorio de FisicoquímicaDiagrama de fasesEstudiantes: Oscar Andres Sanchez FrauzNancy Quiro AlaveCristhian Dario Vargas ChavezJhoselin Mamani PerezJorge Deyvit Espinoza ClaureDocente: Jenny Espinoza AlcocerAuxiliar: Hisela Nicole Ponce PintoGrupo: N° 2Fecha: 7 de...

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Universidad Mayor de San Simón Facultad de Ciencias y Tecnología

Laboratorio de Fisicoquímica Diagrama de fases Estudiantes: Oscar Andres Sanchez Frauz Nancy Quiro Alave Cristhian Dario Vargas Chavez Jhoselin Mamani Perez Jorge Deyvit Espinoza Claure Docente: Jenny Espinoza Alcocer Auxiliar: Hisela Nicole Ponce Pinto Grupo: N°2 Fecha: 7 de Diciembre del 2020 Cochabamba – Bolivia

IB

DIAGRAMA DE FASES 1.

OBJETIVOS

1.1.

Objetivo General Poder determinar mediante una gráfica de la temperatura de turbidez en función

de la composición para un sistema binario y lograr realizar un diagrama temario considerando la composición porcentual en peso de tres componentes participantes del experimento. 1.2.

Objetivos Específicos 

Diferenciar mezclas miscibles e inmiscibles.



Comprender la regla de fases de Gibbs.



Estudiar el concepto de componente, sistema binario y sistema ternario.

2.

MARCO TEÓRICO Para dar comienzo damos referencia sobre el Diagrama de Fase que es un

producto del equilibrio energético en el proceso de cambiar una fase de la muestra o el proceso de cambiar de estado de cada sustancia involucrada donde básicamente es la combinación de muchos de los materiales sólidos que son un conjunto de estructuras con propiedades físicas que son útiles para nuestro entorno y nos ayudan a formar parte en la función de una composición y

sirven para el estudio de soluciones a diferentes

composiciones en diferentes temperaturas. Cambios de estado: Son los procesos a través de los cuales un estado de la materia cambia a otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación se describen los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase de la materia: 

Fusión: Es el paso de un sólido al estado líquido por medio dela energía térmica; durante este proceso isotérmico (proceso que absorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en que la temperatura permanece constante. El" punto de fusión" es la temperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valores particular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas se moverán en una forma independiente, transformándose en un líquido.



Solidificación: Es el paso de un líquido a sólido por medio del enfriamiento; el proceso es exotérmico. El "punto de solidificación" o de congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica y permanece constante durante el cambio, y coincide con el punto.



Vaporización: Es el proceso físico en el que un líquido pasa a estado gaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad del líquido iguala al punto de ebullición del líquido a esa presión al continuar calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sin aumentarla temperatura: el calor se emplea en la conversión del agua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad dela masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura del gas. La evaporación se produce a cualquier temperatura, aunque es mayor cuanta más alta es la temperatura. Es importante e indispensable en la vida cuando se trata del agua, que se transforma en vapor de agua y al condensarse en nube, volviendo en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío. Cuando existe un espacio libre encima de un líquido caliente, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, la cantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturaste, la cual no de pende de la temperatura.



Condensación: Se denomina condensación al cambio de estado de la materia que se encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es el proceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estado gaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamado sublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido a sólido se denomina solidificación.



Sublimación: Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Al proceso inverso se le denomina Sublimación inversa; es decir, el paso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse es el hielo seco.

Es importante hacer notar que en todas las transformaciones de fase de las sustancias es de que éstas no se transforman en otras sustancias ni sus propiedades, solo cambia su estado físico. Las diferentes transformaciones de fase de la materia en este caso las del agua son necesarias y provechosas para la vida y el sustento del hombre cuando se desarrollan normalmente. Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos: progresivos y regresivos. Miscibilidad: Es un término usado en química que se refiere a la propiedad de algunos líquidos para mezclarse en cualquier proporción, formando una disolución. En principio, el término es también aplicado a otras fases (sólidos, gases), pero se emplea más a menudo para referirse a la solubilidad de un líquido en otro. El agua y el etanol (alcohol etílico), por ejemplo, son miscibles en cualquier proporción. Dilución: La dilución consiste en rebajar la cantidad de soluto por unidad de volumen de disolución. Se logra adicionando más diluyente a la misma cantidad de soluto: se toma una poca porción de una solución alícuota y después esta misma se introduce en más disolvente. Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva. Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva. Transición de fases: En termodinámica, una transición de fase es la transformación de un sistema termodinámico de una fase a otra. Un ejemplo son los cambios de estado (transiciones entre los estados de agregación de la materia). Algunos ejemplos de transición de fases: Cambios de estado: Transiciones entre los estados de agregación de la materia: sólido, líquido, gas y plasma, en una sustancia.

Una transformación eutéctica, en la que los dos componentes de la mezcla cambian de estado de agregación. La transición entre las fases ferromagnética y paramagnética. Diagrama de fases: Los materiales en estado sólido pueden estar formados por varias fases. La combinación de estas fases define muchas propiedades que tendrá el material. Por esta razón, se hace necesario tener una herramienta teórica que permita describir las fases que estarán presentes en el material. Esa herramienta teórica se llama “Diagrama de fase” que podemos definir desde el punto de vista micro estructural a una fase como parte homogénea de un material que difiere en composición, estado o estructura. En el caso del agua pura, tenemos tres fases. Representamos su diagrama.

En el caso de la congelación del agua (procese del hielo) tenemos dos fases a 0ºC, la líquida y la sólida. Tenemos tres líneas importantes en este diagrama. 1º Línea de Solidificación. 2º Línea de Vaporación. 3º Línea de Sublimación. Y la unión de las tres creas este punto mágico donde coexisten las tres fases. Se le denomina punto triple. Pero si el punto es mágico, más lo es el propio diagrama. Las fases solidas en un material tienen las siguientes características: Los átomos que forman la fase tienen la misma estructura o arreglo atómico. La fase tiene la misma composición química en todo su volumen. Presentan las mismas propiedades físicas. Posee una interface definida con su entorno.

Diagrama de fases binario (Isomorfos) Para definir una isoterma del porcentaje en peso de cada elemento, representada en la imagen por el segmento L-S. Esta línea se traza horizontalmente desde la temperatura de composición de una fase hasta la otra (en este caso desde el líquido al sólido). El porcentaje en peso del elemento B en el líquido viene dado por wl y en el sólido por ws. El porcentaje de sólido y líquido puede ser calculado usando las siguientes ecuaciones, que constituyen la regla de la palanca: % peso de la fase sólida % peso de la fase líquida

Donde wo es el porcentaje en peso del elemento B en el sistema. Diagrama binario con fases sólida y líquida, con la representación de la isoterma (LS). Diagrama de fase eutécticas. La composición eutéctica presenta el punto de solidificación más bajo de todo el sistema y por lo tanto la temperatura eutéctica es la temperatura más baja a la cual puede existir alguna porción de fase liquida. Si prosigue el enfriamiento a partir de este punto, todo el líquido que quede (que tendrá composición eutéctica) solidifica formando simultáneamente las dos posibles fases sólidas, α y β. Se da la circunstancia de que para una determinada composición existe una estabilidad asombrosa en estado líquido y por tanto se "retarda" el proceso de solidificación. Veamos esto en un diagrama: Si el componente es puro (a la izquierda del diagrama), la temperatura de fusión (TA) es aprox 1380ºC. Para B puro (a la derecha del diagrama) la fusión tiene lugar a 1485ºC. Si añadimos algo de B a A, por ejemplo, un 20% (flecha roja) la temperatura de fusión (cristalización) se

acerca a los 1360ºC. Hemos conseguido reducir la temperatura a la que empieza la solidificación. Para una mezcla de 60% (flecha azul) en B, tenemos un proceso parecido. Cuando la concentración, para esta aleación, es del 50%, tenemos la temperatura más baja, dando lugar al punto Eutéctico. Composición de cada fase. Regla de la palanca: Es una herramienta para determinar el porcentaje en peso de cada fase en un diagrama de fases binario. Se usa para determinar el porcentaje en peso de las fases líquida y sólida de un sistema binario composición-temperatura entre líquido y sólido.

En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones Bifásicas, sin embargo, se deberá calcular la cantidad de cada fase. Una técnica es hacer un balance de materiales. Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier región bifásica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el cálculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente). Diagramas de fase de equilibrio: Los diagramas de equilibrio de fase son mapas (por ejemplo, en el espacio temperaturapresión o temperatura-composición) de las fases estables de un material en función de las condiciones de P, T y composición. Ejemplo diagrama de fase (Agua).

Sistema ternario: 3 componentes: Sería muy difícil contrastar la presión o temperatura contra las concentraciones de los tres componentes, por lo que para este tipo de Sistemas es necesario tomar la presión y temperatura constantes para solo contrastar las Concentraciones de los componentes A, B, C.

3.

EQUIPOS, MATERIALES Y REACTIVOS

3.1.

Equipos



Termómetro



Balanza analítica



Campana de extracción de gases

3.2.

Materiales



Bureta



Pinza de tres dedos



Soporte universal



Tubo de ensayo



Termómetro



Vaso de precipitado



Pipeta graduada



Gradilla

3.3.

Reactivos



Fenol



Agua



Cloroformo



Ácido acetico

4.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Sistema binario: fenol y agua 

En un tubo de ensayo introducir una cantidad determinada de fenol y otra de agua destilada.



Colocar los tubos sobre una gradilla.



Calentar cada tubo de ensayo en baño María y medir la Temperatura del tubo a la cual la mezcla se clarifica (Temperatura de clarificación).



Secar el tubo de ensayo del baño de María y dejarlo enfriar lentamente. Tomar la temperatura a la cual el líquido se enturbia (Temperatura de turbidez).



Seguir el mismo procedimiento con tubos de ensayo (del 2 al 8) que contienen diferentes volúmenes de agua y fenol.

Sistema ternario: cloroformo, ácido acético y agua 

En siete tubos de ensayo introducir cantidades diferentes de cloroformo y ácido acético, en proporciones que van desde 0.2 ml hasta 1,4 ml y desde 1,4 ml hasta 0.2 ml respectivamente.



Colocar los tubos sobre una gradilla.



A cada uno de los tubos de ensayo, agregar a través de una bureta.



Agua destilada gota a gota, hasta que la solución presente una turbidez.



Anotar el volumen de agua agregada a cada tubo de ensayo.



Medir la temperatura del Agua Destilada.

5.

DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS

5.1.

Datos

SISTEMA BINARIO: FENOL Y AGUA Temperatura de destilación del Agua = TH2 O dest = 21 °C Densidad del Agua a 21°C = ρH2O = 0,998 g/mL

N°

Fenol (C6H6O) [g]

H2O destilada [mL]

Temperatura de

Temperatura de

clarificación [°C]

turbidez [°C]

1

0,2

0,2

39

36

2

0,2

0,4

38

34

3

0,2

0,6

39

35

4

0,2

0,8

37

34

5

0,2

1,0

30

29

6

0,2

1,2

34

33

7

0,2

1,4

33

32

8

0,2

1,6

40

35

SISTEMA TERNARIO: CLOROFORMO, ACIDO ACETICO Y AGUA Pureza del Cloroformo = %PurezaCHCl3 = 99% Densidad del Cloroformo = ρCHCl3 = 1,47 g/mL Pureza del Ácido Acético = %PurezaHAc = 99,4% Densidad del Ácido Acético = ρHAc = 1,05 g/mL Temperatura de destilación del Agua = TH2 O dest = 21 °C Densidad del Agua a 21°C = ρH2O = 0,998 g/mL

5.2.

N°

CHCl3 [mL]

Ácido Acético (HAc) [mL]

H2O (Experimental) [mL]

1

0,2

1,4

1,40

2

0,4

1,2

0,80

3

0,6

1,0

0,50

4

0,8

0,8

0,40

5

1,0

0,6

0,20

6

1,2

0,4

0,10

7

1,4

0,2

0,05

Cálculos

SISTEMA BINARIO: FENOL Y AGUA Regla de fases de Gibbs: f =P−C+2 f ⟶ Grados de Libertad ⟶ N° variables intensivas

P ⟶ N° de componentes ⟶ 𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙 𝑦 𝑎𝑔𝑢𝑎 C ⟶ N° de fases ⟶ Sólida y líquida f = P− C + 2 = 2 − 2 + 2 = 𝟐 El valor de f nos indica que el sistema depende de 2 variables intensivas, las cuales son: 

Turbidez



%Fenol o %H2O

Masa de agua: mH2 O = ρH2O ∗ VH2 O N°

H2O destilada [mL]

Masa de H2O [g]

1

0,2

0,200

2

0,4

0,399

3

0,6

0,599

4

0,8

0,798

5

1,0

0,998

6

1,2

1,198

7

1,4

1,397

8

1,6

1,597

Porcentaje en masa (%m/m) de Fenol: %Fenol = N°

Fenol (C6H6O) [g]

mFenol ∗ 100 mFenol + mH2O Masa de H2O [g]

Porcentaje de Fenol [%]

1

0,2

0,200

50,00

2

0,2

0,399

33,39

3

0,2

0,599

25,03

4

0,2

0,798

20,04

5

0,2

0,998

16,69

6

0,2

1,198

14,31

7

0,2

1,397

12,52

8

0,2

1,597

11,13

Porcentaje en masa (%m/m) de agua: %H2 O = 100 − %Fenol N°

Porcentaje de Fenol

Porcentaje de H2O

[%]

[%]

1

50,00

50,00

2

33,39

66,61

3

25,03

74,97

4

20,04

79,96

5

16,69

83,31

6

14,31

85,69

7

12,52

87,48

8

11,13

88,87

Tabla Resumen: N

Fenol [g]

H 2O

Temperatura

Temperatura

Porcentaje de

Porcentaje de

[mL]

de clarificación

de turbidez

Fenol [%]

H2O [%]

[°C]

[°C]

° 1

0,2

0,2

39

36

50,00

50,00

2

0,2

0,4

38

34

33,39

66,61

3

0,2

0,6

39

35

25,03

74,97

4

0,2

0,8

37

34

20,04

79,96

5

0,2

1,0

30

29

16,69

83,31

6

0,2

1,2

34

33

14,31

85,69

7

0,2

1,4

33

32

12,52

87,48

8

0,2

1,6

40

35

11,13

88,87

Gráfico de la temperatura de turbidez en función de la composición de fenol y agua que tiene cada tubo de ensayo: X1 = Porcentaje

X2 = Porcentaje

Y = Temperatura

N°

de Fenol [%]

de H2O [%]

de turbidez [°C]

1

50,00

50,00

36

2

33,39

66,61

34

3

25,03

74,97

35

4

20,04

79,96

34

5

16,69

83,31

29

6

14,31

85,69

33

7

12,52

87,48

32

8

11,13

88,87

35

Realizar la gráfica solo para el porcentaje de Fenol, ya que para el agua sería lo mismo si se la representa en dirección contraria.

SISTEMA TERNARIO: CLOROFORMO, ACIDO ACETICO Y AGUA Masa de Cloroformo: mCHCl3 = VCHCl3 ∗ ρCHCl3 ∗ %PurezaCHCl3 N°

VCHCl3 [mL]

mCHCl3 [g]

1

0,2

0,291

2

0,4

0,582

3

0,6

0,873

4

0,8

1,164

5

1,0

1,455

6

1,2

1,746

7

1,4

2,037

Masa de Ácido Acético: mHAc = VHAc ∗ ρHAc ∗ %PurezaHAc N°

VHAc [mL]

mHAc [g]

1

1,4