Diagrama de fases de un sistema binario PDF

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍAQUÍMICA“DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO”Fisicoquímica IIINTEGRANTES: Alayo Medrano, Sara Vivas Ramos, RodrigoCallao – Perú2018-BDATOS:.................................................................

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO”

Fisicoquímica II

INTEGRANTES:  Alayo Medrano, Sara  Vivas Ramos, Rodrigo

Callao – Perú 1

2018-B

Contenido: OBJETIVOS:……………………………………………………………………………………………………………………………………2

FUNDAMENTO TEORICO:………………………………………………………………………………………………………………2

DATOS:………………………………………………………………………………………………………………………………………….4

TRATAMIENTO DE DATOS:…………………………………………………………………………………………………………….4

DISCUSION DE RESULTADOS:……………………………………………………………………………………………………….10

CONCLUSIONES:………………………………………………………………………………………………………………………….11

BIBLIOGRAFIA:…………………………………………………………………………………………………………………………….11

2

DIAGRAMA DE FASES DE UN SISTEMA BINARIO

OBJETIVOS: 

Aprender a construir el diagrama de fases de un sistema binario a partir de los termogramas de enfriamiento y calentamiento de soluciones acuosas de KCl de distintas composiciones. reconocer los puntos, líneas y zonas relevantes del diagrama de fases obtenido. Determinar la composición eutéctica del sistema y la entalpia de fusión de cada componente puro. Estudiar el comportamiento del sistema cloruro de potasio – agua. Hallar las curvas de enfriamiento y calentamiento temperatura vs. Tiempo. Determinación de los puntos de equilibrio en la congelación de soluciones de composición variable. Utilizando los puntos de congelación construir diagrama de fases: Temperatura vs. Composición.

     

FUNDAMENTO TEORICO: Sean A y B dos sustancias totalmente miscibles en fase líquida ycompletamente inmiscibles en fase sólida. La mezcla de cantidades arbitrarias de los líquidos A y B origina un sistema monofásico que es una disolución de Ay B. Como los sólidos A y B son completamente insolubles entre sí, elenfriamiento de la disolución líquida de A y B ocasiona que A o B se congelen, abandonando la disolución. Para un sistema de dos componentes, el número máximo de grados de libertades 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. Pero en este caso la presión no hace mucho efecto sobre el sistema (además la presión se mantiene constante en la fusión) por lo que los grados de libertad disminuyen y la regla de fases queda: F=C−P+1 Para construir un diagrama de fases se tiene que construir primero curvas de enfriamiento de sistemas de diferente composición.

En la figura representa la curva de enfriamiento de una mezcla simple. (a) La solución líquida comienza a enfriarse, disminuyendo así su temperatura a cierta velocidad. (b) A cierta temperatura comienza a separarse un sólido formado por alguno de los componente s puros. El congelamiento es exotérmico disminuyendo

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la velocidad de enfriamiento. A medida que el sólido se separa, la composición del líquido se hace más rica en el otro componente disminuyendo su temperatura de fusión. Cuando la solución alcanza una cierta composición (la composición eutéctica) el sistema se solidifica como si se tratase de una sustancia pura y la temperatura se mantiene constante (c-d).Figura 2. Diagrama de fase sólido-líquido cuando existe miscibilidad total en fase líquida e inmiscibilidad total en fase sólida .En la figura 2 se muestra que en el límite de baja temperatura existe una mezcla bifásica del sólido puro A y del sólido puro B, ya que los sólidos son inmiscibles. En el límite de temperatura alta, existe una sola fase formada porla disolución líquida de A y B, ya que ambos son miscibles. Viendo elenfriamiento de una disolución de A y B, cuya concentración X sea cercana A, 1 a1 (lado derecho del diagrama). Se alcanza una temperatura a la que el disolvente A comienza a congelarse, originando una región de dos fases con el sólido. A en equilibrio con una disolución liquida de A y B Esta curva es la CFGE, en la que se ve el descenso de la temperatura de congelación de B por la presencia de A. La curva DE, de la misma manera, muestra el descenso del punto de congelación de A por la presencia del soluto B. Si se enfría una solución líquida con X B, 1 cercano a 1, (lado izquierdo de la figura) provocará que la sustancia pura B se congele. Las dos curvas del punto de congelación se interceptan en el punto E. Este punto es llamado punto eutéctico. (Que funde fácilmente).Para conseguir una idea aproximada de la forma de las curvas DE y CFGE, se asume la idealidad de las mezclas y se desprecia la dependencia de latemperatura de la entalpía de fusión de A y de B. La ecuación que incluye las aproximaciones para las curvas es la siguiente, deducida a partir de la ecuación de Clapeyron: lnx= 1Tf*-1Tc*∆Hfus*R Dónde: Tf* = temperatura de fusión del sólido puro Tc* = temperatura de congelación del sólido puro X = fracción molar del sólido ∆Hfus* = entalpía de fusión del sólido puro R = constante de los gases ideales

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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:

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.

DATOS: DATOS EXPERIMENTALES T (°C) de trabajo: 21°C Presión de Trabajo: 756mmHg CURVA DE ENFRIAMIENTO MEZCLA 2%

%KCl 2 5 8 10 12

5

MASA DE KCl (g) 0,1

MKCl 0,1 0,25 0,4 0,5 0,6

C. enfriamiento T inicio(°C) T cristal (°C) T Final (°C) 21 -5 21 -3 18 -2,5 23 -5 19,5 -6

VOLUMEN DE AGUA (ml) 5

C. calentamiento T inicio (°C) T (°C) T Final (°C) -6 15 -3 16 -5 -5 16 -4 15

TRATAMIENTO DE DATOS: 1. con los datos obtenidos experimentalmente durante el enfriamiento y calentamiento de la solución salina, graficar temperatura (°C) vs tiempo (min).indicar las temperatura donde se observaron los cambios de fase. DATOS DEL ENFRIAMIENTO: T 00:00 00:20 00:40 01:00 01:20 01:40 02:00 02:20 02:40 03:00 03:20 03:40 04:00 04:20 04:40 05:00 05:20 05:40 06:00 06:20 06:40 07:00 07:20 07:40 08:00 08:20 08:40 09:00 09:20 09:40

T (°C) t T (°C) 21 10:00 8 20 10:20 8 20 10:40 8 18 11:00 7 18 11:20 7 17 11:40 7 16 12:00 7 16 12:20 6 15 12:40 6 15 13:00 6 15 13:20 6 14 13:40 6 14 14:00 5 13 14:20 5 13 14:40 5 12 15:00 5 12 15:20 4 12 15:40 4 11 16:00 4 11 16:20 4 11 16:40 4 10 17:00 4 10 17:20 3 10 17:40 3 10 18:00 3 9 18:20 3 9 18:40 3 9 19:00 2 9 19:20 2 8 19:40 2

CURVA DE ENFRIAMIENTO

6

t 20:00 20:20 20:40 21:00 21:20 21:40 22:00 22:20 22:40 23:00 23:20 23:40 24:00 24:20 24:40 25:00 25:20 25:40 26:00 26:20 26:40 27:00 27:20 27:40 28:00 28:20 28:40 29:00 29:20 29:40

T (°C) T T (°C) t 2 30:00 -1 40:00 2 30:20 -2 40:20 2 30:40 -2 40:40 1 31:00 -2 41:00 1 31:20 -2 41:20 1 31:40 -2 41:40 1 32:00 -2 42:00 1 32:20 -2 42:20 1 32:40 -2 42:40 1 33:00 -2 43:00 1 33:20 -2 43:20 0 33:40 -3 43:40 0 34:00 -3 44:00 0 34:20 -3 44:20 0 34:40 -3 44:40 0 35:00 -3 45:00 0 35:20 -3 45:20 0 35:40 -3 45:40 0 36:00 -3 46:00 0 36:20 -3 46:20 0 36:40 -3 46:40 0 37:00 -3 47:00 0 37:20 -3 47:20 -1 37:40 -3 47:40 -1 38:00 -3 48:00 -1 38:20 -3 48:20 -1 38:40 -3 48:40 -1 39:00 -3 49:00 -1 39:20 -3 49:20 -1 39:40 -3 49:40

T (°C) t T (°C) -4 50:00 -5 -4 50:20 -5 -4 50:40 -5 -4 51:00 -5 -4 51:20 -5 -4 51:40 -5 -4 52:00 -5 -4 52:20 -5 -4 52:40 -5 -4 53:00 -5 -4 53:20 -5 -4 53:40 -5 -4 54:00 -5 -4 54:20 -5 -4 54:40 -5 -4 55:00 -5 -4 55:20 -5 -5 55:40 -5 -5 56:00 -5 -5 56:20 -5 -5 56:40 -5 -5 57:00 -5 -5 57:20 -5 -5 57:40 -5 -5 58:00 -5 -5 58:20 -5 -5 58:40 -5 -5 59:00 -5 -5 59:20 -5 -5 59:40 -5 00:00 -5

Se observó el primer cristal en -7.2°C a partir de esa temperatura sigue ascendiendo hasta alcanzar los 0.5°C quedando en equilibrio.

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DATOS DEL CALENTAMIENTO:

T

T (ºC)

T

T (ºC)

t

T (ºC)

t

T (ºC)

t

T (ºC)

00:00

-6

05:00

-1

10:00

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15:00

8

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00:20

-6

05:20

-1

10:20

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15:20

9

20:20

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-1

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5

15:40

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20:40

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01:00

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06:00

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5

16:00

9

21:00

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01:20

-6

06:20

0

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6

16:20

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21:20

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0

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6

16:40

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21:40

13

02:00

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12:00

6

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CURVA DE CALENTAMIENTO

8

Se observó la primera gota de agua en -8.8C a partir de esa temperatura sigue descendiendo hasta alcanzar los -12°C quedando en equilibrio fase liquida.

2. Con los datos experimentales y los datos manuales construir el diagrama de fases (temperatura en °C vs composición en % en peso) para el sistema binario KCl-H 2O.

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Indicar las fases presentes en cada zona así como las curvas de solubilidad y los puntos notables.

C: punto eutéctico donde se forma el primer cristal donde demarca la frontera de la parte liquida y sólida. Los potenciales químicos de agua y KCl en la disolución son iguales a los de agua y KCl puros, y tanto agua como KCl se congelan cuando se enfría una disolución con la composición eutéctica. B: temperatura de fusión del agua. A: temperatura de fusión de KCl. La curva BC da el descenso del punto de congelación del agua por la presencia del soluto KCl y de igual manera para la curva AB.

3. Investiga el diagrama de fases del sistema KCl – H2O teórico.

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DISCUSION DE RESULTADOS: 

Los resultados obtenidos en la práctica fueron aceptables ya que la temperatura eutéctica es cercana a la teórica obteniendo un error del 18 %.



Se habría obtenido un mejor resultado si se usaba el sistema naftaleno – benceno ya que la gráfica sería más exacta, pero este sistema tiene un problema porque la exposición ante el benceno puede producir enfermedades como el cáncer. Así que es recomendable usar el sistema KCl – H2O ya que no tiene efectos dañinos para la salud.

CONCLUSIONES:   

   



Un diagrama de fases binario muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos elementos en un rango de temperaturas. Se puede concluir que los puntos fusión de mezclas de sustancias es siempre menor que los que corresponde a las sustancias puras. El punto eutéctico es invariante, pues solo existe una temperatura y una composición del sistema a la cual puedan existir juntas las tres fases en equilibrio a una presión constante. Un diagrama de fases binario muestra las fases formadas para diferentes muestras de dos elementos en un rango de temperaturas. La gráfica de enfriamiento de un sistema para diferentes composiciones constituye la base para el análisis térmico. Se puede concluir que los puntos fusión de mezclas de sustancias es siempre menor que los que corresponde a las sustancias puras. El punto eutéctico es invariante, pues solo existe una temperatura y una composición del sistema a la cual puedan existir juntas las tres fases en equilibrio a una presión constante. Un mezcla eutéctica tiene diferente composición a presión diferente, por lo tanto, el hecho de que el punto se solidificación de un eutéctico sea constante no significa que se haya formado un compuesto definido.

BIBLIOGRAFIA  G. PONS MUZZO, Fisicoquímica, Segunda Edición 

http://www.unlu.edu.ar/~qui10192/qi0020405.htm

 http://fain.uncoma.edu.ar/prof_tec/mecanic/materiales/DiagramasEquilibrio.pdf  Enciclopedia Encarta 2009 Biblioteca Premium / Tabla periódica.

11

 Ira N. Levine. “Fisicoquímica”. Editorial: Mc Graw Hill, quinta edición, Volumen 1, Madrid, 2004, Paginas: 457 – 458 – 459 – 465.

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