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Facultad de Ingeniería Química y Textil Universidad Nacional de Ingeniería Departamento Académico de Ingeniería QuímicaLaboratorio de Fisicoquímica II (QU-428B)Informe N° 2 Diagrama de fases de un sistema ternarioAlumno 1.- Chipana Miguel Piero Andre 20192619I Alumno 2.- Galindo Parra Walter Basilio...

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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil Departamento Académico de Ingeniería Química

Laboratorio de Fisicoquímica II (QU-428B)

Informe N° 2 Diagrama de fases de un sistema ternario Alumno 1.- Chipana Miguel Piero Andre Alumno 2.- Galindo Parra Walter Basilio Alumno 3.- Riveros Rodríguez Esteban Paulino

20192619I 20202613K 20192706I

Profesores responsables -

Cárdenas Mendoza, Teodardo Javier Rojas Orosco, Janet

Periodo Académico 2021-II Fecha de realización de la práctica: 23 de septiembre del 2021 Fecha de presentación del informe: 7 de octubre del 2021 Lima - Perú

1 Índice 1. Objetivos

01

2. Fundamento teórico

02

3. Parte experimental

04

4. Datos experimentales

04

5. Explicación de resultados

10

6. Conclusiones

10

7. Anexo: Aplicaciones

11

8. Bibliografía

14

Figuras Figura 1. Representación gráfica de sistemas de tres componentes

03

Figura 2. Preparación de la curva binodal

04

Figura 3. Preparación de las líneas de reparto

05

Figura 4. Curva binodal

06

Figura 5. Reconocimiento de fases

07

Figura 6. Reconocimiento del foco, punto de pliegue y fase clorofórmica de los datos

08

Figura 7. Reconocimiento de % de fase acuosa y clorofórmica a partir del foco

09

Figura 8. La producción de cemento autosostenible aumenta

12

Figura 9. Sistema ternario Al2O3-CaO-SnO2, gamas de colores en la isoterma de 1450°C 13 Tablas Tabla 1. Datos experimentales para gráfica de la curva binodal

04

Tabla 2. Datos para la línea de reparto

05

Tabla 3. Datos para las líneas de reparto respeto al foco

05

Tabla 4. Densidades de líquidos

06

Tabla 5. Cálculos de acuerdo con los datos

06

Tabla 6. Composición del punto de pliegue

09

2 1. Objetivos -

Determinar e identificar las fases presentes en un sistema ternario, así como su curva binodal, e interpretación de porcentajes de masa de sus 3 componentes.

-

Elaborar y comprender el diagrama de fases de un sistema ternario, esto es mostrando la curva de solubilidad y las líneas de reparto del sistema ternario en estudio.

2. Fundamento teórico Sistema de Tres Componentes. Para los sistemas ternarios una sola fase posee 4 grados de libertad, los cuales son, la temperatura, presión, y las composiciones de de dos de los tres componentes. Debido a este número de variables se plantea una gran dificultad al representar las relaciones de fases. Debido a esto los datos de los sistemas ternarios se presentan generalmente a cierto valor fijo de la presión, tal como la atmosférica, y a diversas temperaturas constantes. Para un sistema de tres componentes la regla de las fases tiene la forma F=5-P. A una presión y temperatura fijas en el número de grados de libertad se reduce en dos, así que F=3P, y el número máximo de fases que pueden presentarse simultáneamente es tres, que es el mismo número posible para los sistemas de dos componentes bajo una presión constante únicamente (Maron & Prutton, 1980 pág. 383). Método de representación Gráfica Si bien es cierto que se propusieron varios métodos para la representación bidimensionalmente los diagramas de equilibrio de los sistemas ternarios. De todos ellos el método del triángulo equilátero sugerido por Stokes y Roozboom es el más general y el que se utilizará ahora. Para este método las concentraciones de los tres componentes a una presión y temperatura dadas se grafican sobre un triángulo equilátero tal como se muestra en la figura 1.

3 Cada vértice del triángulo se tomó como punto de referencia para un 100% del componente con que se designa (Maron & Prutton, 1980, pág. 384). Figura 1 Representación gráfica de sistemas de tres componentes.

Para obtener otros porcentajes de A, se dividen los lados AB y AC en 10 (o a veces en 100) partes iguales, y se dibujan líneas paralelas BC. Donde cada una de ella representa un porcentaje de A que varía desde 0 sobre la línea de BC a 100 en A. Cada lado del triángulo posee dos componentes y dentro del triángulo posee tres componentes, Por otro lado, para su lectura por ejemplo en el punto D, se traza la línea ab donde A es un 30%, luego cd con un 20% de B y por último con un 50% de C. (Maron & Prutton, 1980, p-385). Sistemas de tres líquidos parcialmente miscibles Los sistemas de líquidos parcialmente miscibles se clasificaron de la siguiente manera, sin embargo, solo se hablará de del tipo que es lo más importante y es lo que se desarrolló en clases. Tipo I. Formación de un par líquidos parcialmente miscibles Tipo II. Formación de dos pares de líquidos parcialmente miscibles,

4 Tipo III. Formación de tres pares de líquidos parcialmente miscibles 3. Parte experimental Materiales y reactivos Materiales ● Bureta de 50 mL ●

Dos matraces Erlenmeyer de 125 mL

● Dos peras de decantación de 50 mL ● Probeta de 10 mL ● Vaso de precipitado de 50 mL ● Vaso de precipitado de 400 mL ● Piceta de 50 mL ●

Pinza y aros

Reactivos ● Cloroformo (CHCl3) (NO CONTROLADO) ● Ácido Acético (CH₃COOH) (NO CONTROLADO) ● Hidróxido de sodio (NaOH) (NO CONTROLADO) Diagrama de flujo Figura 2 Preparación de la curva binodal

5 Figura 3 Preparación de las líneas de reparto

4. Datos experimentales Tabla 1 Datos experimentales para gráfica de la curva binodal

Nro. De mezcla

Volumen (mL) de componentes para formar mezcla binaria inicial

Volumen (mL) de adición de ácido acético, hasta obtener una sola fase.

Agua

Cloroformo

Ácido Acético

1

97.5

3.4

37.1

2

95

6.9

51.3

3

90

13.8

63.6

4

80

27.6

78.0

6

5

70

41.4

81.2

6

60

55.2

82.9

7

50

69.0

81.2

8

40

82.8

74.9

9

30

96.6

63.6

10

20

110.3

49.1

11

10

124.1

30.1

12

5

131.0

18.2

Tabla 2 Datos para la línea de reparto

MEZCLAS TERNARIOS (%masa)

Fase Acuosa (% masa)

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

45

40

15

20

35

35

30

38

CHCL3

CH3COOH

Fase clorofórmica (% masa) H2O

CHCL3

CH3COOH

Tabla 3 Datos para las líneas de reparto respeto al foco

MEZCLAS TERNARIOS (%masa)

Fase acuosa (% masa)

Fase clorofórmica (% masa)

7

H2O

CHCL3

CH3COOH

60

20

20

20

60

20

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

CHCL3

CH3COOH

Tabla 4 Densidades de líquidos

Densidad de los líquidos puros a 25° C (g/mL) Agua

Cloroformo

Ácido acético

0.997

1.49

1.04

5. Tratamiento de datos Tabla 5

Cálculos de acuerdo con los datos

Se graficará los datos con la graficadora ProSim

8 Figura 4 Curva binoidal

Figura 5 Reconocimiento de fases

Para el conocimiento de las líneas de reparto se reconocerán los siguientes puntos

9

MEZCLAS TERNARIOS (%masa)

Fase Acuosa (% masa)

Fase clorofórmica (% masa)

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

CHCL3

CH3COOH

45

40

15

0.4868

0.1332

0.38

2.24

89.4

8.38

35

35

30

78

2

20

3.40

85

11.6

Nota: M1: Proporción de 45, 40,15 y M2: Proporción de 35,35,30 Figura 6 Reconocimiento del foco, punto de pliegue y fase clorofórmica de los datos

En fase clorofórmica, se indicó Fc1 : 89.4 % de cloroformo, 2.24 % de agua y 8.36 % de ácido acético Fc2: 85 % de cloroformo, 3.47% de agua y 11.53% de ácido acético

10 Se completa la tabla 3, de acuerdo con lo mostrado en la figura 5

MEZCLAS TERNARIOS (%masa)

Fase acuosa (% masa)

Fase clorofórmica (% masa)

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

CHCL3

CH3COOH

H2O

CHCL3

CH3COOH

60

20

20

73.8

3.59

22.61

3.26

85.68

11.06

20

60

20

51.9

11.1

37

2.34

88.8

8.86

Figura 7 Reconocimiento de % de fase acuosa y clorofórmica a partir del foco

Nota: Los valores de N1 son de 60, 20 y 20 y de N2 son 20,60,20 Se denota los puntos Fa N 1, Fa N2 que representan los valores en fase acuosa e igual que Fc.N1 y Fc N2 que son los valores en fase clorofórmica en fase acuosa.

11 Al igual se completa la tabla 6 conforme la figura 6 Tabla 6 Composición del punto de pliegue

% en masa Componentes

Agua

Cloroformo

Ácido acético

Punto de pliegue

12.4

60.1

27.5

6. Explicación de resultados Para hallar nuestros valores de M1 y M2, se dio uso a las líneas de reparto, esta además sirvió para hallar la composición del foco, a partir de ahí de ello el punto de pliegue se usa. Se evidencia que el punto pliegue no tiene la misma proporción de ambos componentes, esto se puede deber a una mala toma de datos o una mala limpieza de los equipos de medición

7. Conclusiones Con solo 2 puntos de diferentes componentes y la curva binodal, puede localizarse tanto el punto de pliegue, como las fases presentes en cada punto dentro de la curva binodal

El punto donde la recta trazada desde el foco es tangente es aquel punto donde ambas concentraciones de cloroformo y agua son iguales.

12

8. Anexo Aplicación tecnológica en la industria del cemento La industria de la construcción es una de las industrias más contaminantes donde se utilizan materiales compuestos. Las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de la producción de cemento, principal componente del hormigón, son bien conocidas. Se ha logrado un progreso considerable a este respecto. Los cementos con aditivos ya son clásicos, que ya están incluidos en la normativa vigente, y se permite su uso incluso en hormigones estructurales, y esta instrucción fomenta el uso de cementos sostenibles a través del índice de contribución a la estabilidad estructural. En los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos para desarrollar materiales alcalinos activados que se producen a partir de residuos, sin la necesidad de la producción de cemento, y la producción de hormigón también se incluye en el agregado actualmente reciclado después de la demolición. gasto. Todos estos esfuerzos tienen como objetivo hacer de la construcción una industria más sostenible. Un paso intermedio entre los cementos con aditivos clásicos y los materiales activados por álcalis son los cementos ternarios. En estos cementos, el clinker se mezcla con dos aditivos que generalmente presentan un comportamiento sinérgico, potenciando las propiedades que tendrá el cemento con cada aditivo. Las impurezas de los aditivos no tienen por qué ser activas, pero es posible realizar mezclas de aditivos activos e inactivos, generalmente de carga de piedra caliza, que dan buenos resultados tanto en términos de propiedades mecánicas como de durabilidad. Este aspecto de la durabilidad también es muy importante desde el punto de vista de la sostenibilidad, ya que un material más resistente será un material sostenible, ya que el posible impacto ambiental que se produjo durante su producción se

13 amortizará con el paso de los años. ser utilizado sin renovación y por lo tanto sin impacto ambiental nuevo. Figura 8 La producción de cemento autosostenible aumenta.

Nota: Recuperado de: eleconomistaamerica.pe/ Los cementos con escoria siderúrgica de alto horno suelen ser más sensibles a los cambios de temperatura, y los cementos con cenizas volantes a los cambios en la humedad relativa. No obstante, en el medio o largo plazo estos cementos pueden alcanzar propiedades similares a los cementos portland ordinarios, mucho menos sostenibles. Sería interesante estudiar cómo se comportan los cementos ternarios en ambientes no óptimos, inicialmente de laboratorio, a fin de conocer si estas mezclas ternarias son eficientes cuando se plantea su uso en estructuras reales que no endurecen en ambientes de temperatura y humedad relativa óptimos, si no en ambientes más similares a los reales. Se tratará de comprobar si el efecto sinérgico que se da al utilizar dos adiciones se mantiene incluso en ambientes similares a los reales, o si el uso de estos materiales solo se

14 debería recomendar para prefabricados, lo cual limitaría las opciones de estas mezclas. Intentaremos comprobar si el efecto sinérgico derivado del uso de los dos aditivos persiste, incluso en entornos similares a los reales, o se debe recomendar el uso de estos materiales solo para prefabricados, lo que limitará las posibilidades de estas mezclas. Existen varios sistemas ternarios que se usan en la industria de la producción del cemento autosostenible, algunos de ellos son los siguientes: Sistema ternario Al2O3-CaO-SiO2 Sistema ternario Al2O3-CaO-NiO Sistema ternario Al2O3-CaO-Fe2O3 Sistema ternario Al2O3-CaO-SnO2, siendo este sistema el más usado últimamente en la industria. Figura 9 Sistema ternario Al2O3-CaO-SnO2, gamas de colores en la isoterma de 1450°C

15 9. Bibliografía

Maron, S., & Prutton, C. F. (2012). Fundamentos de fisicoquímica (1a. ed.--.). México D.F.: Limusa. Cárdenas, T., Hermoza, E., Paucar, K., & Pilco, A. (2021). Guía de Prácticas Fisicoquímica II (1.a ed., Vol. 1). Facultad de Ingeniería Química UNI. Novelo, A. M. y Gracia, J. (2010) Trayectorias en diagramas ternarios. Educación química, 21(4), 300-305. López, K. (2011) Estudio del sistema CaO - Al2O3 - SnO2 y su aplicación tecnológica en la industria del cemento. Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ciencias Químicas....