DIAGRAMA DE FASES

INTRODUCCIÓN

El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase es toda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, con aproximadamente la misma composición y propiedades en todo el material que la constituye y con una interfase definida con toda otra fase vecina. Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tipos de sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, una solución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidos parcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles en equilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles en equilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc.

A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:

1.- Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

2.- Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

3.- Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación.

4.- Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas

multicomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología y ciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura, propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.

OBJETIVOS

Graficar la curva de enfriamiento.

Graficar el Diagrama de fases sólido líquido

Determinar el punto eutéctico.

Determinar el Calor de fusión del naftaleno y del PDB.

FUNDAMENTO TEÓRICO

EQUILIBRIO SÓLIDO - LÍQUIDO

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 1atm. y se estudia el diagrama de fases sólido-líquido T-xA

2.1.- Miscibilidad en fase líquida e inmiscibilidad en fase sólida:

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 siguiente:

fig: diagrama de fases sólido-líquido cuando existe miscibilidad total en fase líquida e

inmiscibilidad en fase sólida.

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

La ecuación correspondiente a la zona de la curva DE con casi 1 se puede calcular a partir de la ecuación: ∆T_f (=-x_B R(T_(f*)))/( 〖ΔH〗_(fus,A) ) que es válida para disoluciones muy diluidas. La mayor parte de la curva CFGE con XA muy cercano a 0 se puede calcular con esta misma ecuación intercambiando los índices A y B. Lejos de los extremos de estas líneas se usa la ecuación:

ln⁡〖(y_A x_A )=∫▒〖(〖∆H〗_(fus A(T))/(RT^2 ))dT_f 〗〗

, P constante.

Para conseguir una idea aproximada de la forma de las curvas DE y CE, se desprecia la dependencia de la temperatura de 〖∆H〗_(fus A) y 〖∆H〗_(fus B). Las ecuaciones que incluyen aproximaciones para las curvas DE y CE, son :

R ln⁡〖x_B=〖∆H〗_(fus B) (1/T_(B^* ) -1/T)〗 para CE

R ln⁡〖x_B=〖∆H〗_(fus B) (1/T_(B^* ) -1/T)〗 para DE

Si se parte del punto R de la figura, y se enfría isobáricamente una disolución de A y B de composición XA’. El sistema es cerrado, por lo que la composición global permanece constante y se desciende verticalmente desde el punto R. Cuando T alcanza T1, empieza a aparecer el sólido B separado de la disolución. Cuando B se congela, el valor de XA,l aumenta y (como A es ahora el soluto) el punto de congelación disminuye aún más. A una temperatura T2, existe un equilibrio entre una disolución cuya composición viene dada como XA’’ por el punto G y el sólido B, cuya composición viene dada por el punto I con XA =0. Los extremos de la línea de conjunción (GHI) dan las composiciones de las dos fases en equilibrio.

Si T continúa disminuyendo se alcanza finalmente la temperatura eutéctica T3 en el punto K. En ese punto la disolución tiene una composición XA (punto E), y tanto A como B se congelan, por lo que ambos sólidos aparecen cuando se enfría una disolución de composición eutéctica. El resto de la disolución se congela también a la temperatura T3. En el punto K existen tres fases en equilibrio (disolución, sólida A y sólido B), por lo que no se puede aplicar la regla de la palanca. Con tres fases se tiene

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