Diagrama de fases a partir de curvas de enfriamiento

Resumen practica 4 FQ: Diagrama de fases partir de curvas de enfriamiento

Las reglas de fases de Gibbs establece que

F= C-P+2 (1)

En donde, P: fases, C: Componente. F: grados de libertad para sistemas multicomponentes en equilibrio. Esta ecuación para determinar el número de grados de libertad es aplicable en sistemas en donde las fases no están influenciadas por la gravedad ni por fuerzas eléctricas o electromagnéticas pero si se ven influenciadas por temperatura, presión y concentración.

• Una fase (P) es una parte uniforme de un sistema en términos de composición química y propiedades físicas. Está separada de otras partes homogéneas del sistema por medio de superficies límites.
• Componentes (C), se refiere al número de constituyentes químicamente diferentes que son necesarios para describir la composición de cada fase.
• El número de grados de libertad: se refiere al número mínimo de variables intensivas (como presión, temperatura, fracción molar) que debe especificarse para poder describir completamente el estado de un sistema.

Según la ecuación (1) se necesitaría una gráfica de tres dimensiones para poder describir las condiciones del sistema (T,P;xi). En el sistema solido-líquido que se estudiará, el efecto de la presión es mínimo sobre ambas fases, por lo cual se puede mantener la presión fija a 1 atm y estudiar los efectos de la temperatura (T) y la composición (x). Por lo cual la regla de las fases resulta de la siguiente manera:

F= C-P+1 (2)

Para esta práctica se realizará un análisis termal, a partir del cual se crearan curvas de enfriamiento experimentales midiendo valores de temperatura y tiempo, para luego poder construir el diagrama de fases. Basados en la ecuación (2) para un sistema de un componente puro en la fase liquida los grados de libertad son igual a uno, donde la temperatura es la variable que describe al sistema, cuando coexisten las dos fases (sólido y liquido), los grados de libertad son igual a cero, por lo cual se dice que la temperatura es constante, finalmente cuando todo el sistema se convierte en solido la temperatura vuelve a variar. El cambio de pendiente se debe a la diferencia en la capacidad calorífica a presión constante del líquido y el sólido.

Se sabe que el punto de fusión de una solución es menor al del disolvente puro, este descenso es debido a factores entrópicos (entropía del proceso de desmezclar dos sustancias).

[pic 1]

Ilustración 1 Curvas de enfriamiento T vs t. a) sistema puro b) Mezcla de dos compenentes

En la ilustración 1 hay tres regiones de pendientes distintas, la región I representa la fase liquida del componente A enfriándose, la región II se debe al equilibrio entre el líquido A y su sólido en donde la temperatura se mantiene constante, esa es la temperatura del punto de fusión de A, T*A. y finalmente la región III representa el enfriamiento del solido A. para la figura 1-b) se tiene que IV representa el enfriamiento de la solución, al llegar a T1 se nota un cambio de pendiente debido a que a esa temperatura empieza a separarse el sólido A, la precipitación de éste libera energía por lo cual la mezcla se enfría más lentamente que la solución desde T1 hasta T2, sin embargo, en esta región la temperatura no se mantiene constante ya que el sólido A esta precipitando y la concentración de A en la solución disminuye, al llegar a T2 empieza la precipitación simultanea de dos solidos separados en fases diferentes. La solución en T2 tiene el punto de fusión más bajo posible, es decir, la composición  de la solución ha cambiado al máximo permitido para ese sistema binario. A esta temperatura y presión es donde la fase liquida esta en equilibrio con los dos solidos A y B. a la temperatura T2 se le llama temperatura eutéctica (Teu) y la composición de la solución cuyo punto de fusión es Teu (el más bajo posible) es la composición eutéctica.

...