Segundo Informe de Fico UNI

7/25/2019 Segundo Informe de Fico UNI

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Universidad Nacional de Ingeniera F.I.G.M.M.

Segundo Informe de Laboratorio de Fsico- QumicaDIAGRAMA DE FASES

OBJETIVO

- Conocer como construir un diagrama de fases.- El punto eutctico a tras de un sistema inariable.- Curas S!lidus- L"uidus.

INTRODUCCIN

El concepto de sistema #eterogneo implica el concepto de!ase. Fase es toda porci!n de un sistema con la misma estructura o

arreglo at!mico$ con apro%imadamente la misma composici!n &propiedades en todo el material "ue la constitu&e & con unain"er!ase de'nida con toda otra fase ecina. (uede tener uno !arios componentes. )ebe diferenciarse del concepto deco#$onen"e% "ue se re'ere al tipo de material "ue puededistinguirse de otro por su naturale*a de sustancia "umica diferente.(or e+emplo$ una soluci!n es un sistema #omogneo ,una sola fasepero sin embargo est constituida por al menos dos componentes. (orotro lado$ una sustancia pura ,un solo componente puede apareceren dos de sus estados fsicos en determinadas condiciones & asidenti'carse dos fases con diferente organi*aci!n at!mica &

propiedades cada una & con una clara super'cie de separaci!n entreellas ,interfase. Los e"uilibrios entre fases pueden corresponder a losms ariados tipos de sistemas #eterogneos/ un l"uido en e"uilibriocon su apor$ una soluci!n saturada en e"uilibrio con el soluto ene%ceso$ dos l"uidos parcialmente solubles el uno en el otro$ doss!lidos totalmente solubles en e"uilibrio con su fase fundida$ doss!lidos parcialmente solubles en e"uilibrio con un compuesto formadoentre ellos$ etc. El ob+etio es describir completamente el sistema.

El comportamiento de estos sistemas en e"uilibrio se estudia

por medio de gr'cos "ue se conocen como diagramas de fase/ seobtienen gra'cando en funci!n de ariables como presi!n$temperatura & composici!n & el sistema en e"uilibrio "ueda de'nidopara cada punto ,los gr'cos de cambio de estado fsico ! de presi!nde apor de una soluci!n de dos l"uidos son e+emplos de diagramasde fases.

La ma&ora de los diagramas de fase #an sido construidosseg0n condiciones de e"uilibrio ,condiciones de enfriamiento lento$siendo utili*adas por ingenieros & cient'cos para entender & predecirmuc#os aspectos del comportamiento de materiales.


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1 partir de los diagramas de fase se puede obtener informaci!n como/

2.- Conocer "ue fases estn presentes a diferentes composiciones &temperaturas ba+o condiciones de enfriamiento lento, e"uilibrio.

3.- 1eriguar la solubilidad$ en el estado s!lido & en el e"uilibrio$ deun elemento ,o compuesto en otro

4.- )eterminar la temperatura en la cual una aleaci!n enfriada ba+ocondiciones de e"uilibrio comien*a a solidi'car & la temperatura a lacual ocurre la solidi'caci!n.

5.- Conocer la temperatura a la cual comien*an a fundirse diferentesfases.

Los e"uilibrios de fase & sus respectios diagramas de fase ensistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en"umica$ geologa & ciencia de los materiales. La ciencia de materialesestudia la estructura$ propiedades & aplicaciones de los materialescient'cos & tecnol!gicos.

FUNDAMENTO TERICO

Regla De Fases De GIBBS


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Los llamados 6)iagramas de Fases7 representan esencialmenteuna e%presi!n gr'ca de la 68egla de Fases7$ la cual permite calcularel n0mero de fases "ue puede coe%istir en e"uilibrio en cual"uiersistema$ & su e%presi!n matemtica est dada por/

( 9 F : C 9 3

)onde/

(/ ;0mero de fases presentes en el e"uilibrioC/ ;0mero de componentes en el sistemaF/ ;0mero de grados de libertad del sistema ,ariables/presi!n$ temperatura$ composici!n

En 2 ?. @illaid Gibbs relacion! tres ariables/ fases ,($

componentes,C$ & grados de libertas o arian*a ,F para sistemasmulticomponentes en e"uilibrio. El n0mero de grados de libertad sedetermina por la regla de las fases$ si & solo si el e"uilibrio entre lasfases no est inAuenciado por la graedad$ fuer*as elctricas omagnticas & solo se afecta por la temperatura$ presi!n &concentraci!n. El n0mero dos en la regla corresponde a las ariablesde temperatura B & presi!n (.

Componente ,de un sistema/ es el menor n0mero deconstitu&entes "umicos independientemente ariables necesario &su'ciente para e%presar la composici!n de cada fase presente en

cual"uier estado de e"uilibrio

Fase/ es cual"uier fracci!n$ inclu&endo la totalidad$ de unsistema "ue es fsicamente #omogneo en si mismo & unido por unasuper'cie "ue es mecnicamente separable de cual"uier otrafracci!n. na fracci!n separable puede no formar un cuerpo continuo$como por e+emplo un l"uido dispersado en otro.

- n sistema compuesto por una fase es &o#og'neo(

-n sistema compuesto por arias fases es &e"erog'neo((ara los efectos de la regla de las fases$ cada fase se considera#omognea en los e"uilibrios #eterogneos.

Grado de libertad ,o arian*a/ es el n0mero de ariables intensias"ue pueden ser alteradas independientemente & arbitrariamente sinproocar la desaparici!n o formaci!n de una nuea fase. Dariablesintensias son a"uellas independientes de la masa/ presi!n$temperatura & composici!n. Bambin se de'ne con el n0mero defactores ariables.

F: indica inariante


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F:2 uniarianteF:3 biariante

La regla de las fases se aplica s!lo a estados de e"uilibrios deun sistema & re"uiere/

2.- E"uilibrio #omogneo en cada fase

3.- E"uilibrio #eterogneo entre las fases coe%istentes

La regla de las fases no depende de la naturale*a & cantidad decomponentes o fases presentes$ sino "ue depende s!lo del n0mero.1dems no da informaci!n con respecto a la elocidad de reacci!n.

El n0mero de componentes ms dos ,C93$ representa el

n0mero m%imo de fases "ue pueden coe%istir al e"uilibrio$ donde losgrados de libertad ,F no pueden ser inferiores a cero ,a condicionesinariantes.

E+emplo/ ,2 componente

(ara el punto de triple coe%istencia , C en diagrama/

49F:293

F : ,cero grados de libertad

Como ninguna de las ariables ,presi!n$ temperatura ocomposici!n se puede cambiar manteniendo las tres fases decoe%istencia$ el punto triple es un punto inariante. n punto de la cura de congelaci!n s!lido-l"uido ,/

39F:293

F:2 ,un grado de libertad


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na ariable ,B o ( se puede cambiar manteniendo a0n unsistema con dos fases "ue coe%isten.

Si se especi'ca una presi!n determinada$ s!lo #a& unatemperatura en la "ue las fases s!lida & l"uida coe%isten.

n punto dentro de la *ona de fase 0nica ,1/

29F: 293

F:3 ,dos grados de libertad

)os ariables ,B o ( se pueden cambiar independientemente &el sistema permanece con una 0nica fase.

Diagra#a De Fase Bino#ial O De Dos Co#$onen"es

1l e%istir dos componentes en el sistema en consideraci!n la regla defases "ueda/

F 9 ( :5

Luego$ para representar gr'camente el campo de estabilidadde una regi!n #omognea ,monofsica se re"uiere tres ariables$ lo"ue #ace necesario el sistema en un diagrama tridimensional.

(or lo tanto/

2 fase / iariante ,F:33 fases/ niariante ,F:24 fases/ Inariante ,F:

(or coneniencia se suele mantener ( o B constantes & serepresenta gr'camente un sistema de fases bidimensionales$ "ue esun corte transersal de la representaci!n tridimensional.

Regla De )a *alanca

Estas cantidades normalmente se e%presan como porcenta+e del peso,Hpeso$ es una regla matemtica lida para cual"uier diagramabinario.


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En regiones de una sola fase$ la cantidad de la fase simple es 2H.En regiones bifsicas$ se debe calcular la cantidad de cada fase. natcnica es #acer un balance de materiales.

(ara calcular las cantidades de l"uido & s!lido$ se constru&e unapalanca sobre la isoterma con su punto de apo&o en la composici!noriginal de la aleaci!n ,punto dado. El bra*o de la palanca$ opuesto ala composici!n de la fase cu&a cantidad se calcula se diide por lalongitud total de la palanca$ para obtener la cantidad de dic#a fase.

En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguienteforma/

100%Brazo opuesto de la palanca

PORCENTAJE DE LA FASELongitud local de la isoterma

=

Se puede utili*ar la regla de la palanca en cual"uier regi!n bifsica deun diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa elclculo de la regla de la palanca puesto "ue la respuesta es obia,e%ist un 2H de dic#a fase presente.

Misci+ilidad en el Es"ado S,lido

1lgunos pares de sustancias son completamente miscibles en fases!lida$ como por e+emplo los sistemas Cu- ;i$ Sb- i$ (d- ;i$ ;J 4-

;a;J4 & d-carbo%ima K l-carbo%ima. Cuando e%iste miscibilidadcompleta tanto en la fase s!lida como en la fase l"uida$ el diagramade fase binario "ueda algo como/

Si se enfra un fundido de Cu & ;i$ de composici!n arbitraria$empie*a a congelar una disoluci!n s!lida "ue es ms rica en ;i "ue lasoluci!n l"uida. Si el sistema bifsico del s!lido & el fundido se siguenenfriando$ la fracci!n molar del ;i disminu&e tanto en la soluci!ns!lida como en el fundido l"uido. Finalmente$ se forma una disoluci!ns!lida con la misma composici!n "ue tena el fundido l"uido de

partida. El punto de congelaci!n del Cu aumenta debido a lapresencia de cantidades pe"ueas de ;i. Cuando los s!lidos son


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miscibles$ el punto de congelaci!n del componente de menor puntode fusi!n puede aumentar debido a la presencia del segundocomponente. Lo mismo ocurre con el incremento del punto deebullici!n. Cuando el soluto es no oltil$ el punto de ebullici!n delsolente aumenta$ pero$ si el soluto es ms oltil "ue el disolente$el punto de ebullici!n del disolente puede disminuir. El diagramaanterior es para el caso ideal$ pero cuando aparecen desiacionesconsiderables de la idealidad$ el diagrama de fases puede mostrar unm%imo & un mnimo$ como se obsera en los siguientes diagramas/

En estos casos los puntos de fusi!n de cada componente aumentadebido a la presencia del otro.

)i'cultades de este tipo de sistemas/

El sistema debe enfriarse con e%trema lentitud para dar tiempo a "ueel s!lido a+uste su composici!n a un alor uniforme a cada


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temperatura. En el anlisis de estos diagramas suponemos "ue se #aalcan*ado el e"uilibrio descartando la di'cultad e%perimental "ueesto implica.

Se conocen sistemas binarios "ue forman soluciones s!lidas entodo el interalo de composici!n & "ue presentan un m%imo o unmnimo en la temperatura de fusi!n. Las "ue forman a*e!tropos. Lame*cla de composici!n correspondiente al m%imo o al mnimo de lacura funde de pronto & parece una sustancia pura$ como una*e!tropo "ue #iere a una temperatura de'nida & destila alcambiar. Las me*clas con un m%imo en la cura de temperatura defusi!n son relatiamente escasas.

Misci+ilidad *arcial en Es"ado S,lido

Cuando 1 & son totalmente miscibles en fase l"uida & parcialmentemiscibles en fase s!lida$ el diagrama B-%1es algo como/

Si se enfra una disoluci!n l"uida de Cu & 1g fundidos con %Cu: $3$ alalcan*ar el punto S empie*a a separarse una fase s!lida ,denominadafase $ "ue es una disoluci!n saturada de Cu en 1g. La composici!ninicial de esta fase s!lida iene dada por el punto N$ en el e%tremo dela lnea de con+unci!n SN. Si la me*cla bifsica de la disoluci!n l"uida& la disoluci!n s!lida contin0an enfrindose$ aumenta el porcenta+ede Cu en la disoluci!n s!lida "ue est en e"uilibrio con el fundido. Enel punto $ el fundido alcan*a la composici!n eutctica & aparecendos fases s!lidas Kla fase ,1g s!lida saturada con Cu & la fase O ,Cus!lido saturado con 1g-. El e%amen del s!lido en el punto D muestra

cristales grandes de la fase ,"ue se forman antes de alcan*ar el


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punto & cristales diminutos de las fases & O ,"ue se forman en elpunto .

n aspecto complicado lo constitu&e el #ec#o de "ue la difusi!nde las molculas$ tomos e iones a tras de los s!lidos es bastantelenta$ por lo "ue es necesario "ue pase un tiempo considerable antesde "ue se alcance el e"uilibrio en una fase s!lida. En el punto B$ els!lido en e"uilibrio con el fundido presenta la composici!ncorrespondiente al punto P$ mientras "ue el s!lido "ue aparece enprimer lugar tiene una composici!n dada por el punto N. (uede sernecesario mantener el sistema en el punto B durante un perodoprolongado para "ue la fase s!lida sea #omognea$ con composici!nP en toda su e%tensi!n.

La elocidad de difusi!n en los s!lidos depende de la

temperatura. 1 temperaturas eleadas$ no mu& por deba+o de lospuntos de fusi!n de los s!lidos$ la difusi!n en el estado s!lidonormalmente es tan rpido como para "ue el e"uilibrio se alcance enpocos das. 1 temperatura ambiente$ la difusi!n es tan lenta "uepuede ser necesario "ue pasen aos para "ue se logre el e"uilibriodel s!lido.

La regi!n bifsica ,9O "ue se obsera en la anterior 'guraconstitu&e un interalo de inmiscibilidad. Las *onas de dos fases 9disoluci!n l"uida & O 9 disoluci!n l"uida constitu&en -onas de"ransici,n de !ases( Las *onas de dos fases de la siguiente 'gurailustran un e+emplo de transici!n de fase/


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1lgunos diagramas de fase s!lido-l"uido proienen de la intersecci!nde un interalo de inmiscibilidad en fase s!lida con una *ona detransici!n de fases simple s!lido- l"uido esto origina diagramascomo/

La fase es una disoluci!n s!lida de 1 en la estructura cristalina de la fase O es una disoluci!n s!lida de en 1. Si se calienta el s!lido con composici!n F$ empie*a a fundirse en el punto G$ formando uname*cla bifsica de & una disoluci!n l"uida de composici!n inicial ;.Sin embargo$ cuando se alcan*a el punto R$ el resto de la fase fundeT para formar un l"uido de composici!n M ms una fase Os!lida de composici!n 8 ,s O,s 9 disoluci!n l"uida. )uranteesta transici!n #a& tres fases presentes/ $ O & el l"uido$ por lo "ue eln0mero de grados de libertad es 2 ,f: 3-493:2$ pero como ( esconstante e igual a 2 atm$ el sistema posee grados de libertad$ & latransici!n desde a O 9 disoluci!n l"uida tiene "ue ocurrir a unatemperatura determinada$ la "e#$era".ra $eri"'c"ica. ncalentamiento adicional$ posterior a la transici!n del punto R llea auna regi!n bifsica de O & la disoluci!n l"uida & finalmente a la regi!nde una sola fase de la disoluci!n l"uida. na transici!n de faseperitctica$ como la transici!n del punto R$ es a"uella en la "ue elcalentamiento transforma una fase s!lida en una fase l"uida ms unasegunda fase s!lida/ s!lido2 l"uido 9 s!lido3. (or el contrario$ en

una transici!n de fase eutctica$ el es"uema es/s!lido29 s!lido3 l"uido.

*ARTE E/*ERIMENTA)

Ma"eriales

-n #orno de laboratorio a gas.-n crisol de gra'to$ carburo de silicio o porcelana de >mL de

-capacidad.-n term!metro de U-2VC 53VCW.


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-na pin*a para su+etar el crisol$ & cron!metro.-@(b,g & @Sn,g$ & una balan*a.-na bagueta.-n soporte uniersal$ una pin*a para su+etar el term!metro.-na lingotera.

*rocedi#ien"o

(reparar una serie de aleaciones de (b & Sn$ las cuales soncompletamente solubles una en otro en el estado li"uido$completamente insolubles entre en el estado solid! & forman uneutectico. Las aleaciones por preparar son sobre un total de > gr poraleaci!n/

01g de Sn 23145 6 71g de *+ 28145

Colocar cada una de estas aleaciones pesadas en el crisolgra'to o porcelana$ luego montar el crisol en el #orno$ introducir elterm!metro dentro del crisol$ de tal manera "ue solo la puntametlica del term!metro pueda c#ocar con la aleaci!n fundida$prender el #orno #asta "ue la aleaci!n este por lo menos 4XC porencima de su punto de fusi!n$ agitando el bao con la bagueta unae* alcan*ada la temperatura adecuada apagar el #orno$ enfriar laaleaci!n dentro del #orno anotando la temperatura a interalos de 2>segundos. 8eali*ar esta misma operaci!n para cada una de las

aleaciones. Medir las temperaturas #asta 23XC apro%imadamente.Luego de enfriadas las aleaciones oler a fundirlas & lingotearlas enla lingotera.

La agitaci!n del bao se reali*a a 'n de asegurar una me*clacompleta e intima de los componentes. La super'cie del metalfundido se cubre con una capa de gra'to o carb!n de madera paraeitar su o%idaci!n.


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CUESTIONARIO

1d+untar los datos de los diferentes grupos ,Bemperaturas s.Biempo.


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Cura de Enfriamiento 2==

2> 455 5> 2=Z

4 44Z 5Z> 2=2

5> 43> 5 5Y> 2Z2

=> 4= >2 2>Z

Y 4 >3> 2>3

2> 3Y5 >5 25> 25>

24> 3== >= 253

2> 3ZY > 24Y

2Z> 3Z3 Z 24=

2> Z2> 243

2Y> 35< Z4 23Y

32 353 Z5> 23=

33> 34Z ZZ 23>

35 34 Z=> 234

3>> 335 ZY 23

3= 32< => 22 225

42> 33 => 22

44 2Y= =Z> 2 2Y3 = 2


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1d+untar los datos de los diferentes grupos ,Bemperaturas s.Biempo.

Cura de Enfriamiento ZH(b K 5H Sn

Tiempo Temperatura Tiempo Temperatura

(Seg) (C) (Seg) (C)

0 350 420 180

15 340 435 179

30 330 450 178

45 322 465 178

60 314 480 177

75 305 495 175

90 295 510 167

105 285 525 160

120 271 540 155

135 268 555 150

150 260 570 146

165 252 585 142

180 244 600 139

195 238 615 137

210 230 630 134

225 224 645 130

240 218 660 127

255 212 675 124

270 207 690 121

285 205 705 119

300 202 720 117

315 198 735 112

330 195 750 109

345 191 765 107

360 188 780 105

375 184 795 103

390 182 810 101

405 180 825 99


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OBSERVACIONES

1l reali*ar el e%perimento #a& "ue tener muc#o cuidado al sobrepasarse la temperatura "ue resiste el term!metro por"ue de lo

contrario puede ocurrir un accidente con dic#o instrumento.

En este caso el punto de fusi!n "ue utili*amos fue a unatemperatura de 3YXC luego se procedi! a de+ar enfriar la aleaci!na una temperatura de


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CONC)USIONES

Se obsera una diferencia entre el punto eutctico e%perimentalcon el te!rico$ se debe a "ue los metales empleados tienenimpure*as$ & por descuido del operador "ue no toma los datos ensu debido tiempo.

;!tese "ue sobre un amplio interalo de composiciones$ unaporci!n de la cura de enfriamiento "ue muestra el 'nal de lasolidi'caci!n se presenta a una temperatura '+a. Esta lnea#ori*ontal ms ba+a es BE$ se conoce como temperatura eutectica.

El diagrama de fase obtenido de la aleaci!n binaria (b Sn se

muestra como una placa superpuesta sobre el diagrama te!rico.En el diagrama e%perimental obseramos "ue la lnea de li"uidusest por deba+o de la te!rica & "ue la lnea de solidus no ese%actamente una recta.

Este sistema es la base de las aleaciones ms usadas para lasoldadura.

BIB)IOGRAF:A

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