Informe 4 - Lab. Fisicoq. ll

Universidad Nacional Mayor de San Marcos
Facultad de Química e Ingeniería Química
Reporte Nº 4 : Regla de fases
Grupo 5
Escuela de Ingeniería Química
Alumnos:
Becerra Alarcon, Osias Alonso - 21070064
De la Cruz Escalante, Smith Antony - 21070091
Duran Bustamante, Anthony Bryan - 21070074
Huaman Yrigoin, Franz Cristopher - 21070146
Profesor
Giraldo Acero, Yovani
Curso
Laboratorio de Fisicoquímica II
2022
TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN
3
1. INTRODUCCIÓN
4
2. OBJETIVOS
5
3. PARTE TEÓRICA
6
4. PARTE EXPERIMENTAL
9
5. TABLA DE DATOS
16
6. CÁLCULOS Y GRÁFICOS
20
7. TABLA DE RESULTADOS
26
8. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
27
9. CONCLUSIONES
28
10. CUESTIONARIO
29
11. REFERENCIAS
30
12. ANEXOS
31
RESUMEN
En el presente informe tiene como objetivo determinar experimentalmente el
diagrama de fases y la curva de enfriamiento de una mezcla binaria cuyos componentes no
son miscibles en estado sólido, pero sí en estado líquido. Por lo cual, para alcanzar un mejor
resultado la práctica de laboratorio se dividió en dos partes, donde en la primera se tuvo que
determinar las temperaturas de cristalización experimental para cada muestra en ocho tubos
diferentes y con los datos obtenidos realizar el diagrama de fases.
De manera similar, se realizó para la segunda parte, puesto que se tuvo que calcular la
temperatura mediante un intervalo de diez segundos para luego determinar las curvas de
enfriamiento para la mezcla binaria y un compuesto puro con los datos obtenidos. Asimismo,
se pudo comprobar en el diagrama de fases que el punto eutéctico va depender tanto de la
temperatura y de la composición de las sustancias.
3
1.
INTRODUCCIÓN
Los diagramas de fases representan un equilibrio termodinámico de un determinado
sistema permitiendo predecir todas las fases presentes junto a sus propiedades, por lo cual
resultan ser de suma importancia en el campo de la ingeniería, ya que a partir de la
manipulación y procesamiento de materiales se puede relacionar los procesos de obtención
con las propiedades de diseño, con el objetivo de optimizar estos procesos para la adquisición
de un producto deseado. Durante las aplicaciones que se le pueda brindar a los diagramas de
fase posibilitan determinar la solubilidad en un estado sólido y en equilibrio de una sustancia
en otra. Por otro lado, también facilita conocer las fases que se encuentran presentes a
diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento.
De esta manera, los diagramas de equilibrio de fases son ampliamente utilizados
porque facilitan entender como tal el comportamiento de un sistema en equilibrio,
evidenciándose ello en el control de la operación de diversos procesos, como el de
cristalización o el mismo diseño de estos. Al mismo tiempo, son de gran aporte en los
estudios de solidificación, microestructura, metalúrgica física y en el diseño de nuevos
materiales. Por tal razón, también son muy empleados en el campo de la ingeniería, debido a
que proporcionan los materiales necesarios en la composición de máquinas u objetos a partir
de distintas materias primas.
4
2.
OBJETIVOS
2.1.
Objetivos generales
➢ Determinar experimentalmente el diagrama de fases y la curva de enfriamiento
de una mezcla binaria.
2.2.
Objetivos específicos
➢ Distinguir el equilibrio entre las diferentes fases.
➢ Interpretar el diagrama de fases a partir de su temperatura obtenida.
5
3.
PARTE TEÓRICA
Fase.
Porción de un sistema que es macroscópicamente homogéneo en cuanto a sus propiedades
fisicoquímicas , es decir, son cada una de las “capas” o “superficies” que se pueden distinguir
dentro de un sistema material; además de encontrarse separada de otras porciones similares
por regiones límites bien definidas, llamadas interfases. Por otro lado, en el ámbito
fisicoquímico el término fase es simbolizado por la letra P.
Componente.
Es el número mínimo de especies químicas y variables independientes necesarias para
describir la composición de cada fase; asimismo, el término en mención se simboliza se
forma fisicoquímica por la letra C.
Figura 1. Ejemplo de fases y componentes.
Nota. Imagen tomada de
http://nosotrosyciencia.blogspot.com/2011/10/fases-y-componentes-de-un-sistema.html
6
Grados de libertad.
Es el número de parámetros termodinámicos que se pueden variar o cambiar sin generar una
alteración en el número de fases del sistema; se simboliza de forma fisicoquímica por la letra
F.
Regla de fases.
Es una relación que describe el número de grados de libertad (F) en términos del número de
fases separadas (P) y el número de componentes (C) del sistema; teniendo en consideración
que la regla en mención solo aplica a estados de equilibrio de un determinado sistema el cual
debe encontrarse en equilibrio homogéneo en cada fase por la cual este compuesto el sistema,
además de presentar un equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes.
F=C–P+2
Diagrama de fases.
Diagrama en el que se muestran las fases estables en función de dos variables, normalmente
la composición y la temperatura. Se construyen para enfriamientos muy lentos, por lo tanto,
nos indicará las fases de equilibrio cuando se somete a una aleación del diagrama de fases a
un enfriamiento muy lento. Si se realiza un enfriamiento rápido, puede ser necesario recurrir
a otra serie de diagramas en que aparecen fases de no equilibrio, es decir fases metaestables,
cuya tendencia a formar las fases estables para lo que se requerirá un cierto tiempo.
7
Figura 2. Diagrama de fases
Nota. Imagen adaptada de
https://www.cartagena99.com/recursos/alumnos/apuntes/Manual%20Tema%208%20Diagram
as%20de%20fase%20FORMATO2.pdf
8
4.
PARTE EXPERIMENTAL
MATERIALES
➢ 8 tubos de prueba grandes
Figura 3.
Tubos de prueba
Nota. Imagen tomada de
https://tecfresh.com/producto/tubo-de-ensayo-de-vidrio-13-x-100mm-con-tapa-rosca-cja-x-2
50-1230-100t/
9
➢ Agitador metálico pequeño y grande
Figura 4.
Agitador metálico de laboratorio
Nota. Imagen tomada de
https://tecfresh.com/producto/tubo-de-ensayo-de-vidrio-13-x-100mm-con-tapa-rosca-cja-x-2
50-1230-100t/
➢ Termómetro de -10 a 110°C
Figura 5.
Termómetro digital
Nota. Imagen tomada de https://mspinstruments.com/product/termometro-digital/
10
➢ Vasos de 400 y 600 mL
Figura 6.
Vasos de precipitado
Nota. Imagen tomada de
https://www.labolan.es/es/producto/vaso-precipitado-forma-baja-simax-600ml-90x125mm-c10uds.html
➢ Cocina electrica
Figura 7.
Cocina calefactora
Nota. Imagen tomada de https://www.alquimialab.com/cocinilla-calefactora-multiusos/
11
REACTIVOS
➢ Naftaleno QP
Figura 8.
Bolas de naftaleno
Nota. Imagen tomada de
https://www.freepik.es/fotos-premium/bolas-naftalina-naftaleno-sobre-fondo-amarillo_16436
915.htm
12
➢ p-diclorobenceno QP
Figura 9.
p-diclorobenceno sólido
Nota. Imagen tomada de
https://es.made-in-china.com/co_huaronggroup/product_Paradichlorobenzene-P-Dichloroben
zene-Santochlor_erggyggeg.html
13
4.1.
a)
Determinación del diagrama de fases
Prepare el montaje que se observa en la siguiente imagen.
Figura 10.
Montaje para la regla de fases
Nota. Elaboración propia.
b)
En el vaso de 600 mL, caliente agua de caño hasta cerca de la temperatura de
ebullición (95 – 96° C).
c)
Sumerja los tubos numerados de dos en dos, comenzando por los de mayor
temperatura de fusión (ver Tabla 1) para fundir las muestras. Destape ligeramente los
tubos, sin retirarles los tapones de corcho.
d)
En el vaso de 400 mL, caliente agua de caño hasta unos 3° C por encima de la
temperatura de cristalización aproximada, más alta de su set.
e)
Cambie el tubo de temperatura de fusión más alto al vaso de 400 mL, coloque
dentro del tubo el agitador pequeño y el termómetro. Dentro del baño coloque el agitador
14
grande y otro termómetro (Figura 10.3). La muestra y el baño de agua no deben diferir en
más de 2 – 3° C.
f)
Dejar enfriar lentamente la muestra agitándose al igual que el baño exterior hasta
obtener la temperatura de cristalización, la cual reconocerá por la aparición de un
escarchado en el interior del tubo.
g)
Repita los pasos e) y f), con las muestras restantes de su set en orden decreciente
de temperaturas de cristalización.
h)
No lave los tubos al terminar la práctica y déjelos con sus tapones correctamente
numerados.
4.2.
Determinación de las curvas de enfriamiento
a)
Seleccione un tubo que contenga un solo componente (1 u 8).
b)
Elija una temperatura inicial mayor en 3 – 5° C a la de solidificación observada, y
tome datos de temperatura cada 10 segundos, diferentes a los de cristalización.
c)
Repita a) y b) en una muestra de dos componentes.
15
5.
TABLA DE DATOS
Tabla 1
Condiciones de laboratorio
P (mmHg)
759 mmHg
T (°C)
20°C
HR (%)
94%
Nota. Elaboración propia
Tabla 2
Datos teóricos de las muestras.
Punto de fusión
Muestras
Masa molecular
C10H8 (A)
128.1705
80
p-C6H4Cl2 (B)
147.01
53
Nota. Elaboración propia
16
teórico (°C)
Tabla 3
Temperatura de cristalización experimental del Sistema C10H8 (A); p-C6H4Cl2 (B)
Tubo N°
C10H8 (A) (g)
p-C6H4Cl2 (B) (g)
Temp. Crist. (ºC)
aproximada
Temp. Crist. (ºC )
Experimental
1
0
15
52-56
52
2
1,5
12,5
45-49
46
3
2,5
12,5
41-45
44
4
6
12,5
30-34
31
5
10
10
46-50
47
6
12,5
7
56-60
58
7
15
3
70-74
72
8
15
0
78-82
79
Nota. Elaboración propia
17
Tabla 4
Variación de temperatura de la muestra pura (tubo 1) con respecto al tiempo.
Tubo N°1
Tiempo (s)
Temperatura (°C)
Tiempo (s)
Temperatura (°C)
0
57
90
54
10
56
100
53
20
55
110
53
30
54
120
53
40
54
130
53
50
54
140
53
60
54
150
53
70
54
160
53
80
54
170
53
Nota. Elaboración propia
18
Tabla 5
Variación de temperatura de la muestra mixta (tubo 2) con respecto al tiempo.
Tubo N°2
Tiempo (s)
Temperatura (°C)
Tiempo (s)
Temperatura (°C)
0
51
130
48
10
50
140
48
20
50
150
47
30
50
160
47
40
50
170
47
50
49
180
47
60
49
190
46
70
49
200
46
80
49
210
46
90
48
220
46
100
48
230
46
110
48
240
46
120
48
250
46
19
6.
CÁLCULOS Y GRÁFICOS
a) Mediante la composición de cada una de las muestras (Tabla 3), calcule la fracción molar
experimental de cada componente en cada mezcla.
Se siguen los cálculos hasta el tubo N°4, los resultados obtenidos se observarán en la Tabla
N°6 de resultados.
20
b) Con los datos de a) y de 4.1, construya el diagrama de fases. Analícelo.
Figura N°11
Diagrama de fases de un sistema binario (naftaleno / p-diclorobenceno)
Nota. Elaboración propia.
Análisis de la gráfica:
Al mezclarse el naftaleno y el p-diclorobenceno, cambia el punto de fusión y el
equilibrio entre las fases. En la gráfica se observan 4 regiones que están divididas por
el punto eutéctico. En la parte superior del punto eutéctico se observa que los
compuestos están en fase líquida, en la superior izquierda una composición de
naftaleno sólido y p-diclorobenceno líquido, en la parte superior derecha se tiene al
componente p-diclorobenceno sólido y naftaleno líquido y, finalmente, se tiene en la
parte inferior una composición de naftaleno y p-diclorobenceno en estado sólido.
21
c) Construya las curvas de enfriamiento del componente puro y de la mezcla elegida.
La elaboración de esta gráfica fue en base a los datos de la Tabla N°4 con respecto a el
p-diclorobenceno puro durante un tiempo determinado
Figura N°12
Curva de enfriamiento del componente puro (p-diclorobenceno)
Nota. Elaboración propia
22
La elaboración de esta gráfica fue en base a los datos de la Tabla N°5 con respecto a el tubo 4
puro durante un tiempo determinado
Figura N°13
Curva de enfriamiento del la mezcla (naftaleno - p-diclorobenceno)
Nota. Elaboración propia.
23
d) Del diagrama de fases, determine el punto eutéctico, igualmente determine la
temperatura y composición de dicho punto.
Figura 14.
Punto eutéctico, temperatura y composición.
Nota. Elaboración propia.
En la gráfica mostrada anteriormente, se observa qué el punto eutéctico posee una
temperatura de 31°C <> 304.15 K, una fracción molar de p-diclorobenceno y naftaleno de
0.645 y 0.355 respectivamente.
24
e) Mediante la Ec. (10.7), calcule la solubilidad del naftaleno (fracción molar teórica en la
mezcla), para el rango de temperaturas observadas, entre el punto de cristalización del
naftaleno y el punto eutéctico.
❖ Para T=79 ºC=352,15K
❖ Para T=72 ºC=345,15K
❖ Para T=58 ºC=345,15K
f) Repita el cálculo anterior para el p-diclorobenceno, en el rango de temperaturas desde su
punto de cristalización hasta el punto eutéctico, mediante la Ec. (10.6).
❖ Para T=52 ºC=325,15K
25
❖ Para T=46 ºC=319,15K
❖
Para T=44 ºC=317,15K
❖ Para T=31 ºC=304,15K
g) Calcule el calor latente de fusión de los componentes puros en sus puntos de fusión
observados. Calcule también los valores teóricos correspondientes.
❖ Para 𝐶10𝐻8
Para T=79 ºC=352,15K (experimental)
Para T=80 ºC=353,15K (teórico)
❖ Para p-diclorobenceno
26
Para T=52 ºC=325,15K (experimental)
Para T=54 ºC=327,15K (teórico)
h) Determine el número de grados de libertad en el punto eutéctico usando las ecuaciones
(10.1) ó (10.2).
i) Compare los valores teóricos con los experimentales.
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
(
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝐸𝑥𝑝.
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜
)
𝑥 100%
❖ Para el Naftaleno:
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
(
4630.99 − 4629.41
4630.99
) 𝑥 100%
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.03%
❖ Para el Diclorobenceno:
27
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
(
4353.20 − 4362.18
4353.20
) 𝑥 100%
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.02%
28
7.
TABLA DE RESULTADOS
Tabla 6
Fracción molar de los tubos de ensayo
Fracción
Tubo N°
C10H8
p-C6H4Cl2
molar exp del
C10H8
Fracción
molar exp
del
p-C6H4Cl2
Temp.
Temp.
Crist. (ºC)
Crist. (ºC)
aprox.
exp.
1
0
15
0,000
1,000
52-56
52
2
1.5
12.5
0,121
0,879
45-49
46
3
2.5
12.5
0,187
0,813
41-45
44
4
6
12.5
0,355
0,645
30-34
31
5
12
10
0,534
0,466
46-50
47
6
12.5
7
0,672
0,328
56-60
58
7
15
3
0,852
0,148
70-74
72
8
15
0
0,852
0,000
78-82
79
Nota. Elaboración propia
Tabla 7
Datos del punto eutéctico
Fracción molar del
Fracción molar del
Temperatura del
naftaleno
p-diclorobenceno
punto eutéctico (°C)
0.355
0.645
31°C
Nota. Elaboración propia
29
Tabla 8
Calor latente de fusión de los componentes puros con su respectivo error porcentual.
Componentes
Calor latente
Calor latente
Pto. fusión
Pto. fusión
teórico de
experimental
teórico
experimental
fusión
de fusión
(cal/mol)
(cal/mol)
C10H8
353.15 K
79
4630,99
4629,41
p-C6H4Cl2
326.15 K
52
4353,20
4362,18
Nota. Elaboración propia
Tabla 9
Error porcentual del punto de fusión y calor latente de fusión de los componentes.
% Error
Pto. de fusión
Calor latente de fusión
C10H8
1,25%
0,03%
p-C6H4Cl2
3,7%
0,02%
Nota. Elaboración propia
Tabla 10
Error porcentual del punto de fusión y calor latente de fusión de los componentes.
Compuesto
% Error
C10H8
0.03%
p-C6H4Cl2
0.02%
Nota. Elaboración propia
30
8.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
El elaborar el diagrama de fases con las temperaturas halladas para cada fracción
molar de los compuestos otorgó información y comportamiento importante al mezclarse los
dos compuestos estudiados, con el gráfico realizado se determina el punto eutéctico de la
mezcla y este determina las fases que se observan en el gráfico.
Con respecto al punto eutéctico; se nota que dicho punto no corresponde a ninguna
fase como tal, sino que se trata de una mezcla de tres fases conformada por naftaleno sólido,
p-diclorobenceno sólido y solución líquida que contenía una fracción molar igual a 0.355 de
naftaleno, mientras que el p-diclorobenceno poseía una fracción molar igual a 0.645.
Haciendo un análisis en el punto eutéctico, se llegó a un valor de cero referido al
número de grados de libertad, esto debido a que dicho punto se encuentra en equilibrio entre
tres fases; además que por otro lado el punto de solidificación depende de la composición de
la mezcla.
Mediante la curva de enfriamiento de mezcla de composición definida, es posible
obtener el punto de solidificación así como su temperatura eutéctica.
Con respecto a los grados de libertad; mientras más grande es el número de
componentes del sistema, mayor es el número de grados de libertad. Asimismo, cuanto más
grande es el número de fases, menor es el número de grados de libertad.
Finalmente, con respecto al porcentaje de error se notaron valores muy bajos que no
llegaban ni al 1%; a excepción de los valores de punto de fusión del naftaleno y del
p-diclorobenceno los cuales tuvieron resultados de 1.25% y 3.7%, esto podría deberse a un
deficiente control de las temperaturas tomadas en pequeños intervalos de tiempo, o
problemas en los equipos de medición, principalmente el termómetro.
31
9.
CONCLUSIONES
● Se pudo observar que mientras mayor sea el número de componentes en un
sistema, mayor será el número de grados de libertad; asimismo, cuando más grande
sea el número de fases habrá un menor número de grados de libertad.
● Al obtener los datos de las variaciones de temperatura con dos compuestos cuya
fracción molar varía se realizó el diagrama de fases respectivo y con ello,
determinar el punto eutéctico de esta mezcla. Este punto eutéctico se encuentra a
una temperatura de 31°C con las fracciones molares del naftaleno y
p-diclorobenceno son 0.355 y 0.645 respectivamente.
● Se pudo comprobar que el punto eutéctico depende tanto de la temperatura y de la
composición de las sustancias. Además, de que el sólido depositado en la parte
inferior del tubo es una mezcla heterogénea constituida por microcristales de cada
compuesto.
● El tiempo necesario para que la temperatura sea constante en una curva de
enfriamiento va depender de la composición de la mezcla, por lo que si dicha
composición está más próxima a la composición eutéctica, el tiempo será mucho
mayor.
32
10.
CUESTIONARIO
1) ¿Que es un diagrama de fases? ¿Cuál es su importancia?
Los diagramas de fase son gráficos que proporcionan información acerca de las condiciones
de P y T en las cuales una sustancia puede existir en alguna de sus tres fases, sólido, líquido o
gas. Todo diagrama de fases presenta las siguientes características:
● Es un diagrama presión vs temperatura.
● Presenta un punto triple, A, donde las tres fases sólido, líquido y gas se encuentran en
equilibrio.
● Presenta un punto crítico, B, que es el extremo de la curva de presión de vapor. La
temperatura en este punto se llama temperatura crítica y la presión se denomina
presión crítica. A temperaturas mayores a la temperatura crítica una sustancia no se
puede licuar (pasar de gas a líquido), independientemente de lo elevada que sea la
presión.
El aspecto general del diagrama de fases es el siguiente:
33
Los diagramas de fase permiten predecir los cambios presentes en el punto de fusión, punto
de ebullición y punto de sublimación de una sustancia debido a sus variaciones de la presión
externa.
2) ¿Qué entiende usted por un sistema de punto eutéctico simple?
El punto eutéctico es un punto el cual se encuentra dentro del diagrama de fases de una
mezcla binaria, el cual se encuentra definido por una temperatura y composición
determinadas. Gracias a este punto se puede apreciar que la fase líquida solidifica, generando
2 fases sólidas que están en composiciones diferentes.
3) En un diagrama de punto eutéctico simple, explique la aplicación de la regla de la
palanca.
Se tiene el siguiente diagrama de fases
Se puede apreciar que faltan 3 puntos, solubilidad a temperatura ambiente de A en B,
solubilidad a la temperatura eutéctica de A en B y la composición del punto eutéctico.
Para determinar la composición del eutéctico se debe aplicar la regla de la palanca sabiendo
que la aleación de un contenido del 30% de B contiene un 75% de fase sólida a 401ºC, es
decir de fase alfa proeutectica y por tanto lo tanto se sabe 100-75=25% de liquido a 401ºC,
34
por tanto para obtener la composición del eutéctico podemos aplicar la regla de la palanca
con el contenido de sólido alfa a 401ºC.
35
11.
REFERENCIAS
● Chang, R. (2005). Química. Colombia: McGraw-Hill
● De Paula, A. (2006) Química física. Editorial médica panamericana
https://www.academia.edu/31503242/Quimica_Fisica_Atkins_and_de_Paula_8va_Edi
cion_Español
● Dingrando, L. et al. (2003) Química Materia y Cambio. Colombia:
McGraw-Hill.
● García, H.; Irazoque, G. y Talanquer, V. (1996). Introducción a la Física y a la
Química. México: Fondo de Cultura Económica.
● Levine, I. (2004) Fisicoquímica. Mc Grall Hill
https://www.academia.edu/28151329/_FQ_Levine_Fisicoquímica_Vol_1_5ta_Ed
36
12.
ANEXOS
Hoja de seguridad del Naftaleno
37
38
39
40
41
42
43
44
Hoja de seguridad del diclorobenceno
45
46
47
48
49
50
51