Escuela Superior Politécnica del Litoral

Instituto de Ciencias Químicas

Laboratorio de Química General II

Práctica #7ANÁLISIS TERMAL

Perteneciente a: Carla Solange Hidalgo Segovia

Paralelo 3

Profesora:Ing. Judith Elizabeth Flores Rivera

I Término2013-2014

OBJETIVOObtener un diagrama de fases a partir de la curvas de enfriamiento con aleaciones de estaño y plomo en diferentes porcentajes de concentración.

MATERIALESTermómetro 0-400°CCronometroCrisoles de hierroTapa de asbestoCorcho hueco para termómetroTriangulo con mangas cerámicasAnillo de hierroAgarraderaSoporteTenazas para crisolesMecheroEncendedorVaso de 250ml

REACTIVOSPb – Sn en diferentes proporciones de mezcla

PROCEDIMIENTOTome un crisol con una aleación de composición definida.

Ponga el crisol en el triángulo cerámico y fije el termómetro de manera que pueda bajarse fácilmente por el orificio de la tapa de asbesto.

Caliente el crisol hasta que se funda la aleación y lego retire la llama.

Baje lentamente el termómetro a fin de sumergir el bulbo en el metal fundido.

Observe con cuidado el nivel del Hg en el termómetro, pues éste subirá muy rápido, a 320°C apague el mechero y cuando empiece a disminuir la temperatura, regístrela cada 20seg, hasta que la temperatura alcance a 160°C.

TEORÍA Una aleación es una combinación, que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Mayoritariamente las aleaciones son consideradas mezclas, al no producirse enlaces estables entre los átomos de los elementos involucrados.

CLASIFICACIÓNSe clasifican teniendo en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares.

ALEACIONES METALICAS Las aleaciones metálicas están formadas por un agregado cristalino de dos o más metales o de metales con metaloides.Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y dejando luego solidificar la solución liquida.La estructura queda conformada por diferentes fases como son:

Cristales simples o de componentes puros, cristalizados separadamente donde cada cristal contiene un solo componente. En este caso la aleación llamada eutéctica es una mezcla íntima de cristales formada cada uno de ellos de un solo componente puro. Estas aleaciones son de poca aplicación práctica debido a sus bajas propiedades mecánicas.

Cristales de elementos compuestos. Estos cristales están formados por compuestos químicos de los componentes donde no es posible distinguir separadamente los componentes originales como en el carburo de hierro que le aporta dureza a los aceros que lo contienen.

Cristales de solución sólida. Llamada así por semejanza con las soluciones líquidas. Están formados por una solución sólida de los componentes puros o por uno de ellos y un compuesto químico de ambos. Se forman debido a la solubilidad de los componentes en el estado sólido.Cuando los cristales de solución sólida se forman con enfriamiento muy lento, tienen estructuras muy homogéneas y de buenas propiedades mecánicas para emplearlos en la construcción de partes de máquinas.

PROPIEDADESHay ciertas concentraciones específicas de cada aleación para las cuales la temperatura de fusión se unifica. Esa concentración y la aleación obtenida reciben el nombre de eutéctica, y presenta un punto de fusión más bajo que los puntos de fusión de los componentes.

En comparación con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas:· Mayor dureza y resistencia a la tracción.· Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.

Son menores en la ductilidad, la tenacidad y la conductividad térmica y eléctrica que los metales puros.

DIAGRAMAS DE FASES Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas, presiones y composiciones. Estos diagramas indican las fases que están presentes a diferentes composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento lento, cercanas al equilibrio termodinámico. En las regiones bifásicas de estos diagramas, las composiciones químicas de cada una de las fases se indican mediante la intersección de la isoterma con los límites de fase. La fracción en peso de cada fase en una región bifásica puede determinarse utilizando la regla de la palanca a lo largo de una isoterma a una temperatura determinada.En los diagramas de fase isomorfos binarios en equilibrio, los dos componentes son completamente solubles entre sí en estado sólido y por tanto solo hay una fase sólida.

ESQUEMA GRÁFICO

TABLA DE RESULTADOS

COMPOSICION DE LA ALEACIÓN %

80% Sn20% Pb

70% Sn30% Pb

60% Sn40% Pb

55% Sn45% Pb

40% Sn60% Pb

35% Sn65% Pb

30% Sn70% Pb

Tiempo: (S) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C) T(°C)

0 320 320 320 320 320 320 32020 320 320 306 308 305 310 30040 310 318 291 282 292 299 28660 290 309 275 274 278 286 27880 286 295 263 258 264 278 259100 272 283 251 246 252 277 245120 262 277 239 235 246 274 232140 258 275 228 225 238 270 222160 256 270 219 218 236 266 211180 252 265 210 211 230 260 200200 248 258 203 205 224 254 192220 240 250 196 198 218 246 188240 237 242 190 192 211 240 185260 228 235 182 186 206 232 183280 220 225 180 180 198 223 182300 216 215 180 178 190 215 180320 206 206 180 178 184 207 178340 200 198 180 178 180 199 177360 192 190 180 178 180 192 177380 184 183 180 178 180 185 177400 180 182 180 178 180 177 177420 178 182 180 178 180 177 177460 178 180 180 178 178 173 176480 178 171 180 178 177 167 176500 178 163 180 177 171 161 175520 178 160 180 177 164 174540 170 180 174 158 173560 164 178 170 170580 158 178 159 166600 177 160620 173640 166660 160

CONCLUSIONES

Por medio de las gráficas realizadas se pudo notar en cada una de ellas que existe un punto de temperatura que se mantuvo en cierto intervalo de tiempo y que aproximadamente es el mismo en cada gráfica realizada, el cual nos indica que este punto de temperatura es cuando se cristalizan elementos de la aleación en cualquier proporción de los mismos (cambian de fase líquida a sólida), por tanto es la temperatura necesaria para fundir o cristalizar toda la aleación.

En las curvas de enfriamiento de las diferentes proporciones de Sn y Pb se realizaron 2 veces cristalización en diferentes intervalos de tiempo y diferentes temperaturas, la primera cristalización es del elemento de mayor proporción en la aleación y la segunda es del otro elemento, por tanto los dos elementos ya están cristalizados a esa temperatura como se había mencionado en la conclusión anterior, en las gráficas realizadas no se pudo apreciar de mejor manera la primera cristalización, ya que la aleación contenía impurezas.

El punto de temperatura en el cual se realiza la primera cristalización es diferente y depende del porcentaje del elemento de mayor proporción en la aleación.

En las aleaciones los elementos que lo conforman, en este caso Sn y Pb, reduce su punto de cristalización el elemento de mayor proporción en la aleación dependiendo de su porcentaje en la misma.

RECOMENDACIONES

Ya que en este experimento se necesita de un mechero para fundición de la aleación, tener cuidado en el manejo del mismo evitando alguna quemadura.

Durante el calentamiento de la aleación, tener muy en cuenta el nivel del Hg del termómetro, ya que si el Hg pretende sobrepasar el nivel máximo que permite el termómetro, éste se puede reventar.

No tocar los objetos que hayan estado expuestos a la flama del mechero como por ejemplo el triángulo y el crisol, ya que se puede quemar.

Tener mucha precisión de toma de temperatura con respecto al tiempo en que la aleación se va enfriando, ya que el descenso del Hg en el termómetro es un poco rápido.

BIBLIOGRAFÍA Manual de prácticas de Química General II http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n http://www.utp.edu.co/~publio17/aleaciones.htm http://www.ehowenespanol.com/cuales-son-tipos-metales-aleaciones-

lista_142062/ https://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_eut%C3%A9ctico http://ca.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_D%C3%BChring http://users.exa.unicen.edu.ar/~ofornaro/TDF/5-Ternarios.pdfANEXOS

EL SISTEMA TERNARIO Un sistema ternario es aquel que contiene 3 componentes.Una sistema ternario, puede ser una aleación compuesta de 3 metales A, B y C.

Diagramas ternarios y multicomponentes.La mayoría de las aleaciones comerciales constan de más de dos componentes, algunas veces de más de una docena como en el caso de las superaleaciones base Ni o de aceros especiales. Los sistemas de tres comonentes son conocidos como ternarios y los sistemas de aleaciones de aluminio como la serie 6000 (Al-Mg-Si) o la serie 7000 (Al-Mg-Cu) puede ser interpretada como ternaria en muchas situa- ciones. Sin embargo estas aleaciones también contienen un número significativo de elemen- tos aleantes tales como Cu, Mn, tierras raras, etc, y no pueden omitirse en algunos aspectos específicos de su comportamiento. Como se puede ver fácilmente, existe una combinación de diferentes diagramas binarios que producen diferentes diagramas ternarios (Danzig & Rappaz 2009)

Dado que XA+XB+XC=1 en un sistema ternario la composición es representada por un triángulo equilátero como se muestra en la Figura 29. Los componentes puros están ubicados en los vértices del triángulo. Una línea que parte de un vértice siempre representa una relación constante de los otros dos componentes, como la línea Bb tiene relación constante (XA/XC), mientras que una línea paralela a un eje siempre tiene una fracción constante de un componente, como la línea yz tiene composición constante de XB.

Sistemas ternarios isomórficos

En un sistema ternario, la temperatura de equilibrio se dibuja en un eje perpendicular a la página y al triángulo de composición, formando una figura tridimensional. Esto complica de algún modo la lectura e interpretación de los diagramas ternarios en contraste con los diagramas binarios.

La Figura 30 muestra un sistema ternario isomorfo, con solubilidad completa en las fases sólida y líquida en todo el rango de composición. Las líneas de líquidus y sólidus en el diagrama bina-rio se transforman en superficies en este caso. Las regiones de dos fases se reducen a un punto sobre los ejes que pasan por los vértices del triángulo, el diagrama aparece como una doble superficie que intersecta los tres planos de composición. En la Figura 30b) se muestra una sección isoterma del diagrama, indicando las fases presentes a una dada temperatura entre la de sólidus y líquidus. La intersección del plano de temperatura constante con las superficies de sólidus y líquidus produce líneas y no puntos como en el caso de los sistemas binarios. En otras palabras, NF=NC−Nφ=3−2=1 y por lo tanto si fijamos la temperatura existe aún un grado de libertad, y la composición entre el líquido y el sólido en la región de dos fases no es fija para una dada temperatura. El diagrama debe especificar las líneas donde la composición está en equilibrio en forma de tie-lines.

En otras palabras, cada tie-line especifica cada conjunto de de composición en el líquido XA,l(T),XB,l(T),XC,l(T) que está en equilibrio con el sólido XA,s(T),XB,s(T),XC,s(T). Las tie-lines son representadas en la sección isoterma de la Figura 30b). Se debe notar que en principio no se tiene ningún conocimiento a priori de la ubicación de las tie-lines dentro del diagrama. Estas surgirán de la construcción del diagrama a partir de la regla de los planos tangentes de las energías libre de Gibbs.Los sistemas ternarios son usualmente estudiados a partir de planos horizontales isotérmicos o verticales, como secciones pseudo-binarias.

DIAGRAMA DE DÜHRINGEl diagrama de Dühring es la representación gráfica del temperatura de ebullición del disolvente en la disolución (T) frente a la del disolvente puro (T 0), a distintas presiones , para un intervalo de concentraciones de la disolución de interés práctico . Esta representación gráfica está estrechamente ligada a la propiedad coligativa del aumento ebulloscópica .

Regla empírica de Dühring De estas representaciones T vs T 0, para cada concentración se deduce la regla empírica de Dühring que establece que el punto de ebullición de una disolución (T) es una función lineal de T 0 a una concentración dada, siempre que la disolución tenga carácter concentrado, (ec. 1). No obstante, la regla no es

exacta cuando se trata de grandes intervalos de presión , a pesar de ello se encuentra extensamente aplicada en los cálculos a nivel industrial.

T = a + b · T 0

Para disoluciones diluidas ideales es mejor partir de la ley de Raoult .

Construcción Para la construcción del diagrama de Dühring se necesitan los valores del punto de ebullición tanto de la disolución como del disolvente puro, a distintas presiones para cada concentración . De hecho, basta conocer dos valores de la temperatura de ebullición de ambos componentes, a diferentes presiones para cada concentración. Entonces, se representa el punto de ebullición de la disolución (eje y) frente a la del disolvente puro (eje x), en la misma presión y empleando las mismas unidades de temperatura. Para cada una de las disoluciones que presentan diferente concentración , se obtiene una recta . Para una concentración dada, se puede estimar sobre la gráfica del aumento ebulloscópica trazando una vertical sobre el eje de las abscisas en el punto T 0 correspondiente a la presión de trabajo. El corte de esta vertical con la recta de concentración dada permite leer sobre el eje de ordenadas el valor de T, siendo ΔTb = T - T 0.

Determinación experimental Se requiere medir en un matraz la temperatura de ebullición de disoluciones con diferente concentración variando la presión del sistema que debe ser medida. El valor de la presión de trabajo permite conocer la correspondiente T 0 a partir de datos de presión de vapor -temperatura del disolvente .

Aplicaciones Se utiliza para estimar la presión en el espacio libre de un líquido de una determinada concentración envasado cuando éste se encuentra a una temperatura T. Dibujando una paralela al eje de abscisas en el punto T, el corte con la recta de su concentración permite leer en el eje de ordenadas un punto T 0

que se corresponderá con una determinada presión de vapor del disolvente y que será, la presión de vapor del líquido o presión del espacio libre.

Otro caso en el que es necesario conocer la relación existente entre la concentración de solutos y el punto de ebullición del disolvente es para el de un evaporador . La velocidad de transmisión de calor en este depende, entre otros factores, de la diferencia entre la temperatura de condensación del vapor de calefacción y la temperatura de ebullición de la disolución a concentrar. De acuerdo con el aumento ebulloscópica , cuando más concentrada es la disolución , mayor será su temperatura de ebullición . A medida que su concentración aumenta en el aparato, disminuye por tanto la velocidad de transmisión de calor. Esta bajada ha de tenerse en cuenta en el diseño de un evaporador . Por lo tanto, se deben conocer los diagramas de Dühring de la disolución a concentrar.

DIAGRAMAS DE FASESSon representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de aleación a diversas temperaturas, presiones y composiciones. Estos diagramas indican las fases que están presentes a diferentes composiciones y temperaturas para condiciones de enfriamiento o calentamiento lento, cercanas al equilibrio termodinámico.

En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Sólido puro o disolución sólida Mezcla de disoluciones sólidas

(eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide)

Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de

líquidos inmiscibles (emulsión), ya sea un líquido completamente homogéneo.

Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre

homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización: Línea de líquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas. Línea de sólidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas. Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que

tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente. Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución

sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en (α)+ sustancia pura (A ó B).

Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante:

o Eutécticao Eutectoideo Peritécticao Peritectoide

o Monotécticao Monotectoideo Sintécticao Catat

o écticaEn los diagramas de fase isomorfos binarios en equilibrio, los dos componentes son completamente solubles entre sí en estado sólido y por tanto solo hay una fase sólida.

Diagrama de equilibrio de fases isomorfo o de solubilidad totalEn los diagramas de fase binarios en equilibrio de aleaciones se producen frecuentemente reacciones invariantes que involucran tres fases en equilibrio. Las reacciones más comunes de tres fases son: L = S1 + S2 (eutéctica)L + S1 = S2 (peritéctica)S1 = S2 + S3 (eutectoide)S1 + S2 = S3 (peritectoide)L1 = L2 + S1 (monotéctica)

L1 líquido 1, L2 líquido 2, S1 sólido 1, S2 sólido 2, S3 sólido 3, L líquido.