2014

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Tercera Prctica de LaboratorioDIAGRAMA DE FASES8 de Setiembre de 2014

Tercera Prctica de Laboratorio

DIAGRAMA DE FASES

INTRODUCCIN

Los diagramas de equilibrio son grficas que representan las fases y estado en que pueden estar diferentes concentraciones de materiales que forma una aleacin a distintas temperaturas. La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equilibrio, siendo utilizadas por ingenieros y cientficos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materiales; debido a que aportan valiosa informacin sobre la fusin, el moldeo, la cristalizacin y otros fenmenos.

Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemas multicomponentes tienen aplicaciones importantes en qumica, geologa y ciencia de los materiales. Por otra parte, los diagramas de fases son de gran importancia pues apoyan, entre otros, estudios de solidificacin, microestructura, metalurgia fsica y el "diseo de nuevos materiales".

La ciencia de los materiales surgi despus de la Segunda Guerra Mundial, como respuesta a la necesidad de producir materiales con propiedades especializadas. Los primeros intentos de modificar cientficamente las propiedades de la materia se remontan a principios del siglo pasado, cuando los conocimientos de cristalografa, estado slido y fsica atmica convirtieron el arte de la metalurgia en ciencia. De all parte la creacin de nuevas aleaciones, como el acero, que es el resultado de la aleacin de hierro y carbono en diferentes proporciones. La definicin en porcentaje de carbono corresponde a los aceros al carbono, en los cuales este no metal es el nico aleante, o hay otros pero en menores concentraciones. Es utilizado, por ejemplo, en construccin, cascos de barcos, maquinaria, carrocera de automviles, equipos qumicos, etc.El acero se calienta a una temperatura determinada, se mantiene a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forma la estructura deseada y entones se enfra a una velocidad conveniente, dependiendo del tratamiento trmico que le sea aplicado, adquiriendo as, gran flexibilidad y dureza.La tcnica de enfriado (tratamiento trmico), como se menciono anteriormente, consiste en someter al material a determinada temperatura y enfriarlo con cierta velocidad. Los factores temperatura-tiempo dependen del material, tamao y forma de la pieza. De esta manera se conseguir una modificacin microscpica, transformaciones de tipo fsico, cambios de composicin o una determina estructura interna las propiedades de a cual permitirn alguno de los objetivos buscados, como aumentar la dureza, mejor mecanizado, eliminar tensiones internas, evitar deformaciones, etc. Los principales tratamientos trmicos son: temple, recocido, revenido y normalizado.

OBJETIVOS

Mediante el anlisis trmico obtener curvas de enfriamiento de cierta mezcla de dos componentes, que nos permitan comprender el comportamiento de una aleacin a diferentes porcentajes de los respectivos componentes.

Conocer cmo construir un diagrama de fase, el punto eutctico, curva de slidos, lquidos, etc.

Trazar el diagrama de equilibrio del sistema plomo estao a partir de composiciones diferentes en peso. Se utilizar el mtodo del anlisis trmico.

Reconocer las variables independientes de la ecuacin de la regla de fases (concentracin, temperatura y la presin).

FUNDAMENTO TEORICO

Equilibrios lquido-vapor en sistemas binarios: Disoluciones ideales.

Consideremos una disolucin lquida compuesta de varias sustancias voltiles (mezcla binaria A, B) en un recipiente en el que se ha hecho el vaco a una temperatura T.Parte de la disolucin se evapora y la disolucin (l, composicin: xA, xB) y el vapor (g, composicin: yA, yB) alcanzan el equilibrio cuando se igualan los potenciales qumicos del componente i en las dos fases:

La composicin es diferente en cada fase, lquida y gaseosa. El vapor (gas) ser ms rico en el componente ms voltil. La Presin total (PT) ser la suma de las presiones de vapor parciales de A y B: PT = PA+ PB.Para componentes muy parecidos (interacciones semejantes) se encuentra (medidas experimentales) que las presiones de vapor de A y B siguen la ley de Raoult, es decir:

Figura 1a.

Variacin de la presin de vapor total y parcial de una mezcla binaria (A-B) en funcinde la fraccin molar en el lquido (xA) cuando se cumple la ley de Raoult, siendo el componente Bms voltil que el componente A.Figura 1b. Diagrama Presin-composicin de la mezcla benceno-metil benceno (valoresexperimentales).Conclusin:La presin de vapor total (PT) y las dos presiones de vapor parciales de una mezcla binaria idealson proporcionales a las fracciones molares de los dos componentes en la disolucin.

Figura 2(a). Esta figura es en realidad un diagrama de fases, porque la lnea recta representalas presiones a las que las dos fases estn en equilibrio en funcin de la composicin de ladisolucin (x) (T cte). Los puntos por encima de la lnea (cuando la presin es mayor que lapresin de vapor) corresponden al lquido como fase estable y los puntos por debajo de la lnea(cuando la presin es menor que la presin de vapor, de forma que la muestra se evapora)corresponden al vapor como fase estable.Cuando el vapor y el lquido estn en equilibrio, sus composiciones no son las mismas. Siqueremos encontrar una expresin que relacione la PT y la fraccin molar en el vapor (y)utilizaremos la ley de Dalton (PA = PT yA) combinada con la ley de Raoult.yA PAPTyB PBPT

Ley de Dalton de las Presiones parciales: Pi = PT yi

Se puede utilizar cualquiera de los diagramas para analizar los equilibrios de fases de una mezcla.Sin embargo, si interesa el proceso de destilacin, tanto la composicin del vapor como la dellquido son de inters, en cuyo caso es conveniente combinar ambos diagramas en uno solo.En este diagrama, zA, representa la fraccin molar totalde A en el sistema (composicin global).

Por encima de la lnea superior (denominada curva lquida, PT vs xA) la presin es lo suficientementeelevada como para que el sistema slo contenga fase lquida y entonces zA es idntico a xA.Por debajo de la lnea inferior (curva vapor, PT vs yA) la presin es lo suficientemente baja como paraque el sistema slo contenga fase vapor y zA es idntico a yA.Qu significa la regin (intermedia) entre ambas lneas?: los puntos entre ambas lneas representansistemas en que las dos fases coexisten en equilibrio.Para entender esta asignacin, veamos lo que ocurre cuando disminuimos la presin de formaisotrmica en la mezcla lquida de composicin global A de la figura.Esta lnea vertical recibe el nombre de isopleta, de los trminos griegos "igual abundancia". Dado quese trata de un sistema cerrado la composicin global no vara aunque s que lo harn la del lquido y ladel vapor.

Si a una concentracin zA = A, disminuimos la presin slo tenemos lquido hasta que en 1 aparece elprimer vapor (eq. lquido-vapor: la composicin del lquido y el vapor vienen dadas por lascorrespondientes xA e yA); si por el contrario aumentamos la presin desde cero slo tenemos vaporhasta que en 2 aparece lquido, (eq. lquido-vapor).Es decir, por debajo de la curva lquida no puede existir solamente lquido y por encima de la curvavapor no puede existir nicamente vapor.Los puntos entre ambas curvas indican estados del sistema en los que el lquido y el vapor coexisten enequilibrio.Adems, cada punto nos representa de manera cuantitativa las cantidades relativas de ese componenteen cada fase.Veamos que implica esta ltima afirmacin: consideremos que estamos sobre la lnea en un punto 3, ZA = A, de la regin intermedia en que ambas fases coexisten en equilibrio. Para el punto 3Sea n(l) el nmero total de moles de sustancia lquida y n(g) el nmero total de moles de sustancia gas:n(l) = nA(l)+nB(l) , n(g) = nA(g)+nB(g) y n = n(l)+n(g)

Diagramas T-composicin (P= cte). Disoluciones ideales. Destilacin fraccionada.A T constante, si disminuimos la Presin pasamos de la fase lquida a la fase vapor. Reducir lapresin a T cte es una forma es una forma de efectuar una destilacin pero es ms frecuentedestilar a P cte elevando la temperatura y necesitamos un diagrama temperatura-composicin(disolucin binaria ideal).Las lneas de fase indican las composiciones y temperaturas a las que el lquido y el vapor estnen equilibrio, siendo la presin cte (1 atm). Nos muestra la composicin de las fases en equilibrioa diferentes temperaturas.En la Figura 3 se muestra un diagrama de este tipo para una disolucin binaria ideal.Curva superior: composicin del vapor, adems nos da la Temperatura de ebullicin en funcin dedicha composicin, yA.Curva inferior: composicin del lquido, adems nos da la Temperatura de ebullicin en funcin de dicha composicin, xA.

Interpretacin: Calentamos un lquido de composicin, za = a, a P constante. Inicialmente suestado es a1 y entra en ebullicin cuando su temperatura alcanza T2. En ese punto el lquido tieneuna composicin a2 (la misma que a1) y el vapor (en cantidad mnima) tiene una composicin a2'.El vapor es ms rico en A, es decir, en el componente ms voltil.Por la situacin de a2 se puede conocer la composicin del vapor y por la situacin de la lneaa2a2' se puede determinar la temperatura de ebullicin del lquido original.En un experimento de destilacin simple se separa el vapor y se condensa. Si el vapor de esteejemplo se extrae y se condensa completamente, entonces la primera gota de lquido tiene unacomposicin a3, ms rica en el componente ms voltil que el lquido original. En la destilacinfraccionada se repite el ciclo de ebullicin y condensacin varias veces. El ciclo se puede repetirhasta obtener A casi puro. Esta tcnica se utiliza para separar lquidos voltiles.

Para construir un diagrama como ste, necesitaramos, la composicin del lquido (xA) y delvapor (yA) en equilibrio a una Temperatura (lnea horizontal).En la prctica (montaje de destilacin), cuando empieza la ebullicin, si tenemos la llave abierta elvapor se va condensando y no se altera la composicin del lquido y del gas, la ebullicin es a T =cte, lnea horizontal.Si cerramos la llave la temperatura empezara a aumentar y la composicin del lquido y del vaporvara (lnea vertical). La temperatura de ebullicin va cambiando a medida que vara lacomposicin del lquido.

Disoluciones reales no electrolticas.

Las disoluciones lquidas reales no suelen tener un comportamiento ideal desvindose de la leyRaoult, porque las interacciones entre los componentes (A, B) no suelen ser idnticas (dis. ideales:interacciones A-A y B-B iguales a interacciones A-B).El comportamiento es no ideal o real ( interacciones A-A y B-B ! interacciones A-B). En elcomportamiento real podemos tener desviaciones positivas o negativas respecto a la ley de Raoult.Desviaciones positivas: Interacciones A-B ms dbiles que A-A y B-B, pasan ms fcilmente a lafase vapor y las presiones de A, B y la P total reales sern mayores que las predichas por la ley deRaoult (mezcla menos estable). Figura 4 (a).Desviaciones negativas: Interacciones A-B ms fuertes que A-A y B-B, pasan ms difcilmente ala fase vapor y las presiones de A, B y la P total reales sern menores que las predichas por la leyde Raoult (mezcla ms estable). Figura 4 (b).

Figura 4. Diagramas presin-composicin. (a) acetona-disulfuro de carbono (b) acetona-cloroformo.Lneas discontinuas: comportamiento ideal. Lneas continuas: comportamiento real.Veamos ahora como se pueden ajustar las expresiones desarrolladas previamente para tener en cuentalas desviaciones del comportamiento ideal, Veremos que al introducir el concepto de actividad(coeficiente). Las expresiones deducidas para disoluciones ideales, se mantienen formalmente iguales.El paso siguiente es definir esas magnitudes y como se miden.Una disolucin ideal se caracteriza porque sigue la ley de Raoult.Cuando la disolucin es real (se desva de la ley de Raoult), podemos mantener la forma de esta ltimaecuacin escribiendo:Esto no es ms que una definicin de actividad, si queremos que el concepto sea til hay querelacionarlo con la composicin verdadera de la disolucinComo la ecuacin anterior es vlida tanto para disoluciones ideales como reales se puede concluir que:

No hay nada misterioso en su definicin, se puede determinar experimentalmente de forma sencillamidiendo la presin de vapor de la disolucin.Puesto que todos los disolventes cumplen la ley de Raoult tanto mejor cuanto ms cercana a cero es laconcentracin de soluto, la actividad del disolvente tiende a la fraccin molar cuando xA 1.

Un modo conveniente de expresar esta convergencia o divergencia de la idealidad es introduciendo elcoeficiente de actividad, que por definicin es:

Que utilizaremos ms tarde para obtener valores numricos de .a) desviaciones positivasi > 1 PA (real) > PA idealb) desviaciones negativasi < 1 PA (real) < PA ideal

Diagramas de fase de disoluciones reales. Azetropos.En el caso de las desviaciones positivas que es el caso de la prctica que realizaremos en ellaboratorio, los diagramas P-x y T-x presentan un mximo y un mnimo, respectivamente, lo quetiene consecuencias importantes en la destilacin. Llega un momento en el que la evaporacintiene lugar sin cambio en la composicin: la mezcla forma un azetropo. Una vez alcanzada lacomposicin azeotrpica, la destilacin no puede separar los dos lquidos, ya que el condensadoretiene la composicin del lquido.

Consideremos un lquido inicial de composicin a1 y sigamos los cambios que ocurren en el vaporque asciende por una columna de fraccionamiento.La mezcla ebulle a a2, para dar un vapor de composicin a2', que se condensa en la columnaformando un lquido de la misma composicin, a3. Este lquido alcanza el equilibrio con su vapor,a3', que se condensa ms arriba en el tubo, dando un lquido de la misma composicin, a4.Cuando se alcance la composicin b el vapor tiene la misma composicin que el lquido. Laevaporacin tiene lugar sin cambio en la composicin, la ebullicin se produce a T constante y lacomposicin del lquido y del vapor son iguales.ndice de refraccinEs una propiedad fsica del medio que nos informa de la relacin entre la velocidad de la luz en elvaco y dicha velocidad en el medio. Por tanto, va a depender de la densidad del medio(composicin) y en nuestro caso su medida nos servir para determinar la composicin de las mezclas lquidas y condensadas (vapor), mediante un calibrado previo.Diagrama con eutctica

Fig. 2. Diagrama de estado con eutcticaEn este sistema no se forman fases que sean componentes puros. Del lquido slo se pueden desprender soluciones slidas o . Por consiguiente, junto a las verticales A y B (fig. 2), correspondientes a los componentes puros, se encuentran las regiones de existencia de las soluciones slidas o . La solubilidad lmite del componente B en el A se determina por la lnea DF, y la solubilidad lmite de A en B, por la lnea CG. Las aleaciones que se encuentran entre estas dos lneas se hallan fuera de los lmites de solubilidad y son de dos fases, formadas por + . La lnea AEB es en este diagrama la de lquido, y la AOCB, la de slido. Conociendo la regla de las fases y la regla de los segmentos puede seguirse el proceso de cristalizacin de cualquiera de las aleaciones. Cristalizacin de la aleacin 1. Por encima del punto f la aleacin se encuentra en estado lquido. En el punto 1 empieza el proceso de la cristalizacin. Se desprenden cristales de la solucin slida , cuya concentracin vara siguiendo la curva a-- 2, y la composicin del lquido cambia siguiendo la curva 1 - b. En el punto 2 termina la cristalizacin y los cristales obtenidos de solucin slida deben tener (para que la cristalizacin .sea en equilibrio) la concentracin que tena el lquido inicial. Estos cristales no sufren variacin hasta el punto 3, que se encuentra en la lnea de solubilidad lmite. Por debajo de este punto la solucin slida . est sobresaturada y segrega los cristales sobrantes. Estos cristales son de solucin slida , lo que se determina aplicando la regla de la palanca para la aleacin que se encuentra dentro de la regin de dos fases + (es decir, para la aleacin que hay por debajo de la lnea DF). La composicin de la solucin slida vara siguiendo la curva 3 - F, debido al desprendimiento de cristales de concentracin G. La cantidad de cristales aumenta durante el enfriamiento. La cantidad de estos cristales que se desprende de la aleacin I est caracterizada por el segmento que va de la vertical I a la lnea 3-F. La curva de enfriamiento y los esquemas de las estructuras de esta aleacin a distintas temperaturas se muestra en la fig. 3. Los cristales que se separan de la solucin slida se llaman cristales secundarios y se designan frecuentemente con el smbolo 11 para distinguirlos de los cristales primarios que se desprenden del lquido. El proceso de separacin de los cristales secundarios de la fase slida se llama cristalizacin secundaria, para diferenciarlos del proceso de cristalizacin primaria, en el cual los cristales (primarios) se forman en la fase lquido, aleacin que al cristalizar da solucin slida, que despus precipita fase secundaria; , aleacin hipoeutctica.

Fig. 3. Curva de enfriamiento y esquema de las estructuras:Hay que advertir que en la aleacin cuya concentracin se encuentre a la izquierda del punto F no habr segregaciones secundarias de cristales .

Como la lnea CG, a diferencia de la FD, est representada en la fig. 2 por una vertical, es decir, la solubilidad del componente A en el B no depende de la temperatura, no hay segregaciones secundarias de cristales , pero las habra si la lnea CG estuviera inclinada hacia la derecha, o sea, si la solubilidad disminuyera al descender la temperatura. El punto D para la solucin slida . indica la solubilidad mxima del componente B en el componente A en las condiciones ms favorables. Cristalizacin de la aleacin II. Cuando cristaliza esta aleacin, a diferencia de la anterior, cuando llega a la lnea horizontal DEC empieza la reaccin invariable. Se encuentran en equilibrio tres fases: el lquido E, los cristales . de composicin D y los cristales de composicin C. Introduzcamos signos convencionales: el subndice que aadimos al smbolo que designa la fase indicar la composicin de sta. Por ejemplo, ac significar que la solucin slida . tiene la composicin determinada por el punto D. Al llegar a la temperatura correspondiente a la horizontal DEC comienza la reaccin eutctica, del lquido se desprenden cristales de ambas soluciones slidas: L DE + EC En una forma ms general, la reaccin eutctica puede escribirse as: L + Esta reaccin es invariante, ya que siendo dos los componentes, participan en la reaccin tres fases (c=k f+1 = 2 3+1 = 0).Las tres fases que toman parte en la reaccin tienen composiciones determinadas (las proyecciones de los puntos E, D y C) y temperatura de transformacin constante. Como resultado de la cristalizacin de la aleacin II adems de los cristales primarios (segregados durante el enfriamiento desde el punto 1 hasta el punto 2), se forma tambin eutctica + Si sigue el enfriamiento, debido a la variacin de la solubilidad, los cristales segregan cristales secundarios y a la temperatura normal tendrn (tanto los cristales primarios como los que entran en la eutctica) la composicin que responde al punto F. La curva de enfriamiento de la aleacin II y las estructuras de esta aleacin se representan en la fig. 3. La segregacin de los cristales secundarios por las componentes eutcticas no suele descubrirse al hacer el anlisis microscpico, porque las segregaciones secundarias se unen a la fase (igual que ellas) de la eutctica. A pesar de la diversidad de los componentes estructurales, la aleacin enfriada definitivamente slo contiene dos fases, y , a la regla de las fases, si se aplica por debajo de la lnea DE, dar la cantidad total de las fases y independientemente de la forma estructural en que se encuentren.

Diagrama con peritctica

Fig. 4. Diagrama de estado con peritcticaEn la transformacin eutctica el lquido cristaliza formando dos fases slidas. Tambin es posible otro tipo de transformacin invariante (equilibrio de tres fases), en la cual el lquido reacciona con los cristales segregados antes y forma un nuevo tipo de cristales. La reaccin de este tipo se llama peritctica. Un diagrama con transformacin peritctica se muestra en la fig. 4. En este diagrama pueden verse tres regiones de una fase: la del lquido L y las soluciones slidas y . La lnea ACB es la de lquido, la APDB, la de slido. Cristalizacin de la aleacin I. La cristalizacin comienza en el punto 1 (fig. 4), cuando del lquido se desprenden cristales de solucin cuya composicin es la determinada por el punto b. Despus, a medida que desciende la temperatura, la concentracin del lquido vara siguiendo la lnea de lquido desde el punto 1 hasta el punto cy la concentracin de los cristales , siguiendo la lnea de slido desde el punto b hasta el punto D. Al llegar a la horizontal peritcticaCPD, la composicin del lquido responder al punto C, y la composicin de los cristales, al punto D.Estas dos fases reaccionan y dan la tercera fase , cuya concentracin la determina el punto P, tercero en la horizontal. La reaccin peritctica se representa del modo general L + Ya que los puntos D y P indican la concentracin lmite de las soluciones slidas y . (para simplificar, las lneas de solubilidad lmite se dan verticales). La relacin cuantitativa de las fases en la reaccin peritctica, necesaria para la formacin de la fase ., se determina por la regla de los segmentos Cantidad de = CPCantidad de L PDEn la aleacin que consideramos, la cantidad de cristales y de lquido que participan en la reaccin peritctica se determina por la relacin es decir, en este caso existe un exceso de fase en comparacin con la cantidad para necesaria la formacin de los cristales . Cantidad de = C2Cantidad de L 2D

Fig. 5. Curva del enfriamiento de la aleacin, una vez terminada la reaccin peritctica en que hay exceso de , solucin slida; , fase liquida.Por esto, cuando la reaccin termina quedan cristales sobrantes. Por consiguiente, en la estructura estarn los productos de la reaccin peritctica (es decir, los cristales ) y los cristales primarios que sobran. Cuanta ms cerca del punto P est el punto 2, tanto menor ser, el exceso de cristales que quede en la reaccin. Para la aleacin que responde al punto P por su concentracin, la relacin entre el lquido y los cristales que reaccionan en la transformacin peritctica es tal, que resulta exactamente suficiente para la formacin de cristales . de concentracin lmite.En la Fig.5, se muestra la curva de enfriamiento de la aleacin I; en los esquemas se dan las estructuras correspondientes a algunos instantes de la cristalizacin.Para la cristalizacin peritctica (esquema del centro) es caracterstico que la nueva fase aparece en el lmite entre el lquido y los cristales que reaccionan. Para la aleacin I el proceso de cristalizacin finaliza en la reaccin peritctica. Cristalizacin de la aleacin II (fig. 5). La cristalizacin de esta aleacin se diferencia de la cristalizacin de la aleacin I en que a la temperatura peritctica hay un exceso de fase lquida en comparacin con la cantidad que hace falta para la formacin de cristales de concentracin .Por esto la transformacin peritctica finaliza cuando se acaba la solucin slida , y el lquido restante cristaliza, en el intervalo entre los puntos 2'-3, en la fase Al mismo tiempo la concentracin del lquido vara siguiendo la curva C - a, y la concentracin de los cristales . que se forman, siguiendo la curva P-3 (fig.4).

La regla de las fases propuesta por Gibbs se establece que: F=C-P+2 donde F es el nmero de variables fsicas independientes llamadas grados de libertad de un sistema de C componentes y P fases cuando la temperatura y la presin son las nicas variables de la concentracin. Para estudiar las relaciones de punto de fusin de un sistema binario se considera que la presin es constante. 1 atmsfera y que el sistema est condensado; esto es que no existe la fase de vapor. Para un sistema de dos componentes de este tipo, la regla de las fases se reduce a: F=3-PPor consiguiente, cuando coexisten tres fases. La temperatura ha de ser constante, y si coexisten dos fases habr un grado de libertad. Se puede tomar como tal la temperatura o la composicin. La regla de las fases se aplicar ms adelante para interpretar los datos de la curva de enfriamiento. El procedimiento que se utiliza para establecer los diagramas de fases se llama anlisis trmico. Este consiste en obtener las curvas de enfriamiento de cierto nmero de mezclas de los dos componentes. Los datos para dichas curvas se obtienen dejando enfriar lentamente una mezcla fundida de composicin conocida y registrando la temperatura a intervalos regulares. En la figura 20 se muestra una curva de este tipo para una sustancia pura. En ella se puede apreciar la temperatura constante del cambio de fase y los cambios en las pendientes durante el enfriamiento del lquido y del slido. En cada regin se analizar los grados de libertad del sistema.

Figura 2': Curva de enfriamiento de una sustancia puraLa curva de enfriamiento de una mezcla caracterstica de dos componentes se representa en la figura 3. En este sistema no hay formacin de compuesto. La parte de la curva comprendida entre a-b corresponde al enfriamiento de la fase liquida, en ella solo existe una fase y la pendiente est determinada por el calor especfico del fundido y la diferencia de temperaturas entre la masa lquida y su alrededor. Cuando comienza la cristalizacin del slido aparece un cambio en la pendiente (punto b). La presencia del slido hace ms lento el proceso de enfriamiento. Esto se observa en el cambio de la pendiente de la lnea b-c. A medida que contina la cristalizacin, a masa lquida se hace ms rica en el otro componente ocasionando un descenso continuo de la temperatura. A lo largo de esta zona existen dos fases: slido-lquido y un grado de libertad, bien sea la composicin o la temperatura. Mientras coexisten las dos fases, la temperatura vara y el enfriamiento contina hasta llegar al punto c que corresponde a la temperatura en que aparece el segundo slido. Ahora se tienen tres fases, sin ningn grado de libertad, y por lo tanto, la temperatura de la mezcla es constante como puede ver en la grfica (tramo c-d).

Figura 3: Curva de enfriamiento de una mezclaA esta temperatura los dos slidos cristalizan a la vez a una razn igual a sus concentraciones molares en el lquido. Cuando el sistema se ha solidificado por completo, se vuelve a un sistema de dos fases y la temperatura desciende nuevamente.

MATERIALES Y EQUIPOS

Un horno de laboratorio a gas Un crisol de grafito, carburo de silicio o porcelana de 50 ml de capacidad. Un termmetro de -10 a420 C. Una pinza para sujetar el crisol Un reloj o cronmetro Cierta cantidad de Pb puro y de Sn puro (en este grupo se trabaj con la proporcin 85% Pb 15% Sn, lo que representa 20 gr. de Pb y 20 gr. de Sn) Un mechero de bunsen Una lingotera Una bagueta Soporte universal

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Pesamos las cantidades de Plomo (Pb) y Estao (Sn) requeridas para elaborar la aleacin de los metales.

2. Armamos el equipo tal como se muestra en la imagen.

3. Colocamos le Crisol con el Sn y el Pb dentro del horno.

4. Prendemos el Mechero y lo colocamos debajo del crisol y esperamos a que los metales se licuen.

5. Agitamos la solucin con la bagueta para homogeneizarla y apagamos le mechero, introducimos el termmetro para medir la temperatura.

6. Una vez que la temperatura ha llegado a su punto mximo y comienza el descenso comenzamos a tomar mediciones de la temperatura a intervalos de 15 segundos hasta que la solucin haya solidificado por completo.

7. Calentamos una vez ms hasta lograr retirar el termmetro y conseguir una solucin lquida.

8. Vertemos la solucin mientras se encuentra lquida en la lingotera que ha sido previamente calentada y conseguimos un lingote de forma cnica.

5

Cuestionario

1.- Adjuntar los datos de los diferentes grupos de trabajo (temperatura vs. Tiempo).

Grupo N1 100%PbGrupo N2 85%PbGrupo N3 83.05% PbGrupo N4 81%PbGrupo N5 80%Pb

TCTiempoTCTiempoTCTiempoTCTiempoTCTiempo

3291033118029788032014903002090

3262032119029289031415002952100

3223031920028590030815102852110

317.54031221028091030115202772120

3125030622027492029615302752130

3066030023026993029015402692140

3017029424026394028515502642150

2958028925025695028015602592160

2909028526025096027415702552170

28710028327024697027015802492180

28511028028024198026515902442190

27912027629023899026116002402200

270130270300236100025716102362210

262140266310231101025416202322220

257150260320228102025016302282230

252160255330225103024716402242240

247170248340221104024416502202250

240180243350217105024016602182260

237360214106023716702142270

232370210107023216802122280

226380206108022816902102290

220390202109022417002072300

21540019811002201710204.52310

211410195111021617202012320

207420191112021317301992330

202430187113020817401962340

198440183114020517501932350

194450180115020117601902360

190460176116019817701882370

186470173117019417801842380

181480169118019217901822390

178490165119018818001792400

175500162120018518101772410

172510160121018118201752420

170520159122017918301712430

169530158123017618401692440

168540150124017418501672450

167550146125017318601652460

166560140126017118701612470

162570138127016918801602480

159580134128016718901602490

15559013212901641900159.52500

152600129130016119101592510

148610127131015919201582520

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144630123133015419401562540

140640121134015119501542550

135650119135014919601552560

133660118136014719701502570

13067011613701451980147.52580

128680114138014319901452590

126690113139014020001432600

124700112140013820101412610

123710111141013620201392620

121720109142013420301372630

11973010814301322040

11774010714401312050

11475010614501292060

11276010414601272070

11077010314701262080

10978010114801242090

1077901001490

106800

104810

102820

Grupo N679%PbGrupo N750%PbGrupo N840%PbGrupo N9 38.1%PbGrupo N10 30%Pb

TCTiempoTCTiempoTCTiempoTCTiempoTCTiempo

29426302393230250384033043702804940

29026402363240245385032543802774950

28626502333250241386031943902704960

28126602313260237387031344002644970

27626702283270233388030744102584980

27326802253280228389030344202564990

26926902233290225390029744302505000

26527002193300222391029344402445010

26027102163310218392028744502385020

25627202143320215393028344602355030

25127302103330211394027844702325040

24727402063340208395027344802265050

24427502033350204396026844902255060

23927602003360201397026345002215070

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23227801943380195399025345202155090

22827901903390192400024945302125100

22528001873400189401024545402085110

22128101843410185402024045502025120

21828201803420183403023545602005130

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21128401743440177405022745801955150

20828501723450175406022345901915160

20528601693460173407022046001895170

20128701673470170408021646101855180

19828801653480169409021446201835190

19528901643490167410021346301825200

19129001623500166411021246401815210

18929101603510166412021246501805220

18629201583520166413021246601795230

18329301553530166414021246701785240

18029401533540166415021246801775250

17829501503550166416021246901765260

17429601483560166417021147001755270

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16929801433580166419019547201715290

16729901413590160420019247301705300

16530001393600160421019047401695310

16430101363610160422018747501685320

16330201343620160423018447601675330

16230301323630156424018247701655340

16030401303640154425017847801655350

15830501283650150426017547901645360

15530601263660149427017448001635370

15330701253670146428017348101625380

15030801233680143429017248201615390

14830901213690141430017048301605400

14731001203700139431016948401585410

14431101183710137432016748501535420

14231201163720135433016448601505430

1403130115373013343401624870

1383140113374013243501594880

1363150112375013043601574890

1343160110376012843701544900

132317010937701514910

130318010737801494920

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12432201023820

2.- Graficar temperatura vs. Tiempo de todos los grupos hincando los cambios.2.- Grafico Temperatura Vs. Tiempo de todos los grupos indicando los cambios.

3.-Grafico del diagrama de fase del Pb Sn

3.- Graficar el diagrama de fase del plomo-estao experimental y compararlo con el terico.

Diagrama de fase terico:

4.- Aplicaciones del Pb, Sn y aleaciones.

Aplicaciones del estao:

El estao se utiliza en el revestimiento de acero para protegerlo de la corrosin. La hojalata, acero estaado, sigue siendo un material importante en la industria conserves y destino de aproximadamente la mitad del estao metlico producido en el mundo aunque est siendo desplazado por el aluminio. La segunda aplicacin en importancia es la soldadura blanda de tuberas y circuitos elctricos y electrnicos.

El estao tambin debido a su estabilidad y su falta de toxicidad se utiliza como recubrimiento de metales: recubrimiento de hierro (hojalata) para la industria conservera, lo que se hace por electrlisis o inmersin. Esto consume aproximadamente el 40% del estao.Con los metales forma aleaciones: bronces (cobre-estao), estao de soldar (64% estao, 36% plomo, punto de fusin 181C), metal de imprenta (hasta 15% de estao) y para fabricar cojinetes (30% estao, antimonio y cobre). Es interesante la aleacin de niobio-estao superconductora a muy bajas temperaturas. Esto puede ser importante en la construccin de imanes superconductores que generan fuerzas muy grandes con poca potencia: conectados a una pequea batera y con un peso de pocos kg, generan campos magnticos con una fuerza comparable a la de los electroimanes normales de 100 toneladas y, adems, stos ltimos tienen que estar conectados continuamente a una gran fuente de alimentacin.Entre los compuestos destaca el cloruro de estao (II), que se usa como agente reductor y como mordiente de telas calic.El hidruro de estao (IV) descompone por encima de los 150C y forma un espejo de estao en las paredes del recipiente.Las sales de estao pulverizadas sobre vidrio se utilizan para producir capas conductoras que se usan en paneles luminosos y calefaccin de cristales de coches.

Pequeas cantidades de estao en los alimentos enlatados no es peligroso. Los compuestos trialquil y triaril estao se usan como biocidas y deben manejarse con cuidado. El hidruro de estao (IV) es un gas venenoso.

Aleacin del estao

Aplicaciones del Plomo

El plomo es un metal pesado (densidad relativa, o gravedad especfica, de 11,4 a16C), de color azuloso, que se empaa para adquirir un color gris mate. Es flexible, inelstico, se funde con facilidad, su fundicin se produce a 327,4C y hierve a 1725C. Es relativamente resistente al ataque de cido sulfrico y cido clorhdrico. Pero se disuelve con lentitud en cido ntrico. El plomo es anftero, ya que forma sales de plomo de los cidos, as como sales metlicas del cido plmbico. El plomo forma muchas sales, xidos y compuestos organometlicos.

Industrialmente, sus compuestos ms importantes son los xidos de plomo y el tetraetilo de plomo. El plomo forma aleaciones con muchos metales y, en general, se emplea en esta forma en la mayor parte de sus aplicaciones. Todas las aleaciones formadas con estao, cobre, arsnico, antimonio, bismuto, cadmio y sodio tienen importancia industrial.Los compuestos del plomo son txicos y han producido envenenamiento de trabajadores por su uso inadecuado y por una exposicin excesiva a los mismos. El mayor peligro proviene de la inhalacin de vapor o de polvo. En el caso de los compuestos rgano plmbicos, la absorcin a travs de la piel puede llegar a ser significativa. Algunos de los sntomas de envenenamiento por plomo son dolor de cabeza, vrtigo e insomnio. En los casos agudos, por lo comn se presenta estupor, el cual progresa hasta el coma y termina en la muerte.

El uso ms amplio del plomo, como tal, se encuentra en la fabricacin de acumuladores. Otras aplicaciones importantes son la fabricacin de tetraetilplomo, forros para cables, elementos de construccin, pigmentos, soldadura suave, municiones y plomadas para pesca.Merced a su excelente resistencia a la corrosin, el plomo encuentra un amplio uso en la construccin, en particular en la industria qumica. Es resistente al ataque por parte de muchos cidos, porque forma su propio revestimiento protector de xido. Como consecuencia de esta caracterstica ventajosa, el plomo se utiliza mucho en la fabricacin y el manejo del cido sulfrico.

Plomo para ser utilizado en la soldadura de componentes elctricos.

Los usos finales del plomo, es decir, su aplicacin prctica, han variado de forma drstica en lo que va de siglo. Usos clsicos, como la fontanera, la plancha para industrias qumicas y para la construccin, las pinturas y los pigmentos, los cables elctricos, etc., han retrocedido de forma sensible. En la gasolina la utilizacin del plomo tiende a desaparecer, obedeciendo a exigencias legales. Usos muy especiales del plomo, que le hacen indispensable o difcilmente sustituible son, entre otros:

Bateras para automocin, traccin, industriales, servicios continuos y de seguridad, energa solar, etc. Proteccin contra radiaciones de todo tipo; Vidrios especiales, para aplicaciones tcnicas o artsticas. Proteccin contra la humedad, cubiertas y techumbres. Soldadura, revestimientos, proteccin de superficies, etc

5) Otros Mtodos experimentales para construir un diagrama de fases.

Los datos para construir diagramas de equilibrio o diagramas de fase se determinan experimentalmente por diversos mtodos, entre los cuales los ms comunes son:

A) Anlisis Trmico:

Este es el mtodo ms usado, cuando se hace un diagrama de temperatura contra tiempo, a composicin constante, la curva mostrar un cambio de pendiente cuando ocurre un cambio de fase. Este mtodo parece ser mejor para determinar la temperatura de solidificacin inicial y final.Este mtodo es el que se ha seguido en esta prctica de laboratorio, obteniendo los datos correspondientes para la elaboracin del diagrama de fases.

B) Mtodos Mtalo-grficos:

Estos consisten en calentar muestras de una aleacin a diferentes temperaturas, esperando que el equilibrio se establezca y entonces se enfran rpidamente para retener su estructura de alta temperatura, entonces las muestras se analizan al microscopio.Es complicado aplicar este mtodo a metales a altas temperaturas, ya que las muestras enfriadas rpidamente no siempre retienen su estructura de alta temperatura.

C) Difraccin de Rayos X:

Este mtodo mide las dimensiones de la red, indicada la aparicin de una nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por la aparicin de una nueva estructura cristalina.

6) Descripcin de los diagramas de fases

Los diagramas de fase o equilibrio son de diversos tipos dependiendo de la solubilidad de sus componentes. Esta clasificacin ya se seal en la primera parte de este informe, exactamente en la introduccin, y se cree conveniente describir dos tipos de esta clasificacin por considerarse ms importantes. Estos son el Tipo I y el tipo III, cuyas caractersticas se detallan:

A) Diagrama de estado de las aleaciones con disolubilidad total en estado slido (Tipo I)

En este diagrama se tiene que ambos componentes son completamente solubles en los estados lquido y slido y no forman compuestos qumicos, componentes: A y B.Si los dos componentes se disuelven totalmente en los estados slido y lquido, slo pueden existir dos fases: La solucin lquida L y la solucin slida a. Por consiguiente, no puede haber tres fases, la cristalizacin a temperatura constante no se observa y en el diagrama no hay lnea horizontal.

El diagrama que se representa consta de tres regiones: Lquido, lquido + solucin slida y solucin slida.

La lnea AmB es la de lquido, la AnB, la de slido. El proceso de cristalizacin se representa por medio de la curva de enfriamiento de la aleacin.El punto 1 corresponde al principio de la cristalizacin y el 2, a su fin. Entre los puntos l y 2 (es decir, entre las lneas de lquido y de slido) la aleacin se halla en un estado de dos fases. Cuando los componentes son dos y las fases tambin dos, el sistema es monovariante (c = k f + 1 = 2 2 + 1 = 1), es decir, si la temperatura cambia, tambin cambia la concentracin de los componentes en las fases.

B) Diagrama de estado de las aleaciones con solubilidad parcial en estado slido(Tipo III)

En diagramas de este tipo, ambos componentes son solubles totalmente en estado lquido, parcialmente en estado slido y no forman compuestos qumicos. Componentes: A y B. Fases: L, y .

En las aleaciones de este tipo es posible la existencia de: Fase lquida, solucin slida del componente B en el A, que llamaremos solucin , y solucin slida del componente A en B, que llamaremos . En estas aleaciones es posible el equilibrio invariante cuando existen al mismo tiempo las tres fases: L, y . En dependencia de qu reaccin se desarrolla en las condiciones de existencia de las tres fases, puede haber dos tipos de diagramas: Un diagrama con eutctica y otro con peritctica.

El diagrama con eutctica se encuentra ya bien detallado en el fundamento terico, por lo cual pasaremos al diagrama con peritctica:

En la transformacin eutctica el lquido cristaliza formando dos fases slidas. Tambin es posible otro tipo de transformacin invariante (equilibrio de tres fases), en la cual el lquido reacciona con los cristales segregados antes y forma un nuevo tipo de cristales. La reaccin de este tipo se llama peritctica.

Un diagrama con transformacin peritctica se muestra arriba. En este diagrama pueden verse tres regiones de una fase: La del lquido L y las soluciones slidas y . La lnea ACB es la de lquido, la APDB, la de slido.

Cristalizacin de la aleacin 1: La cristalizacin comienza en el punto 1, cuando del lquido se desprenden cristales de solucin cuya composicin es la determinada por el punto b. Despus, a medida que desciende la temperatura, la concentracin del lquido vara siguiendo la lnea de lquido desde el punto 1 hasta el punto G, y la concentracin de los cristales S, siguiendo la lnea de slido desde el punto b hasta el punto D. Al llegar a la horizontal peritcticaCPD, la composicin del lquido responder al punto C, y la composicin de los cristales, al punto D.

Estas dos fases reaccionan y dan la tercera fase , cuya concentracin la determina el punto P, tercero en la horizontal. La reaccin peritctica se representa del modo general: L +

RECOMENDACIONES:

De los resultados obtenidos en las grficas de las curvas de enfriamiento en algunas aleaciones no se pudo encontrar fcilmente los puntos que representa la temperatura en los cuales las diversas composiciones empiezan a congelar, es decir la lnea de liquidus. Esto se debi a la mala estabilizacin de la temperatura en el proceso de aleacin es por eso recomendable lograr una buena estabilizacin de la temperatura para que as el enfriamiento del sistema nos arroje buenos resultados.

Es recomendable tener la mayor cantidad de curvas de enfriamiento, para que se asemeje ms al diagrama de fases terico.

Calentar la lingotera antes de echar la solucin, porque de lo contrario chispear debido a la humedad del medio ambiente.

Es recomendable pesar la muestra despus de efectuada la aleacin y la respectiva solidificacin pues los metales utilizados en el experimento no son del todo puros y a la hora de enfriarlos adems de la aleacin se obtiene escoria.

CONCLUSIONES:

Se observa una diferencia entre el punto eutctico experimental con el terico, se debe a que los metales empleados tienen impurezas, y por descuido del operador que no toma los datos en su debido tiempo.

Ntese que sobre un amplio intervalo de composiciones, una porcin de la curva de enfriamiento que muestra el final de la solidificacin se presenta a una temperatura fija. Esta lnea horizontal ms baja es TE, se conoce como temperatura eutctica.

El diagrama de fase obtenido de la aleacin binaria Pb Sn se muestra como una placa superpuesta sobre el diagrama terico. En el diagrama experimental observamos que la lnea de liquidus est por debajo de la terica y que la lnea de solidus no es exactamente una recta.

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

El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir los estados que en unas condiciones dadas poseen el mnimo de energa libre. De acuerdo a esto los cambios de estado reflejados en el diagrama tambin se refiere a las condiciones de equilibrio.

Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para representar las fases ms estables de una aleacin. En esta discusin se consideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura y la composicin son variables.

BIBLIOGRAFIA:

FISICOQUIMICA, Ira N. Levine, Mc Gaw-Will (1996)

INTRODUCCION A LA METALURGIA FISICA, Sydney H. Avner

THE ELEMENTS OF PHISICAL CHEMISTRY, P.W. Akins, Oxford University Press (1995)

MODERD PHYSICAL CHEMISTRY, G.F. Liptrot, J.,J. Thompson, G.R. Walker. Bell and Hyman Limited, London (1982

Tercer Laboratorio de Fsico-QumicaPgina 2