regla de fases

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INTRODUCCION La experiencia realizada en el laboratorio sobre Regla de Fases, tiene como objetivo principal determinar experimentalmente el diagrama de fases de una mezcla binaria cuyos componentes no se combinan químicamente, no son miscibles en estado sólido, pero son solubles al estado liquido. Se sabe que un sistema es cualquier conjunto de materia que escogemos para enfocar nuestra atención. El recipiente y cualesquiera otros objetos en contacto con el mismo, se llaman los sistemas limitantes. Una fase es un sistema o una parte de este, enteramente uniforme en composición química y propiedades físicas, que se encuentra separada por superficies definidas de las otras partes homogéneas del sistema. Constituyen una simple fase un gas o una mezcla gaseosa, una solución liquida o una solución sólida, pero forman dos fases un sistema que esta formado de agua liquida y pedazos de hielo sin fase vapor, pues si tuviera vapor estaría constituido por tres fases.

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Page 1: REGLA DE FASES

INTRODUCCION

La experiencia realizada en el laboratorio sobre Regla

de Fases, tiene como objetivo principal determinar

experimentalmente el diagrama de fases de una mezcla

binaria cuyos componentes no se combinan químicamente,

no son miscibles en estado sólido, pero son solubles al estado

liquido.

Se sabe que un sistema es cualquier conjunto de

materia que escogemos para enfocar nuestra atención. El

recipiente y cualesquiera otros objetos en contacto con el

mismo, se llaman los sistemas limitantes.

Una fase es un sistema o una parte de este,

enteramente uniforme en composición química y propiedades

físicas, que se encuentra separada por superficies definidas

de las otras partes homogéneas del sistema.

Constituyen una simple fase un gas o una mezcla

gaseosa, una solución liquida o una solución sólida, pero

forman dos fases un sistema que esta formado de agua

liquida y pedazos de hielo sin fase vapor, pues si tuviera

vapor estaría constituido por tres fases.

En 1876 Gibbs formula y demostró la regla de las fases,

queda la relación entre el numero de componentes C, el

numero de fases P y el numero de grados de libertad F de un

sistema que se encuentra en estado de equilibrio.

Page 2: REGLA DE FASES

RESUMEN

La experiencia realizada en laboratorio estudia la regla de fases

para un sistema binario cuyos componentes son (p-C6H4Cl2 y C10H8) que

no se combinan químicamente, no son miscibles en estado sólido, pero

son solubles al estado liquido.

La experiencia se realizo dados las condiciones de laboratorio:

P = 756 mmHg.

T = 18ºC.

HR = 92%.

De acuerdo a la gráfica teórica de diagrama de fases se obtiene

que el punto eutéctico corresponde a la temperatura de 32 º C con una

composición de XB ( p -C6H4Cl2) = 0.568 y XA (C10H8)= 0.432 mientras que

de acuerdo a los datos experimentales se obtiene que el punto eutéctico

corresponde a la temperatura de 32.2º C con una composición de XB =

0.57 y XA = 0.43.

Mediante calculo se observa que hay un porcentaje de error en la

temperatura eutéctica de 0.62%, en la fracción molar eutéctica del p-

diclorobenceno de 0.35% y en la fracción molar eutéctica del naftaleno

de 0.46%.

Se obtiene experimentalmente también que la temperatura de

fusión para el p-C6H4Cl2 = 54.7ºC y para el C10H8 79.8ºC obteniéndose

respectivamente los calores latente de fusión de 4350.52 cal/mol y

4566.96 cal/mol respectivamente con un porcentaje de error de 0.078% y

0.006% para cada uno.

Se podrá determinar las solubilidades y fracciones molares teóricos

Page 3: REGLA DE FASES

mediante las ecuaciones mostrados en la guía según sea el caso.

Se determina también según la ecuación de Gibbs que el # de

grados de libertad es cero ya que se tiene tres fases presentes ( sólido -

liquido, sólido A y sólido B ).

Como conclusión importante se tiene que el punto eutéctico

representa la temperatura mas baja a la cual puede fundir la mezcla de

los sólidos A y B con una composición determinada y en el cual el sistema

no varia.

Page 4: REGLA DE FASES

PRINCIPIOS TEORICOS

Se sabe que un sistema es cualquier conjunto de materia que

escogemos para enfocar nuestra atención. El recipiente y cualesquiera

otros objetos de contacto con el sistema, se llaman los sistemas

limitantes.

SISTEMAS CRISTALINOS.

Los cristales poseen una constitución vectorial, es decir, sus

propiedades son función de la dirección. En las sustancias cristalinas no

son equivalentes todas las direcciones. La dependencia entre las

propiedades de un cristal y la dirección está influenciada por la simetría

del mismo, es decir, por el número de planos o de ejes de simetría, que

son los que condicionan el crecimiento del cristal.

Los cristales pueden distinguirse entre sí por sus formas, por el

valor de los ángulos entre pares de sus caras y por sus espectros de

difracción de los rayos X. Un cristal consiste de una representación en

tres dimensiones de un grupo especial de átomos. El fundamento de la

teoría actual de la constitución de los cristales es el principio de Hauy

formulado en 1781 que dice: "Los cristales se componen de elementos

yuxtapuestos de un modo sistemático". Este principio explica por qué los

cristales están limitados por superficies planas, pues por la suma de un

número grande de cubos pequeñísimos siempre el conjunto tiene

superficies exteriores planas, verticales o inclinadas.

Los cristales poseen determinados elementos de simetría. Se

pueden clasificar en planos, ejes y centros de simetría.

OBTENCION DE LOS CRISTALES

Page 5: REGLA DE FASES

Resultan los cristales cuando estando sus sustancias como líquidos

puros, se enfrían estos a temperaturas características; cuando soluciones

de estas sustancias se enfrían y se evapora el solvente; o cuando los

vapores se condensan bajo tales condiciones que no se forma el líquido.

Los cristales de iodo se pueden formar mediante cualquiera de estos

métodos, por enfriamiento de iodo líquido a 114.15 °C, por evaporación

del solvente de una solución de iodo en tetracloruro de carbono, o por

enfriamiento de los vapores de iodo cuando estos poseen una presión

parcial de 94.2 mm de Hg.

FASE

Una fase es un sistema o una parte de este, enteramente uniforme

en composición química y propiedades físicas, que se encuentran

separadas por superficies definidas de las otras partes homogéneas del

sistema. Constituye una simple fase un gas o una mezcla gaseosa, una

solución líquida o una solución gaseosa, pero forman dos fases un

sistema que esta formado de agua líquida y pedazos de hielo sin fase

vapor, pues si tuviera vapor estuviera constituido de tres fases. También

constituyen dos fases dos capas liquidas saturadas mutuamente. Cada

sustancia pura cristalina es una fase separada. Por el termino numero de

fases designado por "P" de la inicial de "phases" en ingles, se entiende el

numero de las diferentes fases del sistema en consideración.

COMPONENTES

Los componentes de un sistema son los constituyentes

independientes con los cuales se puede construir el sistema en estudio. El

numero de componentes designado por "C" es el numero más pequeño

de sustancias químicas, variables independientes, en términos de las

cuales se puede describir en forma separada, la composición de cada una

de las fases del sistema. Se puede obtener el número de componentes

Page 6: REGLA DE FASES

contando todas las sustancias químicas del sistema y sustrayendo de

ellas el número de relaciones cuantitativas entre las concentraciones de

las diferentes sustancias. Para cada una de las reacciones químicas

diferentes entre las sustancias del sistema, el numero de concentraciones

independientes se reduce en uno por la expresión matemática de la ley

del Equilibrio Químico.

GRADOS DE LIBERTAD

En un sistema son las propiedades intensivas como la presión,

temperatura y concentraciones de las diferentes fases, que se debe

especificar para definir el estado de un sistema y fijar todas sus

propiedades. El numero de grado de libertad, que se designa por "F"

debido a la frase en inglés de "degrees of freedom", representa al

número de propiedades intensivas que se pueden alterar en forma

independiente y arbitraria, sin causar la aparición de una fase o la

aparición de otra nueva. Para describir el estado de una gas, basta con

especificar V y P, V y T o P y T, porque la tercera variable se puede

calcular por la ecuación de estado del gas ideal.

LA REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

En 1876, Josiah Willard GIBBS, profesor de Física Matemática de la

Universidad de Yale, formuló y demostró las reglas de las fases, que da la

relación entre el número de componentes C, el número de fases P y el

número de grados de libertad F de un sistema que se encuentra en

estado de equilibrio.

P + F = C + 2

Cuanto más grande es el número de componentes de un sistema,

mayor es el número de grados de libertad. Cuanto más grande es el

número de fases, menor es el número de variables independientes. El

Page 7: REGLA DE FASES

número de grados de libertad de un equilibrio químico se encuentra en

relación estrecha con la Ley de acción de las masas.

El diagrama de fases para un sistema binario se obtiene graficando

la temperatura de solidificación vs. la fracción molar, utilizando las curvas

de enfriamiento de mezclas de composiciones diferentes. La relación

entre la solubilidad y el punto de congelación de un componente en una

mezcla binaria, esta dada por:

d(lnX) = H dT .....(1)

R T2

Para el sistema a estudiar la variación del calor latente de fusión

según la temperatura absoluta T, para los componentes puros, esta dada

por las siguientes ecuaciones:

p- C6H4Cl2:

H = -10.250 + 94.07T - 0.1511T2 cal/mol...(2)

C10H8:

H = 4.265 - 26.31T + 0.1525T2 - 0.000214T3 cal/mol...

(3)

Para calcular la fracción molar en cualquier punto, se puede

integrar la ecuación (1) y reemplazar el calor latente de fusión,

obteniéndose para este sistema :

p- C6H4Cl2:

log XB = 2239.9 + 47.3431logT - 0.03302T - 115.0924...(4)

T

C10H8:

Page 8: REGLA DE FASES

log XA = - 932.03 + 13.241logT + 0.03332T - 2.3382x10-5T2 +

27.5264...(5)

T

Page 9: REGLA DE FASES

TABULACION DE DATOS

Composición teóricas de las muestras

Sets Tubo p- C6H4Cl12(gr)

B

C10H8 (gr)

A

Temp aprox

de

cristalizació

n

B 1 30 0 54

B 2 25 3 47

B 3 25 5 43

B 4 25 12 32

A 5 20 20 48

A 6 14 25 58

A 7 6 30 72

A 8 0 30 80

Page 10: REGLA DE FASES

Fracción molar teórica

Tubo p-

C6H4Cl12(gr)

XB

C10H8 (gr)

XA

Temp.

teórica de

cristalizació

n

1 0.9999 0.0001 54

2 0.8754 0.1246 47

3 0.8022 0.1978 43

4 0.6232 0.3768 32

5 0.4743 0.5257 48

6 0.3503 0.6497 58

7 0.1410 0.8590 72

8 0.0015 0.9985 80

Page 11: REGLA DE FASES

Fracción Molar experimental

Tubo p-

C6H4Cl12(gr)

XB

C10H8 (gr)

XA

Temp. exp.

de

cristalizació

n

1 1 0 54.7

2 0.879 0.121 47.1

3 0.8134 0.1866 43.2

4 0.644 0.356 32.4

5 0.4654 0.5346 47.8

6 0.3276 0.6724 60

7 0.1491 0.8509 71.7

8 0 1 79.8

Page 12: REGLA DE FASES

Calor latente de Fusión (H) en cal/mol

Porcentaje de error

Sustancia Teórico Experimental

p-C6H4Cl2 4353.92 4350.52

C10H8 4567.23 4566.96

H (p-C6H4Cl2) 0.078 %

H ( C10H8 ) 0.006 %

X (p-C6H4Cl2)eutéctica 0.35 %

X ( C10H8 )eutéctica 0.46 %

T (ºC)eutéctica 0.62 %

Page 13: REGLA DE FASES

Determinación de las curvas de enfriamiento

Sustancia Pura (Tubo 1)

To(ºC) t(s)

55.8 0

54.9 30

54.4 60

54.3 90

54.1 120

53.8 150

53.6 180

53.2 210

53.2 240

53.2 270

53.2 300

53.2 330

Page 14: REGLA DE FASES

Sustancia Mezcla (Tubo 7)

CALCULOS

To(ºC) t(s)

74 0

72.1 30

70.9 60

70.8 90

70.7 120

70.2 150

69.8 180

69.4 210

69.2 240

68.6 270

68.2 300

67.7 330

Page 15: REGLA DE FASES

Determinación del Diagrama de Fases.

Mediante la composición de cada una de las mezclas se calcula la

fracción molar experimental de cada componente en la mezcla.

Se sabe que: Xi = ni /nt

Para el tubo Nº 2

nT = nB + nA

ntotales = 25 + 3 = 0.1935

147 128

fracción molar (p-C6H4Cl2) = nB = 0.1700 = 0.879

XB nA 0.1935

fracción molar (C10H8) = 1 - 0.879 = 0.121.

Para los demás mezclas, se procede de la misma manera, los

resultados se muestran en la tabla respectiva.

Determinación del punto eutéctico.

Del diagrama de Fases, se determina el punto eutéctico como

también la temperatura Te y composición X e.

Punto eutéctico para los datos teóricos:

Te = 305ºK.

Xe (p-C6H4Cl2) = 0.568

Xe (C10H8) = 0.432

Punto eutéctico para los datos experimentales:

Te = 305.2ºK .

Xe (p-C6H4Cl2) = 0.57

Page 16: REGLA DE FASES

Xe (C10H8) = 0.43

Cálculo de solubilidad y fracción molar teóricos.

Mediante las ecuaciones:

p-C6H4Cl2 : logXB = 2239.9 + 47.343logT - 0.03302T - 115,0924

T

C10H8 : logXA = -932,03 - 13.241logT + 0.03332T - 2.3382x10-5T2 +

27.5264

T

Se calcula la solubilidad de ambos componentes, su fracción molar

teórica en la mezcla para el rango de temperaturas observados entre su

punto de cristalización y el punto eutéctico.

Para el tubo #1

p-C6H4Cl2: logXB = 2239.9 + 47.343log327 - 0.03302(327) -

115.0924

327

XB = 0.9999

Para los demás tubos se procede de manera análoga

Cálculo de la calor latente de Fusión.

Para calcular el calor latente de fusión H, se toma en consideración lo

siguiente.

p-C6H4Cl2 : H = -10250 + 94.07T - 0.1511T2 cal/mol.

C10H8 : H = 4265 - 26.31T + 0.1525T2 - 0.000214T3 cal/mol.

Page 17: REGLA DE FASES

Calculo del H Teórico:

Para B (p-C6H4Cl2)

H (p-C6H4Cl2) = -10250 + 94.07(327ºK) - 0.1511( 327)2

H (p-C6H4Cl2) = 4353.92 cal/mol.

Para A ( C10H8 )

H ( C10H8 ) = 4265 - 26.31(353) + 0.1525(353)2 - 0.000214(353)3

H ( C10H8 ) = 4567.23 cal/mol.

Calculo del H Experimental :

Para B (p-C6H4Cl2)

H (p-C6H4Cl2) = -10250 + 94.07(327.7ºK) - 0.1511( 327.7)2

H (p-C6H4Cl2) = 4350.52 cal/mol.

Para A ( C10H8 )

H ( C10H8 ) = 4265 - 26.31(352.8) + 0.1525(352.8)2 - 0.000214(352.8)3

H ( C10H8 ) = 4566.96 cal/mol.

Cálculo de grados de libertad.

Para determinar el número de grados de libertad en el punto

eutéctico Te, se usa la siguiente relación:

F + P = C + 1

En Te, están presentes tres fases: sólido-líquido, sólido A y sólido B.

por lo tanto F = 3 - 3

F = 0.

Page 18: REGLA DE FASES

Cálculo del porcentaje de error en el punto eutéctico :

Para T (ºC )

% Error = Teexp - Te teórico x100

Teexp

%Error = 305.2 - 305

x100

305.2

%Error = 0.62

Para Xe (C6H4Cl2 )

% Error = Xeexp - Xe teórico x100

Xeexp

%Error = 0.57 - 0.568

x100

0.57

%Error = 0.35

Para Xe (C10H8 )

% Error = Xeexp - Xe teórico x100

Xeexp

%Error = 0.432 - 0.43

x100

0.432

%Error = 0.46

Page 19: REGLA DE FASES

Porcentaje de error del calor latente de fusión:

Para C10H8

% Error = H teo - H exp. x100

Hteo

%Error = 4567.23 - 4566.96

x100

4567.23

%Error = 0.006

Para p-C6H4Cl2

% Error = H teo - H exp. x100

Hteo

%Error = 4353.92 - 4350.52

x100

4353.92

%Error = 0.078

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Page 20: REGLA DE FASES

En los gráficos sobre diagrama de fases se establece una relación

de la temperatura de solidificación de los soluciones con la fracción molar

de las sustancias puras del naftaleno (C10H8) y del p-diclorobenceno así

como la mezcla de ambos.

Si se enfría una mezcla líquida de dos componentes similares A y B,

comienza a separarse sólido a una temperatura definida, la del punto de

solidificación, que depende de la composición de la mezcla.

En la gráfica los puntos A y B son los puntos de solidificación de los

componentes puros.

La adición de B a A desciende el punto de solidificación a lo largo de

la curva AC; y análogamente, el agregado de A a B desciende el punto de

congelación del último a lo largo de BC.

Si la composición de la mezcla y el punto de solidificación

corresponden a la curva primera, el sólido que se deposita es A puro que

hace el papel de solvente, cosa análoga ocurre con la otra curva. De aquí

se puede considerar que las curvas AC y BC representan las condiciones

de temperaturas según las cuales se encuentran en equilibrio fase sólida

A o la fase sólida B, respectivamente.

En el punto C, en el cual se encuentran las curvas AC y BC, los dos

sólidos A y B están en equilibrio con la fase liquida, por lo tanto ha tres

fases y dos componentes. De aquí se tiene que el número de grados de

libertad es cero.

El punto C se llama el Punto Eutéctico y representa la temperatura

más baja a la cual puede fundir una mezcla de los sólidos A y B, con una

determinada composición.

Page 21: REGLA DE FASES

Los errores obtenidos tanto en el punto eutéctico calor latente de

fusión, fracción molar son mínimos y estos se deben probablemente a:

No haber contado con la debida iluminación par determinar la

temperatura exacta de solidificación

No haber limpiado adecuadamente el termómetro y el agitador de

las impurezas de las sustancias que se han podido usar

anteriormente.

Liquido

Sólido A + Sólido B

Sólido A+

Liquido

Sólido B+

Liquido

Composición100% A 100% B

Temperatura

Diagrama de Equilibrio de Fases para un Sistema de Dos Componentes Sólidos

A

B

C

Page 22: REGLA DE FASES

CONCLUSIONES

Mientras más grande sea el número de componentes de un

sistema, tanto mayor es el número de grados de libertad y

mientras más grande sea el número de fases, menor es el

número de grados de libertad.

A mayor temperatura menor es la cantidad relativa de sólido

para una composición total.

El número de grados de libertad (F) representa al número de

propiedades intensivas que se pueden alterar en forma

independiente y arbitrarias, sin causar la desaparición de una fase

a la aparición de otra nueva.

Si se desea especificar la composición de una solución

binaria, basta sólo con tener la de una de ellos ya que la otra

se puede determinar restándose la anterior de la unidad.

En tanto que aumentan las dos fases sólidos presentes la

cantidad de líquido disminuye.

En el punto eutéctico el sistema se mantiene invariable.

Si del sistema fluye calor la temperatura no varía hasta

desaparecer una fase.

Page 23: REGLA DE FASES

RECOMENDACIONES

Al realizar el baño de agua caliente se recomienda que esté

cerca a la temperatura de cristalización del tubo

aproximadamente 2-3ºC de diferencia esto es para acelerar el

proceso de cristalización.

Observar con gran precisión el líquido del tubo, sobre todo

cuando se acerque a su temperatura de cristalización, se

recomienda realizar para ello la experiencia e una habitación

bien iluminada para poder observar la formación de los

cristales.

Cada vez de que se use el termómetro y agitadores para cada

sustancia limpiarlos bien para que al realizar la experiencia

con los tubos siguientes no se contaminen de impurezas

alterando su composición respectiva.

Page 24: REGLA DE FASES

CUESTIONARIO

1.Explique con detalle la derivación de la Regla de Fases

Al experimentar con equilibrios de fases más complicados, dejando de

lado varios equilibrios de fases más sencillos, tales como los cambios:

sólido líquido, líquido vapor y sólido vapor, en sistemas de un

componente; se tuvo la necesidad de introducir un nuevo punto de

vista para clasificar los sistemas y clarificar sus relaciones. La

herramienta es la Regla de Fases de Gibbs, que limita el número de

fases en relación principal con las variaciones permitidas de la presión

y la temperatura, constituyendo así otro aspecto del equilibrio

heterogéneo.

2.¿ Qué aplicaciones tiene los diagramas de Fase Sólido -

Líquido ?

En los diagramas de fases Sólido - Líquido y su Curva de Enfriamiento ,

para un sistema de dos componentes constituye la base del método de

análisis térmico de las aleaciones.

El diagrama de fase Agua - Sal, es del tipo eutéctico simple si la sal no

forma un hidrato estable. Supongamos que se mezcla cloruro de sodio

con hielo a 0ºC en un recipiente evacuado. La temperatura de

composición se desplaza 0% de NaCl a cualquier valor finito. Sin

embargo, a esta composición la temperatura de congelación del hielo

esta por debajo de 0ºC; por tanto, funde un poco de hielo. Como el

sistema está en un recipiente aislado, la fusión del hielo reduce la

temperatura de la mezcla. Si se añadió suficiente NaCl, la temperatura

descenderá a la eutéctica -21.1ºC. A está temperatura coexisten en

equilibrio hielo, sal sólida, y la solución saturada. La temperatura

permanece en la eutéctica hasta que el resto del hielo se funde por la

transmisión de calor hacia el recipiente.

Page 25: REGLA DE FASES

La acción de la sal de roca o cloruro de calcio en la fusión del hielo en

las aceras y calles puede interpretarse por este diagrama de fases

3.¿ Qué es una reacción peritéctica? Explique.

En el sistema de aleación sodio - potasio, la curva de solubilidad del

sodio no desciende lo suficientemente rápida para intersectar la otra

curva entre la composición de Na2K e intersecta la otra curva de

solubilidad en el punto peritéctico (c). Para el sistema Na - K éste

ocurre a 7ºC.

Si se aumenta la temperatura , el punto de estado se desplaza a lo

largo de la línea vertical ab. En el punto b se forma el liquido con

composición c. Como este liquido es más rico en potasio que el

compuesto original, algo de sodio sólido permanece sin fundirse. Así,

en la fusión, el compuesto experimenta la reacción:

Na2K(s) Na(s) + c(liq)

Está es una reacción peritéctica o una reacción de fase. Se dice que el

compuesto funde incongruentemente, ya que la mezcla fundida difiere

en composición del compuesto. Como hay tres fases presentes Na2K(s),

Na(s) y liquido, el sistema es invariante; a medida que se suministra

calor al sistema, la temperatura permanece constante hasta que funde

totalmente el compuesto sólido.

2.

Page 26: REGLA DE FASES

BIBLIOGRAFIAFISICOQUIMICA ROBERT A. ALBERTYFARRINGTON

DANIELSCIA, EDITORIAL CONTINENTAL S.A.VERSION

SIFISICOQUIMICAGILBERT W. CASTELLANFONDO EDUCATIVO

INTERAMERICANO S.A.MEXICO, 1976pág. 322 -

337FISICOQUIMICAGASTON PONS MUZZOEDITORIAL UNIVERSO1ª EDICION

1969pág. 464 - 470