RESUMEN

La prctica fue realizada bajo las siguientes condiciones: Temperatura 297K, Presin 756 mmHg y una Humedad Relativa igual a 97%.La presente prctica tuvo como objetivo determinar las temperaturas de cristalizacin de una mezcla p-diclorobenceno naftaleno para diferentes concentraciones de la mezcla, para obtener experimentalmente el diagrama de fases y la curva de enfriamiento de esta mezcla binaria cuyos componentes no se combinan qumicamente, siendo inmiscibles en estado slido pero solubles en estado lquido.La metodologa que se utiliz para realizar esta prctica consisti en realizar las velocidades de enfriamiento, es decir, las curvas temperatura-tiempo para las diversas composiciones del sistema p-diclorobenceno naftaleno durante la solidificacin. Determinando para esta prctica solo las temperaturas iniciales de cristalizacin (Cuando aparecen los primeros cristales).Para el diagrama de fases del sistema p-diclorobenceno naftaleno, se obtuvo una curva, la cual representaba la curva de solubilidad y los equilibrios bifsicos del sistema, teniendo un punto mnimo conocido como el punto eutctico, dnde coexistan tres fases permaneciendo constante la temperatura y composicin. De las pruebas realizadas se obtuvieron los siguientes datos:Temperatura Eutctica: 32C, con un error porcentual de 3.125% respecto al terico (31C) y la Composicin eutctica: XC10H8= 0.3556, XC6H4Cl2 =0.6444, con un error porcentual de 0% respecto al terico.

I-OBJETIVOS:

Determinar experimentalmente el diagrama de fase para el equilibrio solido-lquido del sistema p-diclorobenceno naftaleno, apartir de las temperaturas de cristalizacin de mezclas del sistema con diferentes concentraciones.

Realizar experimentalmente la curva de enfriamiento para los componentes puros.

Determinar el punto eutctico, conformado por la composicin y temperatura eutctica.

Determinar la Solubilidad de los componentes en el sistema a las diferentes temperaturas de cristalizacin.

II.-MARCO TEORICOEn qumica y termodinmica, la regla de las fases de Gibbs describe el nmero de grados de libertad (F) en un sistema cerrado en equilibrio, en trminos del nmero de fases separadas (P) y el nmero de componentes qumicos (C) del sistema. Esta regla establece la relacin entre esos 3 nmeros enteros dada por:

La regla de las fases de Gibbs fue derivada de principios termodinmicos por Josiah Willard Gibbs hacia 1870.2.1-DEDUCCINLas variables (intensivas) necesarias para describir el sistema son la presin (+1), la temperatura (+1) y las fracciones molares relativas de los componentes en cada fase (+P(C-1)) de cada uno de los componentes de cada fase, eso nos da un nmero mximo de grados de libertad m = P(C-1)+2 para un sistema cualquiera.La condicin termodinmica importante es que en equilibrio el cambio de la energa libre de Gibbs cuando se producen pequeas transferencias de masa entre las fases es cero. Esa condicin equivale a que el potencial qumico de cada componentes sea el mismo en todas las fases, eso impone r = C (P-1) restricciones o ecuaciones ms para un sistema en equilibrio.La regla de Gibbs para el equilibrio afirma precisamente que: F = m - r = C - P + 22.2-FRACCIN MOLARLa fraccin molar es una unidad qumica para expresar la concentracin de soluto en una disolucin. Nos expresa la proporcin en que se encuentran los moles de soluto con respecto a los moles totales de disolucin, que se calculan sumando los moles de soluto(s) y de disolvente. Para calcular la fraccin molar de una mezcla homognea, se emplea la siguiente expresin:

Donde ni es el nmero de moles del soluto, y nt el nmero total de moles en toda la disolucin (tanto de solutos como de disolvente).Como el volumen de una disolucin depende de la temperatura y de la presin; cuando stas cambian, el volumen cambia con ellas. Gracias a que la fraccin molar no est en funcin del volumen, es independiente de la temperatura y la presin.Adems cabe notar que en los gases ideales la variacin del volumen ser proporcional para cada uno de los solutos, y por lo tanto tambin para la solucin. De esta manera hay una relacin directa entre las fracciones molares y los volmenes parciales. (Sumatoria de fracciones molares)2.3-NUMERO DE GRADOS DE LIBERTAD:El nmero de grados de libertad es el nmero de factores variables independientes, tomados de entre la temperatura, presin y composicin de las fases. Es decir, es el nmero de estas variables que deben especificarse para que el sistema quede completamente definido.2.4-PUNTO EUTCTICOPunto eutctico, vocablo que deriva del griego y que quiere decir fcilmente fusible. Es la mxima temperatura a la que puede producirse la mayor cristalizacin del solvente y soluto, o tambin se define como la temperatura ms baja a la cual puede fundir una mezcla de slidos A y B con una composicin fija.2.5-DIAGRAMA DE FASEUn tpico diagrama de fase. La lnea con puntos muestra el comportamiento anmalo del agua. La lnea verde marca el punto de congelacin y la lnea azul, el punto de ebullicin. Se muestra como ellos varan con la presin.En termodinmica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase a la representacin grfica de las fronteras entre diferentes estados de la materia de un sistema, en funcin de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo. Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregacin diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.En ciencia de materiales se utilizan ampliamente los diagramas de fase binarios, mientras que en termodinmica se emplean sobre todo los diagramas de fase de una sustancia pura.

FIGURA 2.5: PRESION vs TEMPERATURA

2.6-DIAGRAMA DE FASE BINARIOCuando aparecen varias sustancias, la representacin de los cambios de fase puede ser ms compleja. Un caso particular, el ms sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentracin, normalmente en masa. En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Slido puro o solucin slida.

Mezcla de soluciones slidas (eutctica, eutectoide, peritctica, peritectoide)

Mezcla slido - lquido

nicamente lquido, ya sea mezcla de lquidos inmiscibles (emulsin), ya sea un lquido completamente homogneo.

Mezcla lquido - gas

Gas (lo consideraremos siempre homogneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

Hay punto y lneas en estos diagramas importantes para su caracterizacin: Lnea de lquidos, por encima de la cual solo existen fases lquidas.

Lnea de slidos, por debajo de la cual solo existen fases slidas.

Lnea eutctica y eutectoide. Son lneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutcticas y eutectoides, respectivamente.

Lnea de slidos, indica las temperaturas para las cuales una solucin slida () de A y B deja de ser soluble para transformarse en ()+ sustancia pura (A o B).

Concentraciones definidas, en las que ocurren transformaciones a temperatura constante:

Eutctica

Eutectoide

Peritctica

Peritectoide

Monotctica

III.-PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

3.1-Determinacin del Diagrama de Fases

a) Seleccionamos los tubos de cada set en ordendecreciente de su temperatura de fusin.

b) En un vaso de 600 ml, calentamos agua de cao y a la vez colocamos el tubo cuyo punto de fusin es el ms alto (con el tapn ligeramente suelto), hasta que la muestra se funda completamente. Inmediatamente despus sumergimos dentro del tubo el agitador metlico pequeo y el termmetro.

c) Sumergimos el tubo con la muestra fundida en otro vaso de 600 ml, que contena agua de cao que se encuentra 3-6 C por encima del punto de fusin de la muestra, agitamos lentamente y en forma constante hasta que se formaron los primeros cristales, medimos la temperatura. Realizamos este procedimiento en la campana extractora.

d) Procedimos en forma similar con los dems tubos de su set, de acuerdo al orden decreciente del punto de cristalizacin, teniendo en consideracin que tanto e agitador como el termmetro estn impos y secos.

3.2-Determinacin de las Curvas de Enfriamiento

a) Seleccionamos los tubos 8 y 6.

b) Colocamos el tubo 8 en bao a una temperatura inicial mayor entre 5 y 8 C a la de cristalizacin de dicho tubo. Tomamos datos de temperatura cada 20 segundos, hasta obtener por lo menos 8 valores constantes. Mantuvimos una agitacin constante durante el proceso.

c) Seleccionamos otro tubo que contenga dos componentes y en forma similar a b) tomamos datos de temperatura cada 20 segundos hasta obtener por lo menos 8 datos que vayan descendiendo en forma continua y uniforme, observando simultneamente la formacin de cristales dentro del tubo.

IV.- CALCULOS Y RESULTADOS4.1- Mediante la composicin de cada una de las muestras, calcule la fraccin molar experimental de cada componente en cada mezcla:TABLA 4.1: Pesos y fracciones molares de los componentes de la mezcla en cada tubo.TUBOW C6H4Cl2W C10H8XC6H4Cl2XC10H8

115010

212,51,50,8790,121

312,52,50,81340,1866

412,560,64440,3556

510100,46540,5346

6712,50,32760,6724

73150,14830,8517

801501

4.2- Con los datos de la tabla 4.1, construya el diagrama de fases:Tabla 4.2: Variacin de la temperatura con respecto a las fracciones molares e cada componente de la mezcla.X C6H4Cl2XC10H8T(C)

1053,3

0,8790,12146

0,81340,186642,7

0,64440,355631

0,46540,534648,9

0,32760,672459,8

0,14830,851771,6

0179,6

GRFICA 4.2: TEMPERATURA vs XC10H8

4.3-Construya las curvas de enfriamiento del componente puro y de la mezcla elegida:TABLA 4.3, 1: Variacin de la temperatura con el tiempo para el componente puro C10H8TIEMPO(S)T(C)

090

1086

2083,7

3082,6

4082

5081,1

6080,6

7080,2

8080

9079,8

10079,8

11079,6

12079,6

13079,6

14079,6

GRFICA 4.3, 1: Curva de enfriamiento del C10H8 QP (TIEMPO vs TEMP.)

TABLA 4.3, 2: Variacin de la temperatura con el tiempo para la mezclaTIEMPO(s)T(C)TIEMPO(s)T(C)

03515032

1034,816032

2034,717031,9

3034,418031,7

4034,319031,6

503420031,6

6033,821031,4

7033,622031,3

8033,523031,2

9033,224031

1003325031

11032,826030,9

12032,727030,9

13032,528030,9

14032,329030,9

GRFICA 4.3, 2: Curva de enfriamiento de la mezcla (TIEMPO vs TEMP.)

4.4-Del diagrama de fases, determine el punto eutctico, igualmente determine la temperatura y composicin de dicho punto.TABLA 4.4: Temperatura y composicin del punto eutctico.Datos experimentalesComposicinTemp. Eutctica

XC10H80.355631 C

XC6H4Cl20.6444

4.5-Mediante la Ec. 7, calcule la solubilidad del naftaleno para el rango entre el punto de cristalizacin del naftaleno y el punto eutctico:Log XA=-933.324/T-13.236xlogT+0.03337xT-2.3413x10-15xT2+27.5029TABLA 4.5: Fracciones molares y la Temp. de cristalizacin para el C10H8.XC10H8Temp. (C)

0.999880

0.859472

0.649358

0.524748

0.364832

4.6-Repita el clculo anterior para el diclorobenceno en el rango de la temperatura de cristalizacin y la temperatura del punto Eutctica.LogXB=2242.839/T+47.343xlogT-0.03306xT-115.0933TABLA 4.6: Fracciones molares y la Temp. de cristalizacin para el C6H4Cl2 .XC6H4Cl2Temp. (C)

1.000054

0.869147

0.797043

0.620532

4.8-Determine el nmero de grados de libertad en el punto Eutctico usando las ecuaciones:F+P=C+1

Tenemos que: Donde: F=grados de libertadP=cantidad de fasesC=cantidad de componentesF=C+1-P

Despejando se obtiene que: Reemplazando: F=C+1-P=2+1-3=0El nmero de grados de libertad en el punto Eutctico es cero debido a que no se necesita ninguna variable para hallar este punto, es decir la temperatura y la composicin de la mezcla se mantienen constante.Datos experimentalesDatos tericos%Error

Temp. eutcticaComposi-cinTemp. eutcticacomposicinTemp. eutcticaComposi- cin

XC10H831C0.355632C0.35563.125%0%

XC6H4Cl20.64440.6444

4.9-Compare los valores tericos con los experimentales:TABLA 4.9: Datos experimentales, tericos y %error.

V.-CONCLUSIONES

Se determin la temperatura en el punto eutctico de la mezcla p-diclorobenceno-naftaleno, obtenindose como resultado 32C con un error porcentual de 3.125%.

Se determin la composicin en el punto eutctico de la mezcla p-diclorobenceno-naftaleno, obtenindose como resultado: XC10H8 0.3556 XC6H4Cl2 0.6444, con un error porcentual de 0% respecto al terico.

Concluimos que los grados de libertad en el punto eutctico es igual a cero, esto es debido a que coexisten tres fases (Una fase liquida de la mezcla y dos fases slidas, debido a que los componentes no son miscibles en estado slido).

Se concluy adems que la curva obtenida al graficar Temperatura vs composicin, representa la curva de solubilidad para los componentes en la mezcla.

VI.-BIBLIGRAFIA

Samuel H Marn, Carl F Prutton, Fundamentos de la fisicoqumica, Editorial LIMUSA, MEXICO, 2001.

Gilbert W. Castelln, Fisicoqumica, 2da ed., Ed. Addison Wesley, MEXICO, 1987.

Fisicoqumica, Gastn Pons Muzzo, ed. universo ,1 Ed,1969, pg. 464 470

Pginas web:

http://es.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_fase

VII.-CUESTIONARIO

7.1- Qu es un diagrama de fases? Cul es su importancia?Los diagramas de fases son representaciones grficas a varias temperaturas, presiones y composiciones- de las fases que estn presentes en un sistema de materiales. Los diagramas de fases se realizan mediante condiciones de equilibrio (enfriamiento lento) y son utilizados para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Parte de la informacin e importancia de estas graficas radica en que se puede obtener a partir de ellos: Fases presentes a diferentes composiciones y temperaturas. Solubilidad de un elemento o compuesto en otro. Temperatura a la cual una aleacin que se deja enfriar empieza a solidificar as como el rango de temperaturas en el que tiene lugar la solidificacin. Temperatura a la que se funden o empiezan a fundirse las distintas fases.

7.2- Qu entiende usted por un sistema de punto eutctico simple?Es un sistema que solo contiene fases slidas y liquidas, adems el punto eutctico simple se caracteriza por ser la mnima temperatura donde el compuesto o mezcla de los slidos pueda fundirse, es decir, cambiar de un fase a otra fase.Es un punto invariante que tiene como caracterstica una temperatura eutctica y una composicin de la solucin que debe permanecer constante en tanto coexistan las fases.En un sistema de dos o ms compuestos en los que se permita determinar su respectivos diagramas de fases, se pueden presentar dos casos diferentes: (a) 2 compuestos: las curvas -T para ambos compuestos se intersecan en un punto; y (b) 3 o ms compuestos: las curvas -T para los compuestos se intersequen (considerando que se deben tomar curvas contiguas) en 2 o ms puntos. Dichos puntos de interseccin son denominados puntos eutcticos para todos los casos, puntos que determinan el equilibrio de las fases de los compuestos, pero en particular se le conoce como punto eutctico simple a aquel punto hallado por la interseccin de las curvas -T de dos compuestos.

7.3.- En un diagrama de punto eutctico simple, explique la aplicacin de la regla de fases.Estas cantidades normalmente se expresan como porcentaje del peso (% peso), es una regla matemtica vlida para cualquier diagrama binario. En regiones de una sola fase, la cantidad de la fase simple es 100%. En regiones bifsicas, sin embargo, se deber calcular la cantidad de cada fase. Una tcnica es hacer un balance de materiales.Para calcular las cantidades de lquido y de slido, se construye una palanca sobre la isoterma con su punto de apoyo en la composicin original de la aleacin (punto dado). El brazo de la palanca, opuesto a la composicin de la fase cuya cantidad se calcula se divide por la longitud total de la palanca, para obtener la cantidad de dicha fase.En general la regla de la palanca se puede escribir de la siguiente forma:

PORCENTAJE DE FASE = brazo opuesto de palanca x 100 Longitud local de la isoterma

Se puede utilizar la regla de la palanca en cualquier regin bifsica de un diagrama de fases binario. En regiones de una fase no se usa el clculo de la regla de la palanca puesto que la respuesta es obvia (existe un 100% de dicha fase presente).*Pasos para calcular las composiciones:

1. Dibujar la isoterma.

2. Encontrar el largo del lado opuesto a la composicin deseada.

3. Dividir el largo del opuesto por la isoterma:

4. El resultado se multiplica por 100.

VIII.-ANEXOS

8.1-NAFTALENO (C10H8)Lanaftaleno(nombre no comercial:naftaleno;8frmula qumica:C10H8) es un slido blanco que se volatiliza fcilmente y se produce naturalmente cuando se queman combustibles. Tambin se llamaalquitrn blancoy se ha usado en bolas y escamas para ahuyentar laspolillas. Quemartabacoomaderaproduce naftalina. Tiene un olor tan fuerte que puede resultar desagradable.La mayor parte de naftaleno se obtiene a partir dealquitrn de hulla. El naftaleno derivado del petrleo es generalmente ms puro que el procedente del alquitrn de hulla. Cuando se necesita crudo de naftaleno puede ser purificado por recristalizacin a partir de cualquiera de una variedad de disolventes, lo que resulta en 99% en peso de naftaleno, denominado 80C (punto de fusin).