GASES

Regla De FasesUNMSM

I.- INTRODUCCIN

El comportamiento de los sistemas en equilibrio se estudia por medio de grficos que seconocen como diagramas de fase: se obtienen graficando en funcin de variables comopresin, temperatura y composicin y el sistema en equilibrio queda definido para cada punto(los grficos de cambio de estado fsico o de presin de vapor de una solucin de dos lquidos son ejemplos de diagramas de fases).La mayora de los diagramas de fase han sido construidos segn condiciones de equilibrio(condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y cientficos paraentender y predecir muchos aspectos del comportamiento de materialesLos equilibrios de fase y sus diagramas de fase en sistemas multi componentes tienenaplicaciones importantes en qumica, geologa y ciencia de los materialesLas transiciones de fase aparecen con mucha frecuencia en nuestro entorno, desde laebullicin del agua en nuestra tetera a la fusin de los glaciares en la Antrtida. Por otro lado,el ciclo del agua con la evaporacin, la condensacin para formar nubes y la lluvia quedesempean un papel muy importante en la ecologa del planeta. Tambin son numerosas lasaplicaciones de las transiciones de fase en el laboratorio y en la industria, e incluyen procesoscomo la destilacin, precipitacin, cristalizacin y absorcin de gases en la superficie decatalizadores slidos

II.-OBJETIVO

El experimento de regla de fases tiene por objetivo determinar de forma experimental el diagrama de fase y las curvas de enfriamiento de una mezcla binaria, cuyos componentes no se combinan qumicamente, no son miscibles en estado lquido, pero son solubles al estado lquido.

III.-RESUMEN

El experimento se inicia con las siguientes condiciones de laboratorio: 756 mmHg de presin, 22 C de temperatura y 98% de humedad relativa.Entre los datos obtenidos experimentalmente tenemos de manera principal a las temperaturas de cristalizacin de las muestras contenidas en los tubos numerados del 1 al 8, siendo el primero para diclorobenceno puro (p-C6H4Cl2), para pasar luego gradualmente en su composicin con la mezcla de naftaleno (C10H8), que se encuentra puro en el ltimo tubo.Al tener en la gua las composiciones en peso de las muestras, se procede al clculo de las fracciones molares de cada una, la cual nos sirve para realizar el grfico fraccin molar Vs. Temperatura de cristalizacin, en la que se halla grficamente el punto eutctico, hallado en la temperatura experimental de 30C y el terico es de 45.45Clo que da un porcentaje de error de 34% con una composicin molar experimental de XA=0.365 y XB=0.644.El calor latente experimental del Naftaleno es de 4567.297 cal/mol y el terico es de 4567.431 cal/mol lo que da un porcentaje de error del 0.003%. El calor latente experimental del p-diclorobenceno es de 4351.260 cal/mol y el terico es de 4353.202 cal/mol lo que da un porcentaje de error de 0.045 %. El nmero de componentes es 2 y el de fases 3, lo que nos da 0 grados de libertad.De esta experiencia podemos concluir que en el punto eutctico se permite la posibilidad de la existencia ms fcil de la fase lquida para el sistema de dos slidos. Lo que deposita al estado slido en el punto eutctico, es una mezcla heterognea de dos fases separadas.

IV.-FUNDAMENTO TERICO

FASE:

Es cualquier fraccin, incluyendo la totalidad,de un sistema que es fsicamente homogneo en smismo y unido por una superficie que es mecnicamente separable de cualquier otra fraccin.Una fraccin separable puede no formar un cuerpo continuo, como por ejemplo un lquidodispersado en otro.

Un sistema compuesto por una fase eshomogneo

Un sistema compuesto por varias fases esheterogneoPara los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homognea en los equilibriosheterogneos.

Para los efectos de la regla de las fases, cada fase se considera homognea en los equilibriosheterogneos.

COMPONENTE:

Componente de un sistema es el menor nmero de constituyentes qumicos independientementevariables necesario y suficiente para expresar la composicin de cada fase presente en cualquierestado de equilibrio.

GRADO DE LIBERTAD:

Es el nmero de variables intensivas que pueden ser alteradas independientemente yarbitrariamente sin provocar la desaparicin o formacin de una nueva fase. Variables intensivasson aquellas independientes de la masa: presin, temperatura y composicin. Tambin se definecon el nmero de factores variables.

CALOR LATENTE:

La cantidad de calor necesaria para producir un cambio de fase se llama calor latente; existencalores latentes de sublimacin, fusin yvaporizacin

REGLA DE FASES:

Los llamadosDiagramas de Fase representan esencialmente una expresin grfica de la Reglade las Fases, la cual permite calcular el nmero de fases que pueden coexistir en equilibrio en cualquier sistema, y su expresin matemtica est dada por:

P + F = C + 2

Donde:C = nmero de componentes del sistemaP = nmero defases presentes en el equilibrioF = nmerode grados de libertad del sistema (variables: presin, temperatura, composicin).

En 1875 J. Willaid Gibbs relacion tres variables: fases (P), componentes (C), y grados de libertas ovarianza (F) para sistemas multi componentes en equilibrio. El nmero de grados de libertad sedetermina por la regla de las fases, si y solo si el equilibrio entre las fases no est influenciado porla gravedad, fuerzas elctricas o magnticas y solo se afecta por la temperatura, presin yconcentracin. El nmero dos en la regla corresponde alas variables de temperatura T ypresin P.

La regla de lasfases se aplica slo a estadosde equilibrios de un sistema y requiere:

Equilibrio homogneo en cada fase.

Equilibrio heterogneo entre las fasescoexistentes.

La regla de las fases no depende de la naturaleza y cantidad de componentes o fases presentes,sino que depende slo del nmero. Adems no da informacin con respecto a la velocidad dereaccin. El nmero de componentes ms dos (C+2), representa el nmero mximo de fases quepueden coexistir al equilibrio, donde los grados de libertad (F) no pueden ser inferiores a cero (acondiciones invariantes).

Para estudiar relaciones de puntos de fusin de un sistema binario, se considera que la presin esconstante y que el sistema es condensado. Para un sistema de dos componentes de este tipo, laregla de fases se reduce a:

P + F = C + 1

El diagrama de fases paraun sistema binario se obtiene graficando la temperatura de solidificacinvs la fraccin molar,utilizando las curvas de enfriamiento demezclas de composiciones diferentes.La relacin entre la solubilidad y el punto de congelacin de un componente en una mezclabinaria, est dada porla siguiente ecuacin:

Para el sistema a estudiar la variacin del calor latente de fusin segn la temperatura absoluta T, para los componentes puros est dada por las siguientes ecuaciones:

Para calcular la fraccin molar en cualquier punto, se puede integrar la ecuacin (1) y reemplazar el calor latente de fusin, obtenindose para este sistema:

PUNTO EUTCTICO:

Temperatura mnima para que la sustancia existaen fase lquida

V.-CLCULOS

a) Mediante la composicin de cada una de la muestras, calcule la fraccin molar experimental de cada componente de la mezcla.

Tubo1:

Tubo2:

Tubo3:

Tubo4:

Tubo5:

Tubo6:

Tubo7:

Tubo8:

b) Con los datos de a) y de las temperaturas experimentales , construya el diagrama de fases (Grfica adjunta en anexos)c) Construya las curvas de enfriamiento

d). Del diagrama de fases, determinar el punto eutctico.En la grfica el punto eutctico es el punto E la temperatura es de 30C y la composicin de a es XA= 0.356 y XB= 1 0.356= 0.644e). Mediante la ecuacin:

Calcularemos la solubilidad del naftaleno, para el rango de temperaturas observadas, entre el punto de cristalizacin del naftaleno y el punto eutctico. Para T = 52.7 C= 325.85 K

e%=0.37% Para T = 59.9 C= 333.05 K

e%=8.74%

Para T = 72.6 C= 345.75 K

e%=7.58%

Para T= 79.9C= 353.05 K

e%=9.30%

f). Mediante la ecuacin:

Calcularemos la solubilidad del p-diclorobenceno, en el rango de temperaturas entre el punto de cristalizacin del naftaleno y el punto eutctico.

Para T = 54.4 C= 327.55 K

e%= 2.56%

Para T= 46.6 C= 319.75 K

.879 e%= 0.91%

Para T= 44.7 C = 317.85 K

e%= 2.63%

Para T= 30 C= 303.15 K

e%=8.05 %

g). Calculando el calor latente de fusin para los componentes puros en sus puntos de fusin observados. Calculamos tambin los valores tericos.Para C10H8

Experimental (T= 79.9C= 353.05 K)

Terico (T=80C=353.15K)

Para p-C6H4Cl2

Experimental (T=54.4C=327.55K)

Terico (T=54C=327.15K)

h). Determinando el numero de grados de libertad en el punto eutctico.Mediante la ecuacin:

Donde:F = nmero de grados de libertad.P = nmero de fases.C = nmero de componentes.Se sabe que en el punto Eutctico coexisten 3 fases; slido-lquido, slido A y slido B. adems hay 2 componentes. Entonces el grado de libertad es:F + P = C + 1F + 3 = 2 + 1F = 0

VI.-DISCUSIN DE RESULTADOS

En los grficos de fases se establece una relacin de la temperatura de solidificacin de las soluciones con la fraccin molar de las sustancias puras del naftaleno y del p-diclorobenceno as como la mezcla de ambos.

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

Si se enfra una mezcla lquida de dos componentes similares A y B, comienza a separarse slido a una temperatura definida, la del punto de solidificacin, que depende de la composicin de la mezcla.En la grfica los puntos A y B son los puntos de solidificacin de los componentes puros.La adicin de B a A desciende el punto de solidificacin a lo largo de la curva AC; y anlogamente, el agregado de Aa B desciende el punto de congelacin del ltimo alo largo de BC. Si la composicin de la mezcla y el punto de solidificacin corresponden a la curva primera, el slido que se deposita es A puro que hace el papel de solvente, cosa anloga ocurre con la otra curva. De aqu se puede considerar que las curvas AC y BC representan las condiciones de temperaturas segn las cuales se encuentran en equilibrio fase slida A o la fase slida B, respectivamente. En el punto C, en el cual se encuentran las curvas AC y BC, los dos slidos A y B estn en equilibrio con la fase liquida, por lo tanto hay tres fases y dos componentes. De aqu se tiene que el nmero de grados de libertad escero El punto C se llama el Punto Eutctico y representa la temperatura ms baja a la cual puede fundir una mezcla de los slidos Ay B, con unadeterminada composicin

VII.- CONCLUSIONES

Cada sustancia pura es una faseseparada.

El punto Eutctico no es una fase; es una mezcla de dos fases y tiene una estructura granular fina, donde existen tres fases, Naftaleno slido, P-diclorobenceno slido y solucin liquida que contiene 0.365 fraccin molar de Naftaleno y 0.635 de P-diclorobenceno.

El punto eutctico est en funcin de la temperatura y composicin de las sustancias de las cuales se halla y lo que se deposita al estado slido es una mezcla heterognea de dos mezclas separadas constituida cada una por micro cristales de cada sustancia componente.

En el punto eutctico, los grados de libertad del sistema, es cero, por estar en equilibrio tres fases. Por otro lado, podemos inferir que el punto de solidificacin depende de la composicin de la mezcla(porcentaje).

Cuanto ms grande es el nmero de componentes de un sistema, mayor es el nmero de grados de libertad. Cuanto ms grande es el nmero de fases, menor es el nmero de grados de libertad.

En la curva de enfriamientode mezcla de composicin definida, es posibleobtener el punto de solidificacin y su temperatura eutctica.

VIII.- RECOMENDACIONES

Verificar que el sistema se encuentre en buenas condiciones para realizaruna prctica con un error mnimo, es decir, se debe verificar que los materiales se encuentren limpios y de acuerdo a las indicaciones de la gua.

Estar muy atentos a la aparicin de cristales en los tubos, ya que la presencia de estos indican el punto de cristalizacin.

Agitar el tubo de ensayo donde se encuentra cada muestra con mucho cuidado, ya que sise llega a romper la muestra y el trabajo son perdidos.

Para la medicin de la temperatura para cada tubo, limpiar bien el agitador y el termmetro, para evitar contaminar el siguiente tubo, y de preferencia limpiarlo con un pao rociado con agua caliente, ya que si se limpia con agua fra, la muestra que se encuentra tanto en el termmetro como en el agitador se solidificara rpidamente y ser difcil sacar esos cristales.

La medicin del tiempo para la obtencin de los datos para la curva de enfriamiento deben ser tomadas en el tiempo loms precisamente posible.

IX.-BIBLIOGRAFA

HANDBOOK OF CHEMISTRY AND PHYSICS, 53 Edition 1971-1973

Fundamentos de Fisicoqumica -Samuel H Maron, Carl F Prutton - 2 Edicin

Fhttp://www.infoescola.com/quimica/crioscopia/

MARON Y PRUTTON, "Fundamentos de FISICOQUMICA", Editorial:Noriega Limusa, Mxico, D.F., 1990

HILL Graham, HOLMAN John. Chemistry in context. Estados Unidos,Editorial Nelson thornes. quinta edicin.

X.- APNDICE

CuestionarioQu es un diagrama de fases? Cul es su importancia?El diagrama de fases muestra las propiedades de cada sustancia, temperatura de fusin, de ebullicin, puntos de transicin y triple. Cada punto del diagrama de fases representa un estado del sistema, dado que establece valores de temperatura y presin, aqu radica la importancia de este diagrama.Las lneas en el diagrama de fases lo dividen en regiones marcadas: slido, lquido y gas. Cada punto de las lneas de dicho diagrama relacionan el equilibrio entre dos fases de la materia.Qu es un diagrama eutctico simple?Un diagrama eutctico simple es aquel donde coinciden las temperaturas de fusin para una composicin dada en una mezcla o solucin. Para una sustancia en la solucin que se encuentra en equilibrio con su fase slida se cumple:

Que relaciona la temperatura de fusin de un componente de la solucin con su composicin en la misma. Esta ecuacin se puede expresar en una grfica. Lo mismo puede aplicarse para el otro componente en el mismo diagrama. Cuando ambas grficas se intersecten se forma el punto eutctico que nos indica que la solucin con la composicin eutctica y temperatura eutctica est en equilibrio con las dos sustancias slidas que forman la solucin. Es decir, un diagrama eutctico simple no comprende una reaccin qumica entre los componentes y el diagrama se basa solo en dos sustancias.

1 Laboratorio de Fisicoqumica II