Universidad Nacional de Ingeniería

Facultad de Ingeniería Química y Textil

Laboratorio de Fisicoquímica II

I. Objetivos.

Estudiar el comportamiento del sistema cloruro de sodio – agua.

Hallar las curvas de enfriamiento temperatura vs. Tiempo.

Determinación de los puntos de equilibrio en la congelación de soluciones de composición variable.

Utilizando los puntos de congelación construir diagrama de fases: Temperatura vs. Composición.

II. Fundamento teórico.

Regla de fases de Gibbs

F = C - P + 2  ………(1)

La relación de tres variables: fases (P), componente (C) y grados de libertad ó varianza (F), para sistemas multi-componentes en equilibrio. El número de grados de libertad se determina por la ecuación (1) si y solo si el equilibrio entre las fases no está influenciado por gravedad, fuerzas eléctricas ó magnéticas y solo se afecte por la temperatura, presión y concentración. El número dos en la ecuación (1) corresponde a las variables de temperatura, T y presión, P.

Cada una de las variables en la ecuación (1) se define a continuación:

a) Fase (P).- es un parte uniforme de un sistema en términos de composición química y propiedades físicas. Está separada de otras partes homogéneas del sistema por medio de superficies límites. Se representa por la letra "P" donde se indica el número de fases diferentes en un sistema.

b) Componente (C).- Se refiere al número de constituyentes químicamente diferentes que son necesarios para describir la composición de cada fase. Su concentración puede variar en forma independiente. Es importante notar que si los constituyentes no reaccionan entre sí el número de sustancias en el sistema será igual al número de componentes. Sin embargo, si estos reaccionan entre sí, el número de componentes será menor que el número de sustancias.

c) Número de grados de libertad o varianza (F).- se refiere al número mínimo de variables intensivas independientes (presión, temperatura, fracción molar), que debe especificarse para poder describir completamente el estado de un sistema.

Diagrama de fases

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Para poder construir un diagrama de fases dado, los datos se obtienen de un análisis termal. Del análisis termal se crean las curvas de enfriamiento experimentales midiendo valores de temperatura y tiempo. Para un sistema de un componente puro en la fase líquida y usando la ecuación:

F = C - P + 1

los grados de libertada son igual a F = 1 donde la variable de temperatura es la que describe el sistema. Tan pronto coexistan las dos fases (sólido y líquido), P=2 y F=O y por lo tanto la temperatura es constante. Cuando todo el sistema se convierte en sólido la temperatura vuelve a variar. El cambio en pendiente se debe a la diferencia en la capacidad calórica a presión constante del líquido y el sólido.

Además, para construir un diagrama de fases, es necesario realizar el análisis termal para varias composiciones del líquido para así conseguir un conjunto de curvas de enfriamiento las cuales nos permitan correlacionar los puntos.

Durante todo el tiempo de cristalización de los componentes puros, así como de la mezcla eutéctica, la temperatura se mantiene constante. Cuando cristalizan mezclas de otra composición se produce solo una disminución de la velocidad de enfriamiento y se observa una variación de la inclinación de la curva, el segmento horizontal aparece cuando comienza la cristalización de la mezcla eutéctica.

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Curva de enfriamiento

La forma de la curvas de los puntos de congelación puede determinar experimentalmente por medio del análisis térmico. En este método, una mezcla de composición conocida se calienta a una temperatura suficientemente alta para homogeneizarla y a continuación se enfría a una rapidez regulada. La temperatura se representa gráficamente en función del tiempo.

III. Parte Experimental.

a. Equipos materiales y reactivos

Equipo para la determinación de la curva de enfriamiento Balanza digital Cronometro Hielo y sal de mesa

IV. Datos.

a. Datos Experimentales:

Temperatura de trabajo = 23 °C

Presión de trabajo = 756 mmHg

Tabla N° 1

t(s) T(°C) t(s) T(°C) T(s) T(°C)

0 27 263 18 950 0

36 26 325 16 1055 -2

68 25 385 14 1180 -4

94 24 450 12 1350 -6

113 23 520 10 1550 -8

149 22 640 7 1930 -10

175 21 706 5 2680 -12

210 20 800 3

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Tabla N° 2

Mesa n° 1 2 3 4% KCl 8 18 23 28

Temperatura de inicio de la fusión al calentar (°C)

-11 -11 -11

-11

Temperatura de cristalización (°C) -1 -6 14 20

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b. Datos Bibliográficos:

ρH 2O23 °C = 0.9975 g/mL

MKCl= 74.5513 g/mol

MH 2O= 18.01528 g/mol

V. Tratamiento de datos y resultados.

Porcentaje de peso de KCI:

%KCl=mKCl

mKCl+mKClx 100%

La presente formula nos permite hallar el porcentaje en peso del KCl en relación a la solución. Como en los datos de la tabla N° 2 ya están hallados no se requerirá una demostración de la misma.

Grafica N° 1: Temperatura de enfriamiento de la solución KCl-H2O vs el tiempo

Grafica N° 2: Gráfico de temperatura vs porcentaje de KCl (sistema binario)

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De la gráfica N° 2, el punto eutéctico vendría a ser la intersección de las 2 líneas de tendencias. Calculamos el error porcentual con el punto eutéctico real:

%Error (%KCl )=19.87−17.964319.87

x 100%=9.59%

%Error (T E )=−10.8−(−5.982)

−10.8x100%=44.62%

VI. Discusión de resultados.

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VII. Conclusiones.

En la curva de enfriamiento, se nota que a medida que el sistema se está enfriando a velocidad uniforme, no ocurre ninguna transformación. La inflexión de la curva indica que uno de los componentes ha llegado a su punto de congelación la cual varía con la composición; se ve además la formación de los primeros cristales acompañados por un pequeño desprendimiento de calor.

Los puntos que están por debajo de las curvas de congelación, pero sobre la temperatura eutéctica representas estados en las cuales el sólido puro está en equilibrio con la solución de la composición.

Cada inflexión en las curvas de enfriamiento o calentamiento indica el comienzo o cierre de alguna transformación y también un cambio en la capacidad calorífica de la sustancia.

Cuando la curva de calentamiento o enfriamiento se mantiene constante (horizontal) comienza la cristalización de la mezcla eutéctica.

El punto eutéctico es invariante, pues solo existe una temperatura y una composición del sistema a la cual puedan existir juntas las tres fases en equilibrio a una presión constante.

En la curva de enfriamiento obtenida se puede notar un cambio de pendiente, esto se debe la cristalización progresiva del sistema conforme la solución se va enfriando y también a un cambio de la capacidad calorífica.

VIII. Recomendaciones.

IX. Aplicaciones.

X. Referencias bibliográficas.

Enciclopedia Encarta 2009 Biblioteca Premium / Tabla periódica. MARTINEZ, ANDRÉS, CHIRALT, FITO. “Termodinámica y cinética de sistemas

alimento entorno”. Universidad Politécnica de Valencia. Valencia – España. Pág. 92.

http://www.comosehace.cl/procesos/PaulinaCecci/complemento_Solidificacion.htm

LEVINE, I. “Fisicoquímica”. Madrid – España. Editorial McGraw – Hill. 5° Edición. Vol. 1. 2004. Páginas: 442 – 453.

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