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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y TEXTIL Departamento Académico de Ingeniería Química Laboratorio de físico quimia 2 QU-435 A “Equilibrio de fases en sistema binario: solido-liquido” GRUPO N° 1 INTEGRANTES: Paucar Prado Jorge Salazar Cruzado Emerson Trelles Gonzales Martin DOCENTES: Cardenas Mendoza, Teodardo Paucar Cuba, Karin LIMA – PERÚ 2019  Índice Índice 2 Índice de tablas 2 Índice de figuras 2 Objetivos 3 Fundamento Teórico 3 Parte experimental 5 Discusión de resultados 8 Conclusiones 9 Bibliografía 10 Índice de tablas Tabla 1: Datos fisicoquímicos de KCl y KCl-H2O 4 Tabla 2: Datos de tiempo de enfriamiento vs temperatura 5 Tabla 3: Datos de tiempo de calentamiento vs temperatura 6 Tabla 4: Datos de porcentaje en peso vs temperatura final de fusión 7 Índice de figuras Figura 1: Diagrama de fases de un sistema binario 3 Figura 2: Curva de enfriamiento de una fase Binaria 4 Figura 3: Grafica de tiempo de enfriamiento vs temperatura 6 Figura 4: Grafico de tiempo de calentamiento vs temperatura 7 Figura 5: Diagrama de fases experimental del H20-KCl 8  Objetivos Construir el sistema de fases de un sistema binario a partir de los termogramas de enfriamiento y calentamiento de soluciones acuosas de KCl a distintas composiciones. Reconocer las áreas de dominio, líneas y puntos relevantes del diagrama de fases obtenido. Fundamento Teórico Para determinar la condición de equilibrio de una condición de equilibrio en un sistema heterogéneo se recurre a la regla de las fases (Peña, 2005) …Ecuacion (1) Donde: V: Número de grados de libertad o variables independientes del sistema C: Número de componentes P: Número de fases Un método experimental para determinar diagramas de fase es el análisis térmico, la cual consiste en situar la disolución liquida o fundida en un recipiente y luego se procede a eliminar el calor (enfriar a una velocidad estable y se mide la temperatura del sistema en función del tiempo obteniendo la denominada curva de enfriamiento del sistema Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 1: Diagrama de fases de un sistema binario La Figura 1 muestra el diagrama de fases temperatura-composición a presión constante típico de un sistema de dos líquidos totalmente miscibles que forman eutéctico simple. Para poder construir un diagrama de este tipo se utilizan las curvas de enfriamiento de sistemas de diferente composición. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 2: Curva de enfriamiento de una fase Binaria Figura SEQ Figura \* ARABIC 2: Curva de enfriamiento de una fase Binaria La Figura 2 representa la curva de enfriamiento de una mezcla simple. La solución líquida comienza a enfriarse, disminuyendo su temperatura a cierta velocidad (a1). A cierta temperatura comienza a separarse un sólido formado por alguno de los componentes puros. El congelamiento es un fenómeno exotérmico y por eso la velocidad de enfriamiento disminuye (a2). A medida que el sólido se separa, la composición del líquido se hace más rica en el otro componente y su temperatura de fusión disminuye. Cuando la solución alcanza una cierta composición (la composición eutéctica) el sistema se congela como si se tratase de una sustancia pura y la temperatura se mantiene constante (a3). (Atkins, 1985) Donde “TA” y “TB” son las temperaturas de fusión de los sólidos A y B puros. Las distintas curvas separan las regiones donde el sistema presenta una o más fases. En la Región I, cualquier punto corresponde al sistema formado por una solución homogénea. En la región II, un punto corresponde a una situación en la que el sólido A puro coexiste en equilibrio con una solución líquida de B disuelto en A. Una situación análoga corresponde a la región III, con el sólido B en equilibrio con una solución de A disuelto en B. Por debajo de la temperatura “Te”, en la región IV, existen los sólidos A y B y no puede observarse ninguna solución líquida. A la temperatura Te se la llama temperatura eutéctica. Las curvas “a” y “b” dan la dependencia de la composición de la solución líquida con la temperatura. En términos generales, estas curvas indican cómo varía la solubilidad de A en B o B en A en función de la temperatura. (Atkins, 1985) De los manuales de propiedades fisicoquímicas los siguientes datos para el sistema KCl- H2O: solubilidad, puntos de fusión de las sustancias puras, composición y temperatura del eutéctico. Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 1: Datos fisicoquímicos de KCl y KCl-H2O Solubilidad de KCl a 25°C 350g/L (Carl Roth Gmbh & Co. Kg, 1879) Punto de fusión de KCl puro 770 -773°C (Carl Roth Gmbh & Co. Kg, 1879) %masa de KCl del eutéctico de KCl-H2O 19,7% (Castellan, 1976) Temperatura fusión del eutéctico KCl-H2O -10,7°C (Castellan, 1976) Parte experimental Con los datos obtenidos experimentalmente durante el enfriamiento de la solución salina, graficar temperatura (°C) vs tiempo (min). Indicar las temperaturas donde se observaron cambios de fase. Primero procedemos a completar la siguiente tabla de temperatura (°C) vs tiempo (min) con los datos obtenidos experimentalmente en el enfriamiento de la solución acuosa de KCl al 5% en masa. Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 2: Datos de tiempo de enfriamiento vs temperatura Con estos datos procedemos a realizar la siguiente gráfica. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 3: Grafica de tiempo de enfriamiento vs temperatura En el grafico observamos que el primer cambio de fase, aparición del primer cristal, se da a -0.5°C. Además, la desaparición de la última gota de líquido se da a -11°C. Repetir el paso anterior con los datos obtenidos durante el calentamiento de la solución salina. Primero procedemos a completar la siguiente tabla de temperatura (°C) vs tiempo (min) con los datos obtenidos experimentalmente en el calentamiento. Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 3: Datos de tiempo de calentamiento vs temperatura Con estos datos procedemos a realizar la siguiente gráfica. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 4: Grafico de tiempo de calentamiento vs temperatura Para cada composición con las que se trabajó en el laboratorio, comparar los termogramas de calentamiento y de enfriamiento obtenidos en los pasos anteriores. Las temperaturas de cambios de fase deben coincidir; de no ser así, elegir la más conveniente para trasladarlas al diagrama de fases. Elaborar una tabla que relacione composición, temperatura y cambio de fase observado. Comparando ambas gráficas determinamos la temperatura de cambio de fase como la temperatura en la que desaparece el último cristal en el calentamiento y como la temperatura en la que la curva de enfriamiento cambia su pendiente. Observamos que esta temperatura a KCl 5% se da a la temperatura: T= -0.5°C Usamos el mismo análisis para las otras soluciones con sus respectivos porcentajes en masa de KCl y armamos la siguiente tabla con los datos obtenidos por los otros grupos: Tabla SEQ Tabla \* ARABIC 4: Datos de porcentaje en peso vs temperatura final de fusión Con los datos experimentales y los datos de manuales, construir el diagrama de fase (temperatura en °C vs composición en % en peso) para el sistema binario KCl-H2O, indicamos las fases presentes en cada zona. Figura SEQ Figura_ \* ARABIC 5: Diagrama de fases experimental del H20-KCl Discusión de resultados En la figura N°3 se observa como la temperatura disminuye siguiendo una regresión lineal (sector azul) y al llegar a la temperatura de -0.5 °C la pendiente de la regresión cambia. Este cambio en el comportamiento de la gráfica se debe a que la solución liquida se comienza a solidificar, en este caso el sólido es hielo. En el sector anaranjado de la gráfica la temperatura desciende hasta los -12.5°C, siguiendo un comportamiento lineal, y, repentinamente, la temperatura sube hasta los -7.5°C para luego descender hasta los -11°C y mantenerse constante durante un tiempo. Este incremento de la temperatura se debe a que el líquido sufrió un sobre enfriamiento liberando una cantidad de calor “Q” producto del repentino cambio de fase liquido-solido. El sector gris de la gráfica se observa que la temperatura se mantiene constante en -11°C y luego comienza a descender lentamente, siguiendo un comportamiento lineal, hasta los -14°C. Este tercer descenso lineal de la temperatura se debe a que todo el sistema se encuentra en estado sólido, teniendo una mescla entre hielo y EUTEC. En la figura N°5 observamos que los puntos cuyo %masa de KCl es 0%, 5% y 10% siguen la misma línea de tendencia. Pero el punto cuyo %masa es de 18% se aleja considerablemente de la tendencia antes mencionada, este punto debería tener una temperatura final de fusión de aproximadamente -8°C, punto rojo, y no -3.5°C. En la misma figura también observamos que los puntos cuyo %masa de KCl supera a la concentración eutéctica siguen una relación creciente que solo es representada en una parte, esto se debe a que la temperatura de fusión del KCl es alrededor de 770°C. Conclusiones El equipo logro construir el sistema de fases del sistema KCl-H2O, el cual corresponde a la figura 5, y diferenciamos las distintas áreas que corresponden a distintos equilibrios entre la fase sólida y liquida. El equipo construyo los diagramas de calentamiento (figura 4) y enfriamiento (figura 3) del sistema KCl-H2O. Además, se logró identificar los diferentes sectores de las gráficas correspondientes a las distintas etapas del proceso conforme avanza el tiempo.  Bibliografía Atkins. (1985). Principio de Fisicoquimica. Mexico. Carl Roth Gmbh & Co. Kg. (mayo de 1879). Carl Roth. Obtenido de https://www.carlroth.com/downloads/sdb/es/P/SDB_P017_ES_ES.pdf Castellan, G. W. (1976). Fisicoquimica. España: Pearson. Peña, R. D. (2005). Fisica Quimica. Mexico: Alhambra. R., D. P. (2005). Quimica Fisica. Mexico: Alhambra. 8