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Fisicoquímica CIBEX

Guía de Trabajos Prácticos 2010

Trabajo Práctico N° 4
- Curvas de Enfriamiento y Equilibrio Sólido-Líquido: Sistema Naftaleno-BencenoObjetivo: Estudiar el equilibrio de fusión de un sistema de dos líquidos totalmente miscibles con eutéctico simple: Sistema benceno-naftaleno. Construir el diagrama de fases Temperatura-Composición de este sistema a partir del análisis delas curvas de enfriamiento. Determinar la constante crioscópica del benceno. 1. Introducción

Como se ha dicho en el TP Nº3 Sistema Fenol-Agua, la regla de las fases de Gibbs establece que: (1) Para un sistema de dos componentes, el número máximo de grados de libertad es 3. Este resultado nos indica que sería necesario construir una gráfica de tres dimensiones para hacer una representacióncompleta de las condiciones de equilibrio (T,P,xi), donde xi es la composición de uno de los componentes. En este trabajo práctico se estudiará un sistema de fases condensadas. Para este tipo de sistemas, el efecto de la presión es mínimo y a menos que se esté interesado en fenómenos de presiones altas, se puede mantener la presión fija a 1atm y examinar los efectos de temperatura y composición.Además, en procesos de fusión la presión es constante. Con esta condición impuesta, los grados de libertad disminuyen en una variable y la regla de las fases se reduce a:

V =C−F +2

V = C − F +1

(2)

Fig. 1. Diagrama de fases Líquido-Sólido.

La Figura 1 muestra el diagrama de fases temperatura-composición a presión constante típico de un sistema de dos líquidos totalmente miscibles queforman eutéctico simple. Para poder construir un diagrama de este tipo se utilizan las curvas de enfriamiento de sistemas de diferente composición.

Consideremos lo que sucede al enfriar un líquido puro (Fig. 2). Para un sistema de un componente puro en la fase líquida, hay un grado de libertad, la temperatura, y usando la ecuación (2), los grados de libertad son V = 1, siendo la temperatura lavariable que describe el sistema (porción (a)). Tan pronto coexisten las dos fases (sólido y líquido), P=2 y F=O y por lo tanto la temperatura es constante (b). Cuando todo el sistema se convierte en sólido la temperatura vuelve a variar (c). El cambio en pendiente se debe a la diferencia en la capacidad calorífica del líquido y el sólido. 1

Fig.2

Fig. 3

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La Fig. 3 representa la curva de enfriamiento de una mezcla simple. La solución líquida comienza a enfriarse, disminuyendo su temperatura a cierta velocidad (d). 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 (e). A medida que el sólidose 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 (f).

Fig. 4. Consideremos el diagrama de fases de la Fig. 4. En este diagrama TA y TB son lastemperaturas 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 correspondea 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...