UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(UNIVERSIDAD DEL PER, DECANA DE AMRICA)FACULTAD DE QUMICA E INGENIERA QUMICAESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA QUMICADEPARTAMENTO ACADMICO DE FISICOQUMICA

LABORATORIO DE FISICOQUMICA II

PRCTICA N10: REGLA DE FASES

GRUPO/HORARIO:LUNES/ 14:00 17:00 Hrs

PROFESOR: Pantoja

FECHA DE ENTREGA:20 de Abril del 2015

ALUMNO(s):Terreros Rocha Anbal Perfecto13070202Caycho Quiones Jos Antonio13070031Quineche Minaya Claudia Raquel12070194

Lima Per

INDICE

1.INTRODUCCION32.RESUMEN43.OBJETIVOS54.PRINCIPIOS TEORICOS65.PARTE EXPERIMENTAL75.1.Materiales, equipos y reactivos75.2.Procedimiento experimental76.TABLA DE DATOS77.CALCULOS108.TABLA DE RESULTADOS199.DISCUSION DE RESULTADOS2110.CONCLUSIONES2211.RECOMENDACIONES2312.CUESTIONARIO2413.BIBLIOGRAFIA26

1. INTRODUCCION

El tema a tratar en esta prctica de laboratorio es la regla de fases, pero antes hay que preguntarnos: Por qu es importante la regla de fases? Cundo tengo que aplicarla?Para responder estas preguntas, iremos al mbito real.Muchos de los materiales slidos que conocemos existen en diferentes fases, cuyo nmero puede ser muy grande, a pesar de hablar de sustancias puras y an mucho ms cuando de mezclas se trata.Entonces, podemos afirmar que un material debe sus propiedades en parte a las posibles fases que este pueda formar y que, al alterar la cantidad de fases, alteramos tambin las propiedades del material, quedando ms que demostrado que es importante conocer del tema para poder sacarles el mayor provecho a dichos materiales.Para el mayor entendimiento de todos los datos que han sido registrados de distintas sustancias puras y mezclas, es que se crearon los diagramas de fase, una herramienta que engloba todos esos datos.La regla de fases nos ayuda a determinar los grados de libertad que puede poseer el sistema, estableciendo una relacin que nos ayuda a saber el nmero de variables que podemos manipular sin alterar la microestructura de este.

2. RESUMEN

La prctica de laboratorio de esta semana se enfoca, como ya se haba dicho, en la regla de fases, para poder estudiarla con ms detenimiento y tener una idea ms amplia del tema. A continuacin, el desarrollo de esta prctica ser descrita de manera breve.Para la determinacin de diagrama de fases; hallaremos la temperatura de cristalizacin experimental de varias muestras, habiendo sido previamente calentadas para pasar del estado slido a lquido.Una vez obtenida la temperatura de cristalizacin experimental, por las frmulas 6 y 7, podemos hallar las fracciones molares de las muestras estudiadas y as poder graficar el diagrama de fases (T vs x), adems de poder hallar el punto eutctico que ser detallado ms adelantePara la determinacin de la curva de enfriamiento; calentaremos a un promedio de 5C ms de la temperatura de cristalizacin de dos muestras, una de un solo componente y otra de dos y tomamos temperaturas en pequeos intervalos de tiempo para poder graficar la curva de enfriamiento de ambas.Finalizando con el clculo del calor latente de fusin de ambos componentes puros y; aplicando la regla de fases de Gibbs, determinar el nmero de grados de libertad en el punto eutctico

3. OBJETIVOS

Determinar experimentalmente el diagrama de fases y la curva de enfriamiento de una mezcla binaria de naftaleno y p-diclorobenceno caracterizados porque no se combinan qumicamente entre ellas en estado slido, sin embargo, son solubles en estado lquido.Determinar el punto eutctico de la mezcla binaria.Determinar el calor latente de fusin de ambos compuestos puros.

4. PRINCIPIOS TEORICOS

La regla de fases de Gibbs, propuesta en 1876, determina que:

Siendo F los grados de libertad (variables manipulables), C el nmero de componentes qumicos que forman el sistema y P las fases del sistema.Tomando en cuenta el supuesto de presin constante, la ecuacin se reduce a:

As pues, podemos determinar que, en existencia de 3 fases, la temperatura tambin debe ser constante; en existencia de 2, la temperatura puede variar en un rango limitado.Relacionando la solubilidad y el punto de congelacin de un componente en una mezcla binaria, obtenemos que:

En nuestro experimento, fue usada una mezcla de naftaleno y p-diclorobenceno, cuyas variaciones de calor latente de fusin en funcin de la temperatura estn determinadas por:

Habiendo reemplazado en la relacin, cada una de las frmulas, obtenemos:

Teniendo definidas ambas frmulas, podemos hallar las fracciones molares de la mezcla binaria a cualquier temperatura.

5. PARTE EXPERIMENTAL5.1. Materiales, equipos y reactivosPrctica N10: Regla de Fases 22

8 tubos de prueba grandes. Un agitador metlico pequeo y uno grande. Un termmetro de -10C a 110C. Vasos de 400 y 600mL. Rejilla y cocinilla Naftaleno qumicamente puro. P-diclorobenceno qumicamente puro.

5.2. Procedimiento experimentala) Determinacin del Diagrama de Fases: Calentamos agua de cao en un vaso de 600 mL hasta acercarnos a la T ebullicin, sumergimos de dos en dos a los tubos numerados en base a su temperatura de fusin de forma decreciente hasta fundicin. En otro vaso, de 400mL, calentamos agua de cao pasados dos o tres grados de la temperatura de cristalizacin dada en la gua para cada tubo. Echamos el tubo de temperatura de fusin ms alta en el vaso de 400mL, lo destapamos y colocamos el agitador pequeo y un termmetro; a la vez colocamos el agitador grande en el bao junto a un termmetro cerciorndonos de que la temperatura de la muestra y el bao no tenga una diferencia mayor de 2 a 3 grados. Dejamos enfriar con constante agitacin tanto en la muestra como en el bao, para mantener una temperatura constante entre ambas, hasta obtener la temperatura de cristalizacin experimental reconocida por la formacin de un escarchado en el interior del tubo. Repetimos los pasos para las dems muestras.b) Determinacin de las curvas de enfriamiento: Seleccionamos uno de los dos tubos, los cuales contenan composicin pura, ya sea el tubo 1 o el tubo 8. Calentamos a una temperatura mayor de 3 a 5C a la de cristalizacin registrada o experimental anterior, y tomamos datos de temperatura cada 10 seg. Repetimos los pasos en uno de los seis tubos restantes que contenan muestra binaria.6. TABLA DE DATOSa) Determinacin de Diagrama de Fases:TubosTemp. Cristalizacin Experimental (C)Temp. Cristalizacin Aproximada (C)

152.754

246.547

342.743

431.532

550.448

65858

77272

88080

b) Determinacin de Curva de Enfriamiento:

TUBO 1:Tiempo(seg)TCTiempo(seg)TC

057.517054.4

1057.318054.2

2056.819054.0

3056.620054.0

4056.321053.8

5056.022053.5

6055.923053.4

7055.724053.4

8055.725053.4

9055.526053.3

10055.427053.2

11055.228053.0

12055.029053.0

13055.030052.9

14054.831052.7

15054.732052.7

16054.633052.7

TUBO 2:

Tiempo(seg)TCTiempo(seg)TC

051.021048.1

1050.722048.0

2050.423048.0

3050.224047.9

4050.025047.7

5049.826047.7

6049.627047.6

7049.528047.4

8049.429047.3

9049.230047.1

10049.031047.0

11049.032046.9

12048.933046.8

13048.734046.8

14048.635046.7

15048.636046.6

16048.537046.6

17048.438046.5

18048.339046.5

19048.340046.5

20048.241046.5

7. CALCULOSa) Clculo de la fraccin molar:Siendo: P.M (p-C6H4Cl2) = 147g/mol P.M (C10H8) = 128 g/mol

Tubo 1:

Tubo 2:

Tubo 3:

Tubo 4:

Tubo 5:

Tubo 6:

Tubo 7:

Tubo 8:

b) Con los datos obtenidos anteriormente y las temperaturas de cristalizacin, graficar el diagrama de fases.Teniendo las fracciones molares experimentales de B y las temperaturas de cristalizacin:

TuboXBTemp. Cristalizacin (C)

11.000052.7

20.878946.5

30.813242.7

40.644731.5

50.465550.4

60.327858.0

70.148371.7

80.000080.5

Al graficar en Excel estas coordenadas, vemos la formacin de dos curvas las cuales tienen como interseccin el Punto Eutctico, el cual est especficamente en los puntos 0.6447 y 31.5, lo que representa que se encuentra a 31.5C y a una composicin de B de 0.6447.

Vemos que, el rea superior de la grfica representa la fase lquida ya que a esas temperaturas la solucin se encontrara en fase lquida y por tanto, ambos compuestos son solubles (miscibles). Obteniendo los grados de libertad de esta fase a partir de la primera frmula propuesta por Willard Gibbs:

Donde F son los grados de libertad, P sera una sola fase lquida, y C dos componentes miscibles. Reemplazando:

Esto indica claramente que se necesitaran dos parmetros como mnimo para definir un punto en la curva, tales parmetros es la temperatura y la fraccin molar.A lo largo de la grfica, mejor dicho la curva, se denota que habr un cambio de fase, de fase lquida a fase slida. Para ser ms exactos, en la prima curva, el naftaleno (C10H8) se cristaliza, hasta el punto de encuentro. En la segunda curva, el P-diclorobenceno (p-C6H4Cl2) cristalizar.Bajo el rea de la primera curva, coexistirn dos fases, una lquida y slida de naftaleno, de tal forma, para el rea debajo de la segunda curva estarn dos fases, la slida y lquida del p-diclorobenceno. Teniendo estos datos, obtendremos los grados de libertad:

Esto quiere decir que para definir un punto se necesitar la temperatura o la composicin a lo largo de la primera curva.Finalmente podemos decir que el rea debajo del punto eutctico o temperatura eutctica es un rea de dos fases, naftaleno slido y p-diclorobenceno slido, y esto se observa por la separacin de stos, por lo tanto como conclusin, podramos decir que en estado o fase lquida esto compuestos s son miscibles pero en estado o fase slida, los compuestos no son miscibles. Podemos entenderlo ms claramente en la siguiente grfica:

c) Curvas de enfriamiento, del componente puro y de la mezcla:Habiendo tabulado ya los datos de temperatura y tiempo en la tabla de datos del presente informe, se grafic en Excel.

Para el componente puro en el tubo 1:

Para la mezcla en el tubo 2:

d) Del diagrama de fases, determinacin del punto eutctico y a la vez la temperatura y composicin de dicho punto. El punto eutctico puede definirse como 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. Por tanto, nuestro punto eutctico es la interseccin de las dos curvas en nuestro diagrama de fases, por tanto, la temperatura del punto eutctico y las composiciones de los componentes A y B son:

e) Mediante la ecuacin (7) se calcula la solubilidad del naftaleno (fraccin molar terica en la mezcla), para el rango de temperaturas observadas, entre el punto de cristalizacin del naftaleno y el punto eutctico.

Reemplazando las temperaturas en K, tendremos las siguientes composiciones de solubilidad y/o fracciones molares

Para

Para

Para

Para

Para

f) Mediante la ecuacin (6) repetiremos el mismo procedimiento que el enunciado anterior, pero esta vez para el p-diclorobenceno (B).

Reemplazando las temperaturas en K, tendremos las siguientes composiciones de solubilidad y/o fracciones molares

Para

Para

Para

Para

g) Clculo del calor latente de fusin de los componentes puros en sus puntos de fusin observados. Calculo de los valores tericos correspondientes.

Tubo 1, para el p-diclorobenceno (p-C6H4Cl2):

Reemplazando para el Calor Latente Experimental, donde :

Reemplazando para el Calor Latente Terico, donde :

Tubo 8, para el naftaleno (C10H8):

Reemplazando para el Calor Latente Experimental, donde :

Reemplazando para el Calor Latente Terico, donde :

h) Determinacin del nmero de grados de libertad en el punto eutctico usando las ecuaciones (1) o (2). Mediante esta ecuacin:

En el punto eutctico coexisten tres fases (P), dos componentes (C), por lo tanto reemplazando, tendremos:

i) Comparacin de los valores tericos con los experimentales:

Primero calcularemos los % de error de las composiciones o fracciones molares tericas con las experimentales desde el tubo 1 hasta el 8, desde su punto de cristalizacin hasta el punto eutctico para cada componente.Para el p-diclorobenceno (B): Tubo 1:

Tubo 2:

Tubo 3:

Tubo 4:

Para el naftaleno (A): Tubo 5:

Tubo 6:

Tubo 7:

Tubo 8:

Porcentaje de Error en el punto eutctico de las fracciones molares de cada componente:Para el p-diclorobenceno (B):

Para el naftaleno (A):

Porcentaje de error de las temperaturas terica y experimental en el punto eutctico:

Porcentaje de error del calor latente de fusin terico y experimental para los componentes puros e los tubos 1 y 8, p-diclorobenceno y naftaleno respectivamente.

P-diclorobenceno (B):

Naftaleno (A):

8. TABLA DE RESULTADOS

TuboXA(exp)XB(exp)XA(te.)XB(te.)Temp. Cristalizacin Exp. (C)Temp. Cristalizacin Te. (C)

10.00001.00000.00950.990552.754.0

20.12110.87890.13120.868846.547.0

30.18680.81320.20050.799542.743.0

40.35530.64470.38190.618131.532.0

50.53450.46550.50790.492150.448.0

60.67220.32780.59470.405358.058.0

70.85120.14830.77860.221471.772.0

81.00000.00000.91640.083680.580.0

Tubo%Error Fraccin Molar%Error Temperatura Cristalizacin

12.407

21.064

30.697

41.562

55.000

60.000

70.416

80.625

TC (Exp.)TC (Te)XA(exp)XB(exp)XA(te.)XB(te.)

Punto Eutctico31.5320.35530.64470.33360.6664

%Error Temperaturas%Error XA%Error XB

Punto Eutctico

Calor Latente Fusin Terico (cal/mol)Calor Latente Fusin Experimental (cal/mol)%Error

Naftaleno (A)

p-diclorobenceno (B)

9. DISCUSION DE RESULTADOSSe observa que en el clculo de las fracciones molares tericas y experimentales hay un porcentaje de error. Esto se debe a que al calcular la fraccin molar experimental se hace uso de las siguientes frmulas

Las cuales dependen de la temperatura que se observa, y por falta de prctica del que realiza el experimento no registra la temperatura adecuada, causando errores en los resultados.

Al realizar el diagrama de fases se determina que el punto eutctico experimental el cual es 31.5 experimentalmente, de manera terica nuestro punto eutctico es 32 teniendo un % de error de 1.562. En este punto coexisten 3 fases en equilibrio: Naftaleno slido, p-diclorobenceno slido y lquido a presin constante.

De las grficas de curva de enfriamiento se obtuvo que de la muestra pura de p-diclorobenceno un descenso de la temperatura hasta que permaneci constante cerca de los 52.7 C lo que indica que en este punto empez la cristalizacin del p-diclorobenceno , esta temperatura permaneci constante entre los 230-250 segundos hasta que cristalizo en su totalidad. Mientras que para la muestra en el tubo dos que es un mezcla se observ que la temperatura se mantuvo constante a 46.5 C entre los 380-410 segundos hasta su cristalizacin total.

Los grados de libertad del punto eutctico, son iguales a cero, lo que indica que este punto, es invariable, es decir que el equilibrio de las tres fases fija a la temperatura del sistema y ninguna variable puede cambiar sin reducir el nmero de fases presentes.

10. CONCLUSIONES

Respecto al diagrama de faces de un sistema binario, en la grfica se observa que estas convergen en un punto llamado punto eutctico, y experimentalmente la temperatura eutctica es de 31.5 C con una composicin de 0.6447 presentando un % de error de 1.562 con respecto a la temperatura, 6.504 % con respecto a Xa y 3.256% con respecto a Xb

Se calcul el calor latente de fusin de los compuestos puros siendo para el naftaleno de 4568.08 cal/mol presentando un % de error de 0.014 y para p-diclorobenceno es de 4359.18 cal/mol con un % de error de 0.137

Se observ un % error promedio en las fracciones molares de 5.613 y en la temperatura de cristalizacin de los diferentes tubos se obtuvo 1.4714 % de error

11. RECOMENDACIONES

Limpiar bien el agitador pequeo debido a que cada vez que comienza a critalizar cada muestra, parte de ella queda impregnada en el agitador pudiendo causar contaminacin a las otras muestras. Agitar constantemente el bao para que no haya un choque trmico por las diferencias de temperatura y de esta manera se mantiene un descenso de temperatura homogneo Observar bien cuando empieza a cristalizar, primero se vuelve turbio y luego cristaliza, tomar la temperatura cuando la muestra se pone turbia. Para el procedimiento de la curva de enfriamiento , tomar la muestra cuyo punto te cristalizacin este ms prximo al terico.

12. CUESTIONARIO

Qu es un diagrama de fases? Cul es su importancia?Los diagramas de fase son representaciones grficas de cuales fases estn presentes en un sistema material en funcin de la temperatura, la presin y la composicin. Son representaciones grficas de las condiciones termodinmicas de equilibrio. El estado de equilibrio de un sistema es aquel en el cual sus propiedades no cambian con el tiempo, a menos que se ejerza una alteracin de la temperatura, la presin o la composicin, o la aplicacin de fuerzas externas de tipo elctrico, magntico, etc. La base de todo el trabajo sobre los diagramas de equilibrio es la regla de fases de Willard Gibbs. El diagrama, tambin conocido como diagrama de fase o diagrama de equilibrio es esencialmente una expresin grfica de la regla de fases y aqu radica su importancia pues la regla de fases es abstracto y el diagrama nos permite analizar y entender mediante una grfica las composiciones y comportamiento que sufre un sistema en relacin a la temperatura y composicin de una mezcla de dos componentesQu entiende usted por un sistema eutctico simple?Un sistema eutctico simple es aquel en donde los componentes son completamente miscibles en la fase liquida, pero en las fases solidas estn integradas por componentes puros. El rea designada por liquido corresponde a una sola fase liquida a presin constante. El tramo AC representa las temperaturas a las que diferentes mezclas liquidas se encuentran en equilibrio entre las mezclas liquidas y B solido y puro.Las dos curvas AC y BC concurren en el punto C, temperatura eutctica, a la cual se encuentran en equilibrio solido A puro, solido B puro y lquido. La mezcla de esta composicin se denomina mezcla eutcticaDado que en C se presentan tres fases coexistentes, se trata de un punto invariable y, si se separa el liquido, la temperatura permanecer constante hasta que haya cristalizado completamente; solo se formara dos fases solidas, y una vez ocurrido esto podr disminuir la temperatura.En un diagrama de punto eutctico simple, explique la aplicacin de la regla de la palancaLa regla de la palanca nos da a conocer la relacin del numero de moles de solucin de composicin b con el numero de moles del solido A es igual a la relacin, entre los segmentos de la lnea ac y ab .

A menor temperatura, mayor es la cantidad relativa del slido para una composicin global Un punto con a representa la solucin de composicin b en equilibrio con el slido de composicin c, esto es A puro.

BIBLIOGRAFIA

[1] [2] [3]

G. P. Muzzo, Regla de Fases de Fisicoquimica.Perrys Chemical Engineers Handbook, 8th Edition Apndicehttp://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica1/gibbs.htm