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Físico-Química 3°Informe de Laboratorio
INTRODUCCIÓN
El concepto de sistema heterogéneo implica el concepto de fase. Fase estoda porción de un sistema con la misma estructura o arreglo atómico, conaproximadamente la misma composición y propiedades en todo el materialque la constituye y con una interface definida con toda otra fase vecina.Puede tener uno ó varios componentes. Debe diferenciarse del concepto decomponente, que se refiere al tipo de material que puede distinguirse deotro por su naturaleza de sustancia química diferente.
Por ejemplo, una solución es un sistema homogéneo (una sola fase) perosin embargo está constituida por al menos dos componentes. Por otro lado,
una sustancia pura (un solo componente) puede aparecer en dos de susestados físicos en determinadas condiciones y asi identificarse dos fasescon diferente organización atómica y propiedades cada una y con una clarasuperficie de separación entre ellas (interface).
Los equilibrios entre fases pueden corresponder a los más variados tiposde sistemas heterogéneos: un líquido en equilibrio con su vapor, unasolución saturada en equilibrio con el soluto en exceso, dos líquidosparcialmente solubles el uno en el otro, dos sólidos totalmente solubles enequilibrio con su fase fundida, dos sólidos parcialmente solubles enequilibrio con un compuesto formado entre ellos, etc. El objetivo esdescribir completamente el sistema.
El comportamiento de estos sistemas en equilibrio se estudia por mediode gráficos que se conocen como diagramas de fase: se obtienen graficandoen función de variables como presión, temperatura y composición y elsistema en equilibrio queda definido para cada punto (los gráficos decambio de estado físico ó de presión de vapor de una solución de doslíquidos son ejemplos de diagramas de fases).
La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos segúncondiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendoutilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchosaspectos del comportamiento de materiales.
A partir de los diagramas de fase se puede obtener información como:
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Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones ytemperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento ( equilibrio).
Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de unelemento (o compuesto) en otro
Determinar la temperatura en la cual una aleación enfriada bajocondiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a lacual ocurre la solidificación.
Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentesfases.
Los equilibrios de fase y sus respectivos diagramas de fase en sistemasmulticomponentes tienen aplicaciones importantes en química, geología yciencia de los materiales. La ciencia de materiales estudia la estructura,propiedades y aplicaciones de los materiales científicos y tecnológicos.
Como las propiedades de un material dependen del tipo, número,cantidad y forma de las fases presentes, y pueden cambiarse alterandoestas cantidades, es esencial conocer:
Las condiciones bajo las cuales existen estas fases.
Las condiciones bajo las cuales ocurrirá un cambio en la fase.
Se ha acumulado gran información respecto a los cambios de fase, enmuchos sistemas de aleaciones, y la mejor manera de registrar estos casoses por medio de diagramas de fase, o también conocido como diagramas deequilibrio o constitucionales.
Para especificar el estado de equilibrio es necesario especificar 3 variables independientes, que pueden controlarse externamente, que son:temperatura, presión y composición. Si se supone que la presión esconstante con valor atmosférico, entonces nos quedará en el diagramatemperatura y composición. El diagrama es una representación gráfica deun sistema de aleación.
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Idealmente, el diagrama de fase deberá mostrar las relaciones entre lasfases bajo condiciones de equilibrio, o sea, bajo condiciones en las cualesno habrá cambio con el tiempo. Las condiciones de equilibrio pueden seraproximadas por medio de calentamiento y enfriamiento extremadamentelentos, de modo que se tenga tiempo si un cambio de fase está por ocurrir.En la práctica, los cambios de fase tienden a ocurrir a temperaturaligeramente mayores o menores, dependiendo de la rapidez a l que laaleación se calienta o enfría. La rápida variación en la temperatura, quepuede impedir cambios de fase que normalmente ocurrirían bajocondiciones de equilibrios, distorsionará y a veces limitará la aplicación deestos diagramas.
OBJETIVOS
Conocer cómo construir un diagrama de fases.
Obtener las curvas de enfriamiento de cierta mezcla de dos
componentes. Los datos para dichas curvas se obtienen dejando
enfriar lentamente una mezcla fundida de composición conocida
y registrando la temperatura a intervalos regulares.
Reconocer las variables independientes de la ecuación de la
regla de fases (concentración, temperatura y presión).
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El punto eutéctico a través de un sistema invariable.
Trazar el diagrama de equilibrio del sistema Plomo – Estaño a
partir de composiciones diferentes en peso. Se utilizará el
método del análisis térmico.
FUND!"#NTO T#ÓRICO
DIAGRAMA DE FASES
Cambios de estado:
Son los procesos a través de los cuales un estado de la materia cambia a
otro manteniendo una semejanza en su composición. A continuación sedescriben los diferentes cambios de estado o transformaciones de fase dela materia:
Fusión: Es el paso de unsólido al estadolíquido por medio de laenergía térmica; durante este proceso isotérmico (proceso queabsorbe energía para llevarse a cabo este cambio) hay un punto en
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que latemperatura permanece constante. El "punto de fusión" es latemperatura a la cual el sólido se funde, por lo que su valor esparticular para cada sustancia. Cuando dichas moléculas semoverán en una forma independiente, transformándose en unlíquido.
Solidificación: Es el paso de unlíquido asólido por medio delenfriamiento; el proceso esexotérmico. El "punto de solidificación" ode congelación es la temperatura a la cual el líquido se solidifica ypermanece constante durante el cambio, y coincide con el punto defusión si se realiza de forma lenta (reversible); su valor es tambiénespecífico.
Vaporización: Es elproceso físico en el que unlíquido pasa a estadogaseoso. Si se realiza cuando la temperatura de la totalidad dellíquido iguala alpunto de ebullición del líquido a esa presión alcontinuar calentando el líquido, éste absorbe el calor, pero sinaumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversión delagua en estado líquido en agua en estado gaseoso, hasta que latotalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es
posible aumentar latemperatura del gas.La evaporación se produce a cualquier temperatura, aunque esmayor cuanta más alta es la temperatura. Es importante eindispensable en la vida cuando se trata del agua, que se transformaen vapor de agua y al condensarse ennube, volviendo en forma delluvia, nieve, niebla o rocío.
Cuando existe un espacio libre encima de un líquido caliente, unaparte de sus moléculas está en forma gaseosa, al equilibrase, lacantidad de materia gaseosa define la presión de vapor saturante, lacual no depende de la temperatura.
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• Condensación: Se denominacondensación al cambio de estado dela materia que se encuentra en forma gaseosa a forma líquida. Es elproceso inverso a la vaporización. Si se produce un paso de estadogaseoso a estado sólido de manera directa, el proceso es llamadosublimación inversa. Si se produce un paso del estado líquido asólido se denominasolidificación.
• Sublimación: es el proceso que consiste en el cambio de estado de lamateria sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Alproceso inverso se le denominaSublimación inversa; es decir, elpaso directo del estado gaseoso al estado sólido. Un ejemplo clásicode sustancia capaz de sublimarse es elhielo seco.
Es importante hacer notar que entodas las transformaciones de fase delas sustancias es de que éstas no setransforman en otras sustancias nisus propiedades, solo cambia suestado físico.
Las diferentes transformaciones defase de la materia en este caso las delagua son necesarias y provechosaspara la vida y el sustento del hombrecuando se desarrollan normalmente.
Los cambios de estado están divididos generalmente en dos tipos:progresivos y regresivos.
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Cambios progresivos: Vaporización, fusión y sublimación progresiva.Cambios regresivos: Condensación, solidificación y sublimación regresiva.
Transición de fases:
En termodinámica, una transición de fase es la transformación de unsistema termodinámico de una fase a otra. Un ejemplo son los cambios deestado (transiciones entre los estados de agregación de la materia), aunqueel concepto también se refiere a cualquier otra transformación entre fases.
Algunos ejemplos de transición de fases
Cambios de estado: Transiciones entre losestados de agregación de
la materia:sólido,líquido,gas yplasma, en unasustancia.
Una transformacióneutéctica, en la que los dos componentes de lamezcla cambian de estado de agregación.
La transición entre las fasesferromagnética yparamagnética.
La aparición desuperconductividad en algunos metales, por debajode la temperatura crítica.
La transición entre algunas estructuras moleculares, o entrealgunasestructuras cristalográficas.
Lacondensación de Bose-Einstein.
En los primeros instantes del universo, ruptura de simetrías en lasleyes físicas conforme se enfría el universo:
• Ruptura de lagran unificación.
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• Separaciónfuerza débil-fuerza electromagnética.
En el universo primitivo:
• Desacople de losneutrinos.
• Nucleosíntesis
• Desacopleradiación-materia
Los sistemas termodinámicos están caracterizados, entre otrosparámetros, por unparámetro de orden. Este parámetro de orden dependede varios factores. Por ejemplo, por regla general, aumenta (sistema másordenado) según desciende latemperatura. Esta dependencia es debida aque lasfuerzas de cohesión prevalecen sobre elmovimiento térmico, según
disminuye éste.
En el equilibrio cada fase tiene unaspropiedades termodinámicas definidas,como el parámetro de orden. En lacoexistencia, las fases puedenintercambiarenergía ymateria, por loque en el equilibrio los potencialesquímicos μ de las diferentes fases soniguales. Por lo tanto, en una transición
de fase deben cambiar continuamentetanto elpotencial de Gibbs G, como μ.
Las transiciones de fase ocurrencuando la energía libre de un sistema noes una función analítica, en relación a algunas variables termodinámicas.Esto sucede en sistemas con un gran número de partículas.
Los elementos químicos y las sustancias formadas por ellos salvoalgunas excepciones, pueden existir en tres estados diferentes: sólido,
líquido y gaseoso en dependencia de las condiciones de presión ytemperatura en las que se encuentren y esto se debe básicamente a lasfuerzas intermoleculares. El diagrama que representa el tránsito entreestos estados, se conoce como diagrama de fases.
En el dibujo se representa el diagrama de fases de una sustancia.
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En los ejes están representados los valores de presión y temperatura y lastres curvas AB, BD y BC, la fronteraentre los diferentes estados.
Si el punto de presión y temperaturaen que está la sustancia cae en algunade las áreas señaladas como sólido,líquido o gas, ese será su estado paraesas condiciones. Veamos:
Si consideramos que la presión a que está la sustancia es P, entoncespara temperaturas menores que T1 será sólida, para temperaturas entre T1
y T2 será líquida y por encima de T2 gaseosa. Si este punto coincide conalguna se las curvas, coexistirán en equilibrio ambos estados, así si estásobre AB la sustancias será parcialmente sólida y parcialmente gaseosa,si es sobre BD será parcialmente líquida y parcialmente sólida y sobre BClo mismo entre los estados líquido y gaseoso.
La ebullición y la congelación son ejemplos de cambios de fase queocurren sin ningún cambio en la composición, es decir la tendencia delsistema a temperatura y presión constantes a desplazarse hacia valoresmenores de la función de Gibbs de un sistema es la misma que el potencialquímico, de forma que la tendencia de cambio es en la dirección de la
disminución del potencial químico, esto es, estas formas alternas deexpresar la dirección se originan todas en la tendencia del universo a undesorden mayor, por lo que la entropía del mismo aumenta. La función deGibbs y el potencial químico no son otra cosa que la entropía totalencubierta. De aquí la importancia del potencial químico como función dela temperatura, la presión y la concentración, y que es la propiedad en laque se basan casi todas las aplicaciones más importantes de latermodinámica a la química. Por lo tanto determinar los puntos deequilibrio para un sistema puro nos permite conocer su comportamientoen el estado puro y detectar fácilmente si un sistema está conformando
una solución debido a la aparición de variaciones de sus propiedadesfísicas respecto al estado puro.
Puntos de equilibrio:
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Punto triple:
En este punto en la sustancia coexisten en equilibrio los tres estados, estáparcialmente solida, parcialmente líquida y parcialmente gaseosa.Obsérvese que para valores de presión o temperatura mas bajas que el
punto triple la sustancia en cuestión no puede existir en estado líquido ysolo puede pasar desde sólido a gaseoso en un proceso conocido comosublimación.
Punto crítico:
El punto C indica el valor máximo de temperatura en el que puedencoexistir en equilibrio dos fases, y se denomina PuntoCrítico. Representa latemperatura máxima a la cual se puede licuar el gas simplementeaumentando la presión. Gases a temperaturas por encima de latemperatura del punto crítico no pueden ser licuados por mucho que seaumente la presión. En otras palabras, por encima del punto crítico, lasustancia solo puede existir como gas.
Punto de ebullición:
El punto de ebullición de una sustancia, es aquel valor de temperaturapara el cual coexisten en equilibrio, los estados líquido y gaseoso adeterminada presión. Los diferentes puntos de ebullición para las
diferentes presiones corresponderían a la curva BC.
Punto de fusión
El punto de fusión de una sustancia, es aquel valor de temperatura para elcual coexisten en equilibrio, los estados líquido y sólido a determinadapresión. Los diferentes puntos de fusión para las diferentes presionescorresponderían a la curva BD.
Diagrama de fase:
Un diagrama de fase es un esquema que muestra las fases y suscomposiciones en cada temperatura y composición de la aleación. Cuandoen la aleación sólo están presentes dos elementos se puede elaborar undiagrama de fases binario.
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Cada fase tiene una composición expresada en porcentajes de cada unode los elementos, expresado en peso.
La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidos para lasdistintas aleaciones. Esto significa que la aleación debe calentarse por
encima de la temperatura acotada por líquidos para hacerlacompletamente líquida y que empezará a solidificarse cuando se la enfríehasta la temperatura marcada por líquidos.
La temperatura del sólido es generalmente la curva inferior. Unaaleación no estará totalmente sólida sino hasta que se enfríe por debajo dela temperatura de sólidos.
La diferencia de temperatura entre líquidos y sólidos se denomina rangode solidificación. Dentro de este rango coexistirán dos fases: una líquida y
otra sólida.
El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases estánpresentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso defabricación para un producto metálico.
Varias combinaciones de dos elementos producen diagramas de fasecomplejos que contienen reacciones que implican tres fasesindependientes. Existen cinco reacciones de tres fases de mayorimportancia en los diagramas binarios y son: eutéctica, peritéctica,
monotéctica, eutectoide y peritectoide.
DIAGRAMA DE FASE DE UNA SUSTANCIA PURA
Los diagramas de fase más sencillos son los depresión -temperatura de
una sustancia pura, como puede ser el delagua. En el eje de ordenadas secoloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, parauna presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única faseexcepto en las siguientes zonas:
• Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estadossólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que
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representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar paracalibrar termómetros.
• Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transiciónde fase entre:
o Dos fases sólidas: Cambio alotrópico.
o Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión –solidificación.
o Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación -deposición (o sublimación inversa).
o Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización -
condensación (o licuefacción).
Es importante señalar que lacurva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un puntollamadopunto crítico. Más alláde este punto, la materia sepresenta como un fluidosupercrítico que tienepropiedades tanto de los líquidos
como de los gases. Modificandola presión y temperatura en valores alrededor del puntocrítico se producen reaccionesque pueden tener interésindustrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado.
Es preciso anotar que, en el diagrama P-T del agua, la línea que separalos estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presión el hielo sefunde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la faselíquida.
Diagrama de fase binario:
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Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios defase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo,corresponde a los diagramas de fase binarios. Ahora las variables a teneren cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones:
• Sólido puro o disolución sólida
• Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica,peritectoide)
• Mezcla sólido - líquido
• Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles(emulsión), ya sea un líquido completamente homogéneo.
• Mezcla líquido - gas
• Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).
Existen puntos y líneas importantes en estos diagramas para sucaracterización:
• Línea de líquidos, por encima de la cual solo existen fases líquidas.
• Línea de sólidos, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.
• Líneaeutéctica yeutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) enlas que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides,respectivamente.
• Línea de solvente, que indica las temperaturas para las cuales unadisolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarseen (α)+ sustancia pura (A ó B).
• Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformacionesa temperatura constante:
o Eutéctica
o Eutectoide
o Peritéctica
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o Peritectoide
o Monotéctica
o Monotectoide
o Sintéctica
o Catatéctica
Diagrama de fases de los metales:
Aunque en la actualidad se están descubriendo nuevos materialescerámicos y plásticos que en algunas aplicaciones industriales sustrituyen
ventajosamente a los metales están muy lejos de sustituirlos plenamente.El principal inconveniente del,uso de los metales esta en el agotamiento delos yacimientos mineros, nuevas necesidades industriales y la oxidacionpor corrosión de los mismos por parte de ciertos agentes químicos yatmosféricos. Desde el,punto de viosta de su uso podemos clasificar losmetales en puros y aleaciones.
Aleación:
Es todo producto que resulte de la unión de dos o mas elementosquímicos, uno de los cuales ha de tener carácter metalico. Para que launión de estos elementos se considere aleación tienen que cumplirse dodcondiciones:
1.Que los elementos componentes sean totalmente miscibles enestgadoliquido.
2.Que el producto resulante tenga mayoría de enlaces metálicos.
Las aleaciones mejoran notablemente las propiedades mecánicas de losmetales puros como pueden ser tenacidad, dureza, resistencia a laoxidación, etc.
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Aleaciones eutécticas:
Un sistema eutéctico es aquel en el cual cierta combinación de los
componentes presenta completa solubilidad en estado líquido, perosolubilidad sólida limitada, lo que significa que cuando una aleacióneutéctica solidifica, los átomos de los metales componentes se segreganpara formar regiones de los metales originales casi puros.
Las aleaciones eutécticas son frágiles por que la presencia de las fasesinsolubles inhibe el deslizamiento. La resistencia y a veces la dureza de
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estas aleaciones llegan a sobrepasar las de los metales componentes,debido a la estructura compuesta de la aleación.
Aparte, se denomina aleaciones hipoeutécticas a aquellas que cuyacomposición es menor que la correspondiente a las eutécticas , así como
aquellas cuyo contenido es mayor son llamadas hipereutécticas.
Comportamiento óptico de los metales:
El fenómeno de emisión conocido
como luminiscencia no ocurre en losmetales. Los electrones simplemente sonexcitados para pasar a nivelessuperiores de energía de la banda de valencia no totalmente ocupada y,cuando el electrón excitado regresa alnivel inferior de energía, el fotónproducido tiene una energía muypequeña y una longitud de onda superior a la de nuestro espectro de luz visible.
En cuanto a reflectividad, en los metales es típicamente del orden de 0.9a 0.95. Esta alta reflectividad es una de las razones por las cuales sonopacos, es decir, que no transite la luz.
En los metales, el coeficiente de absorción tiende a ser grande,particularmente en el espectro de luz visible. Dado que en los metales no
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Microestructura del eutéctico de la aleación
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hay brecha de energía, cualquier fotón tiene la potencia suficiente comopara excitar un electrón para ocupar un nivel superior de energía,absorbiendo la del fotón excitado.
#QUI$O % "!T#RI!L#&
1 horno de laboratorio a gas.
1 crisol de grafito, carburo de silicio o porcelana de 50ml de capacidad.
1 termómetro de -10 ºC a 420 ºC.
1 pinza para suetar el crisol ! cronometro.
"lomo ! esta#o puros.
1 mechero de gas.
1 bagueta.
1 soporte uni$ersal con una pinza para suetar el termómetro.
1 lingotera.
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$ROC#DI"I#NTO
1) Prepararemos la aleación de plomo (Pb) y estaño (Sn), los cuales soncompletamente solubles uno en otro en estado líquido.
2) Las diversas aleaciones por preparar son de 50 g de masa. Por lo que encada caso pesaremos con una balanza ciertos porcentajes de cadaelemento hasta sumar el total necesario.
3) Con el soporte universal, las pinzas, el horno y el mechero montamos laestructura necesaria.
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4) Colocamos cada muestra en el crisol, luego de montado en el horno,introducimos el termómetro dentro del crisol, sostenido por una pinza,de tal manera que solo la punta metálica del termómetro pueda chocarcon la aleación.
5) Encienda el mechero y agite con la bagueta el contenido. Latemperatura debe estar por lo menos 30 ºC por encima de su punto defusión.
6) Una vez alcanzada la temperatura adecuada, apagar el mechero, enfriarla aleación dentro del horno anotando la temperatura a intervalos de 5segundos.
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7) Calentamos una vez más hasta lograr retirar el termómetro y conseguiruna solución líquida.
8) Al terminar de tomar los datos correspondientes, sacamos el crisol conmucho cuidado y vertimos la aleación a una lingotera procurandohacerlo de manera cuidadosa, de esta manera al enfriarse la aleaciónPb-Sn toma la forma de la lingotera.
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9) Repetir de igual forma para distintas composiciones de la aleación Pb-Sn y anotar todos los resultados.
C'LCULO % R#&ULT!DO&
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CU#&TION!RIO
1.- Adjuntar los datos de los diferentes grupos de trabajo (temperatura vs. Tiempo).
RPTA:
Esta pregunta ha sido contestada en el desarrollo de la parte de“CÁLCULOS y RESULTADOS” del presente informe.
2.- Graficar temperatura vs tiempo de todos los grupos indicando loscambios.
RPTA:
Esta pregunta ha sido contestada en el desarrollo de la parte de“CÁLCULOS y RESULTADOS” del presente informe.
3.- Graficar el diagrama de fase del Pb - Sn experimental y compararlocon el teórico.
RPTA:
Diagrama Pb-Sn teórico:
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4.- Aplicaciones del Pb, Sn y aleaciones.
RPTA:
PLOMO
El plomo se emplea en grandes cantidades en la fabricación de baterías y en el revestimiento de cables eléctricos. También se utiliza
industrialmente en las redes de tuberías, tanques y aparatos de rayos X.Debido a su elevada densidad y propiedades nucleares, se usa como blindaje protector de materiales radiactivos. Entre las numerosasaleaciones de plomo se encuentran las soldaduras, el metal tipográfico ydiversos cojinetes metálicos. Una gran parte del plomo se emplea en formade compuestos, sobre todo en pinturas y pigmentos.
Su utilización comocubierta paracables, ya sea la deteléfono,detelevisión, deinternet o deelectricidad, sigue siendo una forma deempleo adecuada. Laductilidad única del plomo lo hace particularmenteapropiado para esta aplicación, porque puede estirarse para formar unforro continuo alrededor de los conductores internos.
El uso del plomo enpigmentos sintéticos o artificiales ha sido muyimportante, pero está decreciendo en volumen. Lospigmentos que seutilizan con más frecuencia y en los que interviene este elemento son:
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• El blanco de plomo (conocido también como albayalde)2PbCO3.Pb(OH)2
• Sulfato básico de plomo
• El Tetróxido de plomo también conocido como minio.
• cromatos de plomo.
• El silicatoeno de plomo (más conocido en la industria de los aceros blandos)
Se utilizan una gran variedad de compuestos de plomo, comolossilicatos, loscarbonatos y sales deácidos orgánicos,comoestabilizadores contra el calor y la luz para los plásticos decloruro
de polivinilo. Se usan silicatos de plomo para la fabricación de frituras(esmaltes) de vidrio y decerámica, las que resultan útiles para introducirplomo en los acabados del vidrio y de lacerámica. Laazida de plomo,Pb(N3)2, es eldetonador estándar para losexplosivos plásticos como elC-4 u otros tipos de explosivos H.E. (Highly Explosive). Losarseniatos deplomo se emplean en grandes cantidades comoinsecticidas para laprotección de los cultivos y para ahuyentarinsectos molestos como losoncucarachas,mosquitos y otros animales que posean unexoesqueleto.Ellitargirio (óxido de plomo) se emplea mucho para mejorar laspropiedades magnéticas de losimanes decerámicade ferrita de bario.
Asimismo, una mezcla calcinada dezirconato de plomo y detitanato deplomo, conocida comoPETE, está ampliando su mercado como unmaterialpiezoeléctrico.
ESTAÑO
El estaño se puede emplear puro en forma de papel para la envoltura y
conservación de productos alimenticios, también se emplea en la industriaeléctrica para hacer láminas de condensadores. Asimismo se utiliza paraproteger contra el óxido la chapa de hierro (hojalata) con que seconstruyen recipientes y latería para envase de productos.
Otro aspecto de las aplicaciones del estaño es su aleación con otrosmetales, principalmente con cobre (en bronces), con plomo para obtener
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aleaciones de soldadura blanda y con antimonio y cobre o antimonio yplomo para formar materiales antifricción utilizados en cojinetes.
Es unmetal plateado, maleable, que no seoxida fácilmente y esresistente a lacorrosión. Se encuentra en muchasaleaciones y se usa para
recubrir otros metales protegiéndolos de la corrosión. Una de suscaracterísticas más llamativas es que bajo determinadas condiciones formalapeste del estaño. Al doblar una barra de este metal se produce unsonido característico llamado grito del estaño, producido por la fricción delos cristales que la componen.
El estaño puro tiene dos variantes alotrópicas: El estaño gris, polvo nometálico,semiconductor, de estructura cúbica y estable a temperaturasinferiores a 13,2 °C, que es muy frágil y tiene un peso específico más bajoque el blanco. El estaño blanco, el normal, metálico,conductor eléctrico,de estructura tetragonal y estable a temperaturas por encima de 13,2 °C.
Se usa como revestimiento protector delcobre, delhierro y de diversosmetales usados en la fabricación de latas de conserva. También se usapara disminuir la fragilidad del vidrio.
Los compuestos de estaño se usan para fungicidas, tintes, dentífricos(SnF2) y pigmentos.
Se usa para hacer bronce,aleación de estaño ycobre. En etiquetas y en
recubrimiento de acero. Se usa para lasoldadura blanda, aleadoconplomo para fabricar la lámina de los tubos de losórganos musicales.
Se usa comomaterial de aporte ensoldadura blanda concautín, bienpuro o aleado. La directivaRoHS prohíbe el uso de plomo en la soldadurade determinados aparatos eléctricos y electrónicos.
El estaño también se utiliza en la industria de la cerámica para lafabricación de los esmaltes cerámicos. Su función es la siguiente: en baja yen alta es un opacificante. En alta la proporción del porcentaje es más alto
que en baja temperatura.
Es usado también en el sobretaponado de botellas de vino, en forma decápsula. Su uso se extendió tras la prohibición del uso del plomo en laindustria alimenticia. España es uno de los mayores fabricantes decápsulas de estaño.
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ALEACIÓN Pb-Sn
Baño de Estaño/Plomo Mate LA.
El Baño de aleación Estaño/Plomo Mate LA se aplica en circuitosimpresos y otros componentes electrónicos. Este baño, con ácidofluobórico, deposita capas finas y cristalinas con un 60% aprox. de estañoen la aleación, que puede variar dependiendo de la composición del baño.
Hay dos variantes en la formación del baño. El método común permiteuna densidad de corriente de 1 - 3 A/dm2, mientras que la formación con
una concentración reducida de metales proporciona densidades de hasta1,2 A/dm2, con la ventaja de menores pérdidas por arrastre.
El trabajo del electrolito es muy económico. Los aditivos orgánicos seconsumen solamente por arrastre. Todos los aditivos pueden determinarseanalíticamente.
Incluso después de un periodo de almacenamiento prolongado, losrecubrimientos tienen un excelente reflujo y soldabilidad, tanto en plantasque trabajan con aceite como con infrarrojos.
Baño de Estaño/Plomo SLOTOLET G 40-1.
El Baño de aleación estaño/plomo SLOTOLET G 40-1 es un electrolitoexento de fluoruros y formaldehído, para la deposición de revestimientostotalmente brillantes de aleación estaño/plomo, conteniendo hasta un 40%de plomo. Los depósitos proporcionan soldabilidad incluso después de unatermocuración a 155 ºC durante 16 horas. El baño se puede utilizar tanto
en bastidor como en tambor. Se usa fundamentalmente en la fabricaciónde componentes eléctricos y en electrónica.
Los aditivos de este proceso no contienen alquilfenoletoxilatos (etoxilatosde nonilfenol).
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5.- Otros métodos experimentales para construir un diagrama de
fases.
RPTA:
A continuación presentamos algunos métodos usados para laelaboración de diagramas de fases:
Análisis Térmico:
Este es el método más usado, cuando se hace un diagrama detemperatura contra tiempo, a composición constante, la curva mostrará uncambio de pendiente cuando ocurre un cambio de fase. Este métodoparece ser mejor para determinar la temperatura de solidificación inicial yfinal.
Métodos Metalográficos:
Éstos consisten en calentar muestras de una aleación a diferentestemperaturas, esperando que el equilibrio se establezca y entonces seenfrían rápidamente para retener su estructura de alta temperatura.Entonces las muestras se analizan al microscopio.
Es complicado aplicar este método a metales a altas temperaturas, yaque las muestras enfriadas rápidamente no siempre retienen su estructura
de alta temperatura.
Difracción de Rayos X:
Este método mide las dimensiones de la red, indicada la aparición deuna nueva fase, ya sea por el cambio en las dimensiones de la red o por laaparición de una nueva estructura cristalina.
6.- Descripción de los diagramas de fases.
RPTA:
FLORO… ?
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7.- Observaciones y conclusiones.
RPTA:
Esta pregunta ha sido contestada en las partes “OBSERVACIONES
y RECOMENDACIONES” y “CONCLUSIONES” del presente informe.
!$LIC!CIÓN a (a #&$#CI!LID!D
El Grupo de Magnetismo de la U.C. descubre una modificación de
propiedades térmicas en nanometales producidos a gran escala.
Investigadores delGrupo de Magnetismo de laUniversidad de Cantabriahan descubierto un nuevo método que permite modificar elcomportamiento térmico de metales tan utilizados como el hierro y el cobrecuando son preparados en partículas de tamaño nanométrico (1nanómetro =10-9 metros). Este resultado acaba de ser publicado por laprestigiosarevistaespecializada “Nanotechnology”, editada por el Instituteof Physics de Londres y una de las de mayor impacto en su área. Adiferencia de otras estructuras nanométricas, el sistema de fabricaciónutilizado en laUC permite la implementación industrial para la producciónde los metales a gran escala.
La mayoría de las nanoestructuras se obtiene con técnicas muysofisticadas y costosas o por procedimientos químicos que ofrecen pocaproductividad. En este caso se utiliza un método sencillo, de bajo coste yfácilmente re-escalable: la molienda mecánica. Aunque este sistema se
utiliza desde hace décadas, la novedad científico-tecnológica es observarque ciertas propiedades térmicas de metales nanocristalinos, asociadas alas vibraciones de los átomos, se pueden modificar cuando se varía eltamaño de las partículas metálicas en el momento de su producción,apareciendo nuevas contribuciones que hasta ahora no se habíandetectado.
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Menos de un mes ha tardado la prestigiosarevista británica en aceptarla publicación del artículo “Phononsofteningonthespecificheat ofnanocrystallinemetals”, lo que demuestra el interés del estudio. Se tratauna contribución en nanociencia-nanotecnología íntegramente realizadaen los laboratorios de laUC, confirmando así las posibilidades de realizar,en este campo, una investigación aplicada con implicaciones tecnológicas anivel internacional.
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RECOMENDACIONESDe los resultados obtenidos en las gráficas de las curvas de enfriamientoen algunas aleaciones no se pudo encontrar fácilmente los puntos querepresenta la temperatura en los cuales las diversas composicionesempiezan a congelar, es decir la línea de liquidus. Esto se debió a la malaestabilización de la temperatura en el proceso de aleación es por esorecomendable lograr una buena estabilización de la temperatura para que
así el enfriamiento del sistema nos arroje buenos resultados.
Es recomendable tener la mayor cantidad de curvas de enfriamiento, paraque se asemeje más al diagrama de fases teórico.
Calentar la lingotera antes de echar la solución, porque de lo contrariochispeará debido a la humedad del medio ambiente.
Es recomendable pesar la muestra después de efectuada la aleación y larespectiva solidificación pues los metales utilizados en el experimento no
son del todo puros y a la hora de enfriarlos además de la aleación seobtiene escoria.
OBSERVACIONES
Es importante seleccionar un periodo de tiempo que se eficiente, la cualnos permita obtener una análisis térmico optimo, de tal manera quenuestras curvas de enfriamiento experimentales se acerquen mas a unacurva de enfriamiento teórico.
En el presente experimento realizado en el laboratorio, uno de los gruposde trabajo, al sacar el crisol y verter la aleación dentro del molde, el crisolestalló, esto se explica pues debido al mal calentamiento del lingote (molde)pues se produjo un violento cambio de temperatura del crisol por lo queestalló.
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El procedimiento que se utilizó para establecer los diagramas de fase sellama análisis térmico.
RECOMENDACIONES
Introducir el termómetro dentro del crisol de modo que solo la puntametálica del termómetro pueda chocar con la aleación fundida.
Encender el horno hasta que la aleación este por lo menos 30°C porencima de su punto de fusión, agitando el baño con la bagueta.
No introducir el termómetro en la aleación si esta está a más de 420°Cpues el termómetro podría estallar. Por lo cual es recomendable esperar
un momento hasta que la aleación se enfríe hasta por debajo de dichatemperatura.
Calentar la lingotera antes de verter la aleación Pb-Sn pues estas seencontrará a alta temperatura.
Tomar el crisol con la pinza con mucho cuidado y manteniéndolo a ciertadistancia del rostro ya que podría estallar debido al cambio de temperatura y podría dañar la vista.
OBSERVACIONES Al realizar el experimento hay que tener mucho cuidado al sobre pasarse latemperatura que resiste el termómetro porque de lo contrario puedeocurrir un accidente con dicho instrumento.
En este caso el punto de fusión que utilizamos fue a una temperatura de290°C luego se procedió a dejar enfriar la aleación a una temperatura de80°C aproximadamente.
Para obtener la aleación en la forma cónica se procede de manera muyrápida en la vertida de dicha aleación sobre el liquido que en este caso seutilizo agua de caño.
RECOMENDACIONES
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De los resultados obtenidos en las gráficas de las curvas de enfriamientoen algunas aleaciones no se pudo encontrar fácilmente los puntos querepresenta la temperatura en los cuales las diversas composicionesempiezan a congelar, es decir la línea de liquidus. Esto se debió a la malaestabilización de la temperatura en el proceso de aleación es por esorecomendable lograr una buena estabilización de la temperatura para queasí el enfriamiento del sistema nos arroje buenos resultados.
Es recomendable tener la mayor cantidad de curvas de enfriamiento, paraque se asemeje más al diagrama de fases teórico.
Calentar la lingotera antes de echar la solución, porque de lo contrariochispeará debido a la humedad del medio ambiente.
Es recomendable pesar la muestra después de efectuada la aleación y larespectiva solidificación pues los metales utilizados en el experimento noson del todo puros y a la hora de enfriarlos además de la aleación seobtiene escoria.
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
Se observa una diferencia entre el punto eutéctico experimental con elteórico, se debe a que los metales empleados tienen impurezas, y pordescuido del operador que no toma los datos en su debido tiempo.
El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra comouna placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagramaexperimental observamos que la línea de liquidas está por debajo de lateórica y que la línea de solidas no es exactamente una recta.
El diagrama de fase representa un caso teórico y en la práctica se utilizapara estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades decalentamiento o enfriamiento.
Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio pararepresentar las fases más estables de una aleación. En esta discusión seconsideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura yla composición son variables.
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Las curvas de enfriamiento del sistema Pb-Sn presentan las siguientesformas generales:
• Solidificación a temperatura constante.
• Cristalización a temperatura no constante sin pasar por las líneassolubles.
• Cristalización a temperatura no constante pasando por las líneassolubles.
7.- Observaciones y Conclusiones
Se observa una diferencia entre el punto eutéctico experimental con elteórico, se debe a que los metales empleados tienen impurezas, y pordescuido del operador que no toma los datos en su debido tiempo.
El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra comouna placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagramaexperimental observamos que la línea de liquidus está por debajo de lateórica y que la línea de solidus no es exactamente una recta.
El diagrama de fase representa un caso teórico y en la práctica se utilizapara estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades de
calentamiento o enfriamiento.
Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio pararepresentar las fases más estables de una aleación. En esta discusión seconsideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura yla composición son variables.
Las curvas de enfriamiento del sistema Pb-Sn presentan las siguientesformas generales:
Solidificación a temperatura constante.Cristalización a temperatura no constante sin pasar por las líneas solvus.Cristalización a temperatura no constante pasando por la línea solvus.CONCLUSIONES:
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Se observa una diferencia entre el punto eutéctico experimental con elteórico, se debe a que los metales empleados tienen impurezas, y pordescuido del operador que no toma los datos en su debido tiempo.
Nótese que sobre un amplio intervalo de composiciones, una porción de lacurva de enfriamiento que muestra el final de la solidificación se presentaa una temperatura fija. Esta línea horizontal más baja es TE, se conocecomo temperatura eutéctica.
El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra comouna placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagramaexperimental observamos que la línea de liquidus está por debajo de lateórica y que la línea de solidus no es exactamente una recta.
Este sistema es la base de las aleaciones más usadas para la soldadura.
El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir los estados queen unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. De acuerdoa esto los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refiere alas condiciones de equilibrio.
Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio para
representar las fases más estables de una aleación. En esta discusión seconsideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura yla composición son variables.
CONCLUSIONES
El diagrama de fases muestra los estados estables, es decir los estados queen unas condiciones dadas poseen el mínimo de energía libre. De acuerdoa esto los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refiere alas condiciones de equilibrio.
El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra comouna placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagramaexperimental observamos que la línea de liquidus está por debajo de lateórica y que la línea de solidus no es exactamente una recta.
El diagrama de fase representa un caso teórico y en la práctica se utilizapara estudiar las transformaciones a pequeñas velocidades decalentamiento o enfriamiento.
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Los diagramas de fases constituyen un conveniente y conciso medio pararepresentar las fases más estables de una aleación. En esta discusión seconsideran los diagramas de fases binarios en los cuales la temperatura yla composición son variables.
El diagrama de fases es muy útil cuando se desea saber que fases estánpresentes a cierta temperatura, en el momento de diseñar un proceso defabricación para un producto metálico.
L a regla de fases da la dependencia cuantitativa entre el grado de libertaddel sistema y el número de fase y componentes
CONCLUSIONES
Se observa una diferencia entre el punto eutéctico experimental con elteórico, se debe a que los metales empleados tienen impurezas, y pordescuido del operador que no toma los datos en su debido tiempo.
Nótese que sobre un amplio intervalo de composiciones, una porción de lacurva de enfriamiento que muestra el final de la solidificación se presentaa una temperatura fija. Esta línea horizontal más baja es TE, se conocecomo temperatura eutectica.
El diagrama de fase obtenido de la aleación binaria Pb Sn se muestra comouna placa superpuesta sobre el diagrama teórico. En el diagramaexperimental observamos que la línea de liquidus está por debajo de lateórica y que la línea de solidus no es exactamente una recta.
Este sistema es la base de las aleaciones más usadas para la soldadura.
)I)LIO*R!F+!
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• Físico-Química. Segunda Edición. Gastón Pons Muso.
• Físico-Química. Segunda Edición. Gilbert W. Castellan; Addison Wesley
Longman.
• Físico-Química. Segunda Edición. Levine,Mc Gaw-Hill.
• Química Analítica Aplicada. Sexta Edición. Tahúr I.; U. Volgel.
• Ciencia Abierta. Volumen 23. Artículo 01: Diagrama de Fases para dos ytres componentes.
• Introducción a la Metalurgia Física. Sydney H. Avner.
• The Elements of Phisical Chemistry. P.W. Akins, Oxford University Press(1995).
• Moderd Physical Chemistry. G.F. Liptrot, J., J. Thompson, G.R. Walker. Belland Hyman Limited, London (1982).
• http://www.juntadeandalucia.es/averroes/ies_sierra_magina/d_tecnologia/LIBRO/pdf/diagrpri.pdf
• http://www.emagister.com/curso-introduccion-ciencia
materiales/diagramas-fase-comportamiento-optico-metales
