Diagrama de Fases y Destilación

Diagrama isomorfo (Solubilidad Sólida Completa)

Diagrama de fase de una sustancia pura

Diagrama de

Fases y Destilación Temperaturas de líquidos y de sólidos

Diferentes diagramas de equilibrio

Diagrama de fase binario

Información que podemos obtener de los diagramas de fase

Fases presentes

Indice 2

Editorial

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Diagrama de fase Diferentes diagramas de equilibrio

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Diagrama de fase de una sustancia pura

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Diagrama de fase binario

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Diagrama isomorfo (Solubilidad Sólida Completa)

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Información que podemos obtener de los diagramas de fase Temperaturas de líquidos y de sólidos Fases presentes

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Composición de cada fase Destilación

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Tipos de Destilación

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Editorial

Los Diagrama de fases son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales.

Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición.

Los elementos químicos y las sustancias formadas por ellos salvo algunas excepciones, pueden existir en tres estados diferentes: sólido, líquido y gaseoso en dependencia de las condiciones de presión y temperatura en las que se encuentren y esto se debe básicamente a las fuerzas intermoleculares. El diagrama que representa el tránsito entre estos estados, se conoce como diagrama de fases.

En esta edicion se busca generar un mayor conocimiento acerca de lo que es y representa un diagrama de fases, con la finalidad de resaltar las herramientas y utilidad que se le debe de dar con cada usobasandose en un sistema de materiales.

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Diagrama de fase

En termodinámica y ciencia de materiales se denomina diagrama de fase o diagrama de estados de la materia, a la representación entre diferentes estados de la materia, en función de variables elegidas para facilitar el estudio del mismo.1 Cuando en una de estas representaciones todas las fases corresponden a estados de agregación diferentes se suele denominar diagrama de cambio de estado.

Los diagramas de equilibrio pueden tener diferentes concentraciones de materiales que forma una aleación a distintas temperaturas.

Dichas temperaturas van desde la temperatura por encima de la cual un material está en fase líquida hasta la temperatura ambiente y en que generalmente los materiales están en estado sólido

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Diferentes Diagramas de Equilibrio

Los diagramas de equilibrio más sencillos son los de presión - temperatura de una sustancia pura, como puede ser el del agua. En el eje de ordenadas se coloca la presión y en el de abscisas la temperatura. Generalmente, para una presión y temperatura dadas, el cuerpo presenta una única fase excepto en las siguientes zonas: Punto triple: En este punto del diagrama coexisten los estados sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que representan un invariante y por lo tanto se pueden utilizar para calibrar termómetros.

Dos metales (A, B) a temperaturas superiores a sus respectivos puntos de fusión (TA, TB) se encuentran en estado líquido pudiéndose disolver y conformar así una fase única líquida. Esto quiere decir que no podemos establecer diferencias de comportamiento u observación entre las distintas partes del líquido y que los metales en las proporciones mezcladas tienen la propiedad de miscibilidad. Si la mezcla líquida, XA + XB, la sometemos a un proceso de solidificación, mediante enfriamiento, llegamos a obtener el producto que se denomina aleación de los metales A y B.

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Diagrama de fase de una sustancia pura E

xisten diferentes diagramas según los materiales sean totalmente solubles en estado sólido y líquido o sean miscibles a que sean insolubles. También pueden darse casos particulares. Uno de los diagramas de equilibrio más clásico es el de los aceros que tiene particularidades y donde afecta claramente la concentración y las diferentes cristalizaciones que puede darse en el hierro estando en estado sólido y a diferentes temperaturas.

Los pares (presión, temperatura) que corresponden a una transición de fase entre:

Dos fases sólidas: Cambio alotrópico; - Entre una fase sólida y una fase líquida: fusión - solidificación; - Entre una fase sólida y una fase vapor (gas): sublimación-deposición (o sublimación inversa); - Entre una fase líquida y una fase vapor: vaporización - condensación (o licuefacción).

Es importante señalar que la curva que separa las fases vapor-líquido se detiene en un punto llamado punto crítico (La densidad del líquido y vapor son iguales). Más allá de este punto, la materia se presenta como un fluido supercrítico que tiene propiedades tanto de los líquidos como de los gases. Modificando la presión y temperatura en valores alrededor del punto crítico se producen reacciones que pueden tener interés industrial, como por ejemplo las utilizadas para obtener café descafeinado.

Es preciso anotar que, en el diagrama P-T del agua, la línea que separa los estados líquido y sólido tiene pendiente negativa, lo cual es algo bastante inusual. Esto quiere decir que aumentando la presión el hielo se funde, y también que la fase sólida tiene menor densidad que la fase líquida

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Diagrama de fase Binario

Cuando aparecen varias sustancias, la representación de los cambios de fase puede ser más compleja. Un caso particular, el más sencillo, corresponde a los diagramas de fase binarios.

Ahora las variables a tener en cuenta son la temperatura y la concentración, normalmente en masa.

Hay punto y líneas en estos diagramas importantes para su caracterización: Sólido puro o solución sólida Mezcla de disoluciones sólidas (eutéctica, eutectoide, peritéctica, peritectoide) Mezcla sólido - líquido Únicamente líquido, ya sea mezcla de líquidos inmiscibles (emulsión)o un líquido completamente homogéneo.

Mezcla líquido - gas Gas (lo consideraremos siempre homogéneo, trabajando con pocas variaciones da altitud).

En un diagrama binario pueden aparecer las siguientes regiones: Línea de liquidus, por encima de la cual solo existen fases líquidas.

Línea de solidus, por debajo de la cual solo existen fases sólidas.

Línea eutéctica y eutectoide. Son líneas horizontales (isotermas) en las que tienen lugar transformaciones eutécticas y eutectoides, respectivamente.

Línea de solvus, que indica las temperaturas para las cuales una disolución sólida (α) de A y B deja de ser soluble para transformarse en dos disoluciones sólidas (α) + (β) de distinta composición en A y B. Concentraciones definidas, en las que tienen lugar transformaciones a temperatura constante: Eutéctica Eutectoide Peritéctica Peritectoide Monotéctica Monotectoide Sintéctica Catatéctica

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Diagrama isomorfo (Solubilidad Sólida Completa)

Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.

Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos.

En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada.

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Informaciรณn que podemos obtener de los diagramas de fase C

onocer que fases estรกn presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).

Averiguar la solubilidad, en el estado sรณlido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro.

Determinar la temperatura a la cual una aleaciรณn enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificaciรณn.

Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

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Temperaturas de líquidos y de sólidos

La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidos. Se debe calentar una aleación por encima de líquidos para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidos. La temperatura de sólidos es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidos. Si se utiliza una aleación cobre-níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio permanecerá por debajo de la temperatura de sólidos, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidos y el sólidos. La diferencia de temperatura entre líquidos y sólidos se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha.

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Fases presentes

A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes

Composición de cada fase

Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

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Destilación

La destilación es el proceso de separar las distintas sustancias que componen una mezcla líquida mediante vaporización y condensación selectivas. Dichas sustancias, que pueden ser componentes líquidos, sólidos disueltos en líquidos o gases licuados, se separan aprovechando los diferentes puntos de ebullición de cada una de ellas, ya que el punto de ebullición es una propiedad intensiva de cada sustancia, es decir, no varía en función de la masa o el volumen, aunque sí en función de la presión.

La destilación se utiliza ampliamente en la industria, permitiendo procesos como la obtención de bebidas alcohólicas, refinado del petróleo, obtención de productos petroquímicos de todo tipo y en muchos otros campos. Es uno de los procesos de separación más extendidos

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Tipos de Destilación Destilación simple: Se usa para la separación de líquidos con punto de ebullición inferiores a 150º a presión atmosférica de impurezas no volátiles o de otros líquidos miscibles que presenten un punto de ebullición al menos 25º superior al primero de ellos. Para que la ebullición sea homogénea y no se produzcan proyecciones se introduce en el matraz un trozo de plato poroso.

conforme asciende en la columna.

Destilación fraccionada: Se usa para separar componentes líquidos que difieren de en menos de 25º en su punto de ebullición. Cada uno de los componentes separados se les denomina fracciones. Es un montaje similar a la destilación simple en el que se ha intercalado entre el matraz y la cabeza de destilación una columna que puede ser tener distinto diseño (columna vigreux, de relleno...). Al calentar la mezcla el vapor se va enriqueciendo en el componente más volátil,

Destilación a vacío: Es un montaje muy parecido a los otros proceos de destilación con la salvedad de que el conjunto se conecta a una bomba de vacío o trompa de agua. En lugar de plato poroso se puede adaptar un capilar de vidrio u otro dispositivo semejante que mantenga la ebullición homogénea. Este montaje permite destilar líquidos a temperaturas más bajas que en el caso anterior debido que la presión es menor que la atmosférica con lo que se evita en muchos casos la descomposición térmica de los materiales que se manipulan.

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Destilación azeotrópica En química, la destilación azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un azeótropo es la de la mezcla etanolagua. Usando técnicas normales de destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.

Una vez que se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol/ agua, por lo tanto las destilaciones posteriores son inefectivas. Esto es llamado Alcohol neutro (superior al 93%) puesto que tiene como características ser incoloro, inodoro e insípido. Algunos usos requieren concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para lograr una mayor concentración.

Destilación por arrastre de vapor En la destilación por arrastre de vapor de agua se lleva a cabo la vaporización selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros “no volátiles”. Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua directamente en el interior de la mezcla, denominándose este “vapor de arrastre”, pero en realidad su función no es la de “arrastrar” el componente volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una temperatura de referencia.

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Luis Hernรกndez C.I:23.763.173