Soluciones solidas - aleaciones

1. FISICOQUIMICA II QU-343
CAPITULO II
M.Q. HERNAN P. QUISPE MISAICO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN
CRISTOBAL DE HUAMANGA

2. NECESIDAD DE CONOCER SU COMPORTAMIENTONECESIDAD DE CONOCER SU COMPORTAMIENTO
Termodinámica de mezclasTermodinámica de mezclas
MEZCLAS
PROCESOS INDUSTRIALES
Transferencia de materia entre fases
Equilibrio (P,T, xi, yi)
Diseño / Optimización
Balances de energía/exergía
PROCESOS INDUSTRIALES
Transferencia de materia entre fases
Equilibrio (P,T, xi, yi)
Diseño / Optimización
Balances de energía/exergía
DATOS EXPERIMENTALESDATOS EXPERIMENTALES
APLICACIÓN DIRECTA MODELADO de propiedades
de mezclas no estudiadas
MEZCLAS

3. ESQUEMA DE UNA PLANTA QUÍMICA
MATERIAS
PRIMAS
ETAPA DE
PURIFICACIÓN
ETAPA DE
REACCIÓN
ETAPA DE
PREPARACIÓN
REACTIVOS
NO
DESEADOS
PRODUCTOS
REACTIVOS NO
REACCIONADOS
PRODUCTOS
SECUNDARIOS
ETAPA DE
REACCIÓN

4. ESQUEMA DE UNA PLANTA QUÍMICA
MATERIAS
PRIMAS
ETAPA DE
PURIFICACIÓN
ETAPA DE
REACCIÓN
ETAPA DE
PREPARACIÓN
REACTIVOS
NO DESEADOS
PRODUCTOS
REACTIVOS NO
REACCIONADOS
PRODUCTOS
SECUNDARIOS
OPERACIONES DE
SEPARACIÓN
(DESTILACIÓN...)
40-80% INVERSIÓN

5. PLANTEAMIENTO
Estudio de mezclas Composición
Comportamiento distinto
de sustancia pura
Propiedades
parciales
Modelo ideal
Gas ideal
Solución ideal
Corrección
Propiedades residuales
Propiedades en exceso

7. Diagramas de fases
Son representaciones gráficas de las fases que están presente en un sistema
de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.
De los diagramas de fases se puede obtener la siguiente información:
 Mostrar que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas
 Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones
de equilibrio comienza a solidificar y el rango de temperatura en el que se
presenta la solidificación.
 Conocer la temperatura a la cual fases diferentes comienzan a fundir.

13. METAESTABLE: se dice que una forma polimórfica es
metaestable cuando existe en equilibrio con vapor en el rango de
temperaturas en el cual otra forma polimórfica de menor presión de
vapor está en equilibrio con el mismo vapor. Metaestabilidad no
debe confundirse con inestabilidad la cual infiere que una forma
polimórfica puede existir a una temperatura por encima o por
debajo de su temperatura de transición debido a la de la inversión.
EUTÉCTICO: un eutéctico es un punto invariante
(temperatura) es el sistema en el cual la fase reacciona, una
remoción del calor provoca una desaparición de la fase líquida sin
cambio de temperatura. La composición eutéctica es aquella
combinación de componentes de un sistema mínimo que tiene el
más bajo punto de fusión que cualquier otra relación de
componentes y está en la intersección de dos curvas de
solubilidad en un sistema binario y de tres superficies de
solubilidad en un sistema ternario.

14. LÍQUIDUS: el límite de puntos invariantes temperatura-
composición que representan la solubilidad máxima
(saturación) de un componente en la fase líquida. En un sistema
binario es una línea y en un sistema ternario es una superficie,
usualmente curva.
En un estudio isoplético a la temperatura superior a la de
líquidus, el sistema es completamente líquido y en la
intersección de líquidus y la isopleta, el líquido está en equilibrio
con una fase cristalina.
ESTUDIO ISOPLÉTICO: el
método de considerar los
cambios que ocurren en un
sistema en el cual la variable
composición se mantiene
constante y la temperatura varía
(una isopleta es una línea de
composición constante).

15. SÓLIDUS: el límite de puntos invariantes temperatura–
composición en un sistema, a temperatura por debajo de la
cual sólido y líquido están en equilibrio y por debajo de la cual el
sistema es completamente sólido. En un sistema binario sin
soluciones sólidas es una línea recta y con soluciones sólidas es
una línea curvada o una combinación de curvas y líneas rectas.
De otro lado en un sistema ternario el sólido es un plano o una
superficie curvada respectivamente.
Cuando se trabaja con materiales, los cuales pueden ser sólidos,
es frecuente encontrar que las propiedades dependen de la
historia pasada tanto como de la temperatura, la presión y la
composición. Esta situación se debe a dos características de los
sólidos, su capacidad para resistir esfuerzos cortantes y su
inercia relativa a reaccionar, comparados con los gases y
líquidos. Esta característica de los sólidos es la responsable de
muchas de sus propiedades y por lo tanto el estudio de los
diagramas de equilibrio debe tener en cuenta tales aspectos ya
que son limitaciones al aplicar las ecuaciones termodinámicas

16. Diagrama de fasesDiagrama de fases
del aguadel agua
El punto triple conlleva laEl punto triple conlleva la
definición de la temperaturadefinición de la temperatura
termodinámica (eficiencia 1termodinámica (eficiencia 1
del ciclo de Carnot y intervalosdel ciclo de Carnot y intervalos
de 1 K a 1/273.16 de lade 1 K a 1/273.16 de la
temperatura del punto tripletemperatura del punto triple
del agua.del agua.
El hielo es menos denso queEl hielo es menos denso que
el agua (pendiente P/T < 0)el agua (pendiente P/T < 0)
El punto de equilibrio de fasesEl punto de equilibrio de fases
a 121 °C y 2 atm es laa 121 °C y 2 atm es la
condición de trabajo de lascondición de trabajo de las
autoclaves.autoclaves.

17. Diagrama de fasesDiagrama de fases
del heliodel helio
El Helio presenta un diagrama deEl Helio presenta un diagrama de
fases insólito:fases insólito:
(i)(i) no hay equilibrio de fasesno hay equilibrio de fases
sólido/gas,sólido/gas,
(ii)(ii) en la transiciónen la transición λλ (2.17 K y 1(2.17 K y 1
atm), el líquido es unatm), el líquido es un
superfluído,superfluído, sin viscosidad ysin viscosidad y
sin adherencia al vaso que losin adherencia al vaso que lo
contiene.contiene.
(iii)(iii) Con vasos de terracota, pasaCon vasos de terracota, pasa
por las paredes del vaso, y enpor las paredes del vaso, y en
vasos de vidrio, sube por lasvasos de vidrio, sube por las
paredes (P.L. Kapitzka, 1978).paredes (P.L. Kapitzka, 1978).

20. Solución sólida:
Fase sólida formada por la combinación de dos o más elementos que están
atómicamente dispersos, formando una única estructura (fase) y de
composición variable (por ser una solución, hay un rango de solubilidad).
Solubilidad de soluciones sólidas:
 Solubilidad total (completa)
 Solubilidad parcial o limitada
 Insolubilidad total

21. a) Solubilidad total b) solubilidad limitada c) insolubilidad total

31. En la mayoría de las aplicaciones cotidianas, se utilizan aleaciones.
Aleación
Monofásica
Polifásica
Aleación monofásica
Aleación polifásica

32. 1.- LOS MATERIALES METÁLICOS:
LAS ALEACIONES:
Es un material metálico que se obtiene al fundir y dejar que
solidifique una mezcla de un metal con otros materiales,
casi siempre otros metales.
El producto final también tiene características metálicas y,
además, posee ciertas propiedades que no tenían sus
componentes por separado.
Por ejemplo, el latón (cobre y cinc) tiene mayor dureza y
más resistencia eléctrica.

33. MATERIALES METÁLICOS NO FÉRRICOS.
EL COBRE
 El cobre es un metal de color rojo brillante, muy resistente a la
corrosión, conduce bien el calor y la electricidad, es muy dúctil y
maleable. Se obtiene de minerales como la cuprita, la calcopirita y la
malaquita.
 Se ha usado desde la antigüedad para hacer armas, adornos, monedas,
etc. Hoy se usa en conductores eléctricos, alambiques, y conducciones
de gas y agua, así como otros usos en construcción. Sus aleaciones
principales son:
 Los bronces. Aleaciones de cobre y estaño, tanto más duras cuanto más estaño
contienen.
 Los latones. Aleaciones de cobre y cinc usadas para hacer canalizaciones, tornillos,
válvulas de gas y agua, bisagras, etc..
Minerales de cobre.
Cuprita, calcopirita y
malaquita.
Bronce. Latones.Cobre.

34. Es importante conocer el comportamiento de un material con la
temperatura. Tres ejemplos:
- Cuando el ejército nazi, se encontró en campo soviético durante el frío
invierno, no habían tenido en cuenta que todo su armamento metálico, iba a
sufrir las consecuencias del frío. A -40 ºC, los aceros pueden contraerse entre
1 - 4%, en función del contenido de carbono. En otras palabras, pensar en un
tubito por donde sale una bala de cañón, que debería medir 100mm, se ha
encogido 2 ó 3mm…

35. - El PTFE, (teflón) en estado 100% sólido, puede soportar hasta los 270ºC, sin
perder sus propiedades, y en cortos periodos de tiempo, hasta los 315ºC ¿por
qué no más allá? Resulta que a partir de 325ºC, el PTFE empieza a
carbonizarse, y a emitir unos vapores que son bastante tóxicos.

36. - En los aceros, existen una fase de transición, donde el material cambia su
capacidad de deformarse, o sea, pasa de dúctil a frágil. Cuando se
recuperaron partes del casco del malogrado Titanic, se
realizaron los ensayos para determinar la temperatura de transición del acero utilizado
, determinando que era -15 ºC. Así que el empleo de ese material, la
temperatura del agua por donde andaban, además de otros detalles
estructurales como las uniones entre planchas, provocó la ruptura del casco, y
el hundimiento del barco. La culpa no fue solamente el choque contra el
iceberg.

37. Solubilidad y soluciones sólidas
Cuando se mezclan diversos componentes o materiales, como por ejemplo
cuando se agregan elementos aleantes a un metal, se pueden formar
soluciones sólidas o líquidas.

38. Límite de solubilidad
Para una temperatura específica, existe una concentración máxima de
átomos de soluto que se disuelven en el disolvente para formar una solución
sólida.
Solubilidad del azúcar en un jarabe de agua azucarada

39.  Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones en
cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación.
 Se tienen 3 tipos de diagramas:
• Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido
• Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al estado
sólido
• Tipo III: Solubilidad total al estado liquido y solubilidad parcial al
estado sólido.

41. Tipo I: Solubilidad total al estado sólido y liquido

44. a) Temperatura liquidus y solidus
b) Fases presentes
c) Composición de cada fase
d) Cantidad de cada fase (regla de
la palanca)
e) Solidificación de aleaciones

45. a) Temperatura liquidus y solidus
La temperatura liquidus o de
líquido se define como aquella
arriba de la cual un material es
totalmente líquido.
La temperatura solidus o de
sólido, es aquella por debajo de la
cual esa aleación es 100% sólida
La diferencia de temperaturas entre
la de líquido y la de sólido es el
intervalo de solidificación de la
aleación

46. b) Fases presentes
El diagrama de fases puede
considerarse como un mapa
de caminos; si se conocen las
coordenadas, temperatura y
composición de la aleación,
se pueden determinar las
fases que se encuentren
presentes.

47. c) Composición de cada fase
Cada fase presente en una aleación
tiene una composición, expresada
como el porcentaje de cada elemento
en la fase.
Cuando se encuentra presente sólo
una fase en la aleación, la
composición de la fase es igual a la
composición general de la aleación.
Cuando coexisten dos fases, como
líquido y sólido, la composición de
ambas difiere de la composición
general original.
Usualmente la composición está
expresada en porcentaje en peso.

48. c) Composición de cada fase
Se utiliza una línea de enlace o
isoterma para determinar la
composición de las dos fases
Una línea de enlace o isoterma es
una línea horizontal en una región
de dos fases, que se traza a la
temperatura de interés.
Los extremos de la isoterma
representan la composición de las
dos fases en equilibrio.

49. Ejemplo:
Determine la composición de cada fase en una aleación Bi – 50% Sb a
550 ºC, 400 ºC, 350 ºC y 300 ºC

51. d) Cantidad de cada fase (regla de la palanca)
Conocer las cantidades relativas de cada fase presentes en la aleación
Considere el diagrama de fases
del cobre-níquel y la aleación de
composición C0 a 1250°C, donde
Cα y CL representan la
concentración de níquel en el
sólido y en el líquido y Wα y WL
las fracciones de masa de las
fases presentes.

52. La deducción de la regla de la palanca se fundamenta en dos expresiones de
conservación de la masa:
En primer lugar, tratándose de una aleación bifásica, la suma de las fracciones
de las fases presentes debe ser la unidad:
1WW L =+α
En segundo lugar, las masas de los componentes (Cu y Ni) deben coincidir
con la masa total de la aleación
0LL CCWCW =+αα
Las soluciones simultáneas de estas dos ecuaciones conducen a la
expresión de la regla de la palanca para esta situación particular
L
0
L
CC
CC
W
−
−
=
α
α
L
L0
CC
CC
W
−
−
=
α
α

53. En general, la regla de la palanca se puede enunciar como:
100x
enlacedelínealadetotallongitud
opuestopalancadebrazo
fasedePorcentaje =
 Se puede aplicar la regla de la palanca en cualquier región de dos fases de
un diagrama de fases binario.
 Se utiliza para calcular la fracción relativa o porcentual de una fase en una
mezcla de dos fases.
 Los extremos de la palanca indican la composición de cada fase (es decir,
la concentración química de los distintos componentes)

69. Tipo II: Solubilidad total al estado liquido e insolubilidad al
estado sólido
Técnicamente no existe ningún par de metales que sean totalmente insolubles
uno en otro. Sin embargo, en algunos casos la solubilidad es tan limitada que
prácticamente pueden considerarse como insolubles.

70. El punto de intersección de las
líneas liquidus, se denomina
punto eutéctico.
E
La temperatura correspondiente a este punto, se llama temperatura de
solidificación del eutéctico
La composición 40%A-60%B, correspondiente a este punto, se conoce como
composición eutéctica.

71. Cuando el líquido de composición eutéctica se enfría lentamente hasta la
temperatura eutéctica, la fase líquida se transforma simultáneamente en dos
fases sólidas. Esta transformación se conoce como reacción eutéctica y se
escribe:
BsólidoAsolídoLíquido
eutécticaatemperatur
toenfriamien
+

72. Aleación 1: aleación eutéctica
Aleación 3: aleación hipoeutéctica
Aleación 2: aleación hipereutéctica

73. a) Microestructura enfriamiento lento Aleación 1

74. b) Microestructura enfriamiento lento Aleación 2

75. c) Microestructura enfriamiento lento Aleación 3

93. La regla de las fases no depende
de la naturaleza y cantidad de
componentes o fases presentes,
sino que depende sólo del
número. Además no da
información con respecto a la
velocidad de reacción.
El número de componentes más
dos (C+2), representa el
número máximo de fases que
pueden coexistir al equilibrio,
donde los grados de libertad (F)
no pueden ser inferiores a cero
(a condiciones invariantes).
La regla de las fases se aplica sólo a estados de equilibrios de un
sistema y requiere:
1.- Equilibrio homogéneo en cada fase
2.- Equilibrio heterogéneo entre las fases coexistentes

98. Ejemplos:
1. Con el diagrama de equilibrio Cu-Ni
que se adjunta, describir el enfriamiento
lento de una aleación de 30% de Ni y
determinar su composición a 1200 ºC.
2. Una aleación compuesta de 2 kg de
Cu y 2 kg de Ni se fundió y
posteriormente se enfrió lentamente
hasta 1300 ºC. Utilizando el diagrama
de equilibrio Cu-Ni, calcular la
concentración y el peso de las fases
presentes a dicha temperatura.
3. En el sistema Cu-Ni, haga el análisis
de fase para una aleación 50% de Cu a:
1400 ºC, 1300 ºC, 1200 ºC y 1100 ºC.

99. DIAGRAMAS DE FASES 2 Y 3
COMPONENTES
Un diagrama de fases es cualquier diagrama que muestre cuales fases son
estables en función de alguna variable o variables del sistema que hayamos
escogido
(P, T, X, pH, fO2, Eh, etc).
Cuando se manejan sistemas multicomponentes los cálculos
termodinámicos de diagramas de fases se vuelven complejos y
probablemente menos exactos al no disponer de los datos adecuados.
Para estos casos es más común emplear representaciones de datos
experimentales para el equilibrio Cristal-Líquido que han sido
determinados en el laboratorio para cientos de sistemas con un amplio
rango de condiciones de P, T y X.
Como los sistemas naturales son complejos y difíciles de interpretar y
representar, generalmente se trabaja con sistemas más simples, de dos o
tres componentes, para entender los principios que los controlan.

100. En el campo de cuarzo α se tiene 1 componente y 1
fase
F = 2 + 1 - 1 = 2. Tiene dos grados de
libertad, pueden variar dos variables intensivas (T y
P),
Estado de equilibrio divariante.
En la línea que divide los campos de cuarzo α y
cuarzo β coexisten esas dos fases.
F = 2 + 1 - 2 = 1 Tiene un grado de libertad, sólo
puede variar una de las variables intensivas (P o T) y
la otra queda fijada.
Estado de equilibrio univariante.
En el punto triple que une los campos de cuarzo α,
cuarzo β y coesita, coexisten esas tres fases
F = 2 + 1 - 3 = 0
No tiene ningún grado de libertad, P y T son fijos.
Estado de equilibrio invariante.
Aplicación de la Regla de Fases