EQUILIBRIO DE FASES Y ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA 9.1 INTRODUCCION se denomina dia!ama de "ase# dia!ama de e$%i&i'!io de "ases o dia!ama de es(ados de &a ma(e!ia# a &a !e)!esen(a*i+n !,"i*a de &as "!on(e!as en(!e di"e!en(es es(ados de &a ma(e!ia de ma(e!ia de %n sis(ema# en "%n*i+n de -a!ia'&es e&eidas )a!a "a*i&i(a! e& es(%dio de& mismo. Los dia!amas de e$%i&i'!io son !,"i*as $%e !e)!esen(an &as "ases es(ado en $%e )%eden es(a! di"e!en(es *on*en(!a*iones de ma(e!ia&es $%e "o!ma %na a&ea*i+n a dis(in(as (em)e!a(%!as. Di*/as (em)e!a(%!as -an desde &a (em)e!a(%!a )o! en*ima de &a *%a& %n ma(e!ia& es(, en "ase &0$%ida /as(a &a (em)e!a(%!a am'ien(e en $%e ene!a&men(e &os ma(e!ia&es es(,n en es(ado s+&ido. 9 .2 Fases y el diagrama de fases de sustancias puras
Los ma(e!ia&es )%!os (ienen m%*/as a)&i*a*iones en &a inenie!0a# )e!o *on "!e*%en*ia se %(i&i3an a&ea*ione &ea*ioness o me3*&as de ma(e!ia&es. E4is(en dos (i)os de a&ea*iones5 a&ea*iones de %na "ase a&ea*iones de -a!ias "ases. En es(e *a)0(%&o se e4amina!a e& *om)o!(amien(o de &as a&ea*iones de %n %na a "ase. Como )!ime! )aso# se de"ini!, $%e es "ase se -e!, &a "o!ma en $%e &a !e !e &a de &as "ases a%da a%da a de(e!mina! e& es(ado s+&ido#
&0$%ido o aseoso en e& $%e e4is(e %n ma(e! ia ia& )%!o.
Fase. - Una fase (iene &as *a!a*(e!0s(i*as si%ien(e si%ien(es5 s5
617 %na "ase "ase (iene (iene %na mism misma a es(!%*(%!a o a!!e&o a(+mi*o en (odo e& ma(e!ia& 8 67 %na "ase (iene a)!o4imadamen(e %na %n a misma *om)osi*i+n )!o)iedades8 67 /a %na in(e!"a in(e!"a* *e de"inida en(!e %na "ase *%a&$%ie! o(!a $%e &a !odea. Po! e:em)&o# si se en*ie!!a %n '&o$%e de /ie&o en %na *,ma!a de -a*iio e& /ie&o -a* em)e3a!a a "%ndi! em)e3a!a "%ndi!se se # adem,s# )a!(e de& a%a se -a)o!i3a!a. En es(as *ondi*iones# *ondi*ione s# se (end!,n en *oe4is(en*ia de (!es "a "as ses5 ;1< s+&ida# ;1< &i$%ida ;1< aseosa. Cada %na de es(as "o!mas
de& ;1< es %na "ase di"e!en(e8 *ada %na (iene %n a!!e&o a(+mi*o =ni*o# *on )!o)iedades =ni*as Con %n &0mi(e 'ien de"inido en(!e e&&as. En es(e *aso es)e*0"i*o &as "ases (ienen *om)osi*ione s id>n(i*as# )e!o es(e /e*/o no es s%"i*ien(e )a!a &&ama! a (odo e& sis(ema *omo %na so&a "ase.
Re&a de "ases de ?i''s des*!i'e e& es(ado de %n ma(e!ia& (iene &a "o!ma ene!a&5 F=C-P+2 En &a !e&a de "ases# C es e& n=me!o de &os *om)onen(es# )o! &o ene!a& e&emen(os o *om)%es(os en e& sis(ema8 F es e& n%me!o de !ados de &i'e!(ad# es de*i!# e& n=me!o de -a!ia'&es )o! e:em)&o# (em)e!a(%!a )!esi+n o *om)osi*i+n# $%e )%eden modi"i*a!se de mane!a Inde)endien(e# sin *am'ia! e& n=me!o de "ases en e$%i&i'!io8 P es e& n=me!o de "ases )!esen(es. E& -a&o! *ons(an(e en &a e*%a*i+n im)&i*a $%e (an(o &a (em)e!a(%!a *omo &a )!esi+n (ienen )osi'i&idad de *am'ia!# )!esiones m% 'a:as e& s+&ido a& se! *a&en(ado se )%ede sublimar es de*i! )asa! di!e*(amen(e a -a)o!# sin "%ndi!se. S%)ona $%e se (ienen %na )!esi+n %na Tem)e!a(%!a $%e *o&o*a a& manesio en e& )%n(o A de& dia!ama de "ases# donde e& (odo e& M &0$%ido. En es(e )%n(o# e& n=me!o de *om)onen(es C es %no 6manesio7 e& n=me!o de Fases es %na 6&0$%ido7. La !e&a de &as "ases. #
F @C- P A2@
1 - 1
A 2 @ 2,
Es de*i!# /a dos !ados de &i'e!(ad. Den(!o de *ie!(os &0mi(es# se )%ede modi"i*a! a sea &a )!esi+n o &a (em)e!a(%!a# o am'as# (oda-0a es(a! en %na )o!*i+n de& dia!ama# $%e indi*a $%e (odo e& ma(e!ia& es &0$%ido. Di*/o de o(!a mane!a# se de'e "i:a! a &a -e3 &a (em)e!a(%!a . &a )!esi+n# )a!a sa'e! e4a*(amen(e $%e )osi*i+n se o*%)a en &a )o!*i+n &i$%ida de& dia!ama . Sin em'a!o# e& )%n(o Bes e& &0mi(e en(!e &as )o!*iones s+&ida &0$%ida de& dia!ama. E& n=me!o de *om)onen(es C si%e siendo %no# )e!o en e& )%n(o B *oe4is(en s+&ido &0$%ido# e& n=me!o de "ases. P es dos. De &a !e&a.
F @ C2 P A @ 1 2 A @ 1#
9. SOLUCIONES Y SOLUBILIDAD C%ando se em)ie3a a *om'ina! ma(e!ia&es dis(in(os# *omo a& a!ea! e&emen(os de a&ea*i+n a %n me(a&# se )!od%*en so&%*iones. E& in(e!>s es de(e!mina! &a *an(idad de *ada ma(e!ia& $%e se )%ede )!od%*i! sin )!od%*i! %na "ase adi*iona&. SOLUCION Una so&%*i+n es (odo sis(ema /omo>neo "o!mado )o! m,s de %na s%s(an*ia. A& men*iona! so&%*iones es ne*esa!io indi*a! *%,&es son s%s *om)onen(es5 e& so&-en(e e& so&%(o. Es(e es e& as)e*(o *%a&i(a(i-o de &a so&%*i+n 6"i.7. En ene!a&# no es s%"i*ien(e *ono*e! so&o &os *om)onen(es8 es ne*esa!io indi*a! (am'i>n &as *an(idades de *ada %no# es de*i!# e& as)e*(o *%an(i(a(i-o de &a so&%*i+n.
SOLUBILIDAD So&%'i&idad es &a m,4ima masa de %na s%s(an*ia e4)!esada en !amos# La so&%'i&idad es %na )!o)iedad *a!a*(e!0s(i*a de *ada s%s(an*ia en %n so&-en(e en de(e!minadas *ondi*iones Se )%eden )!esen(a! dos (i)os de so&%'i&idad5
a7 So&%'i&idad I&imi(ada5 Condi*i+n $%e se )!esen(a *%ando &a *an(idad de %n ma(e!ia& $%e se diso&-e!, en o(!o es i&imi(ada# sin *!ea! %na se%nda "ase.
S%)ona $%e se ini*ia *on %n -aso de a%a %no de a&*o/o&. E& a%a es %na "ase e& a&*o/o& o(!a. A& -a*ia! e& a%a en e& a&*o/o& !e-o&-e!# so&amen(e se )!od%*i!, %na "ase. E& -aso *on(end!, %na so&%*i+n de a%a a&*o/o&# *on es(!%*(%!a# )!o)iedades *om)osi*i+n =ni*as. E& a%a e& a&*o/o& son so&%'&es en(!e s0. Adem,s# (ienen %na so&%'i&idad i&imi(ada5 inde)endien(emen(e de &a !e&a*i+n de a%a a&*o/o&# a& me3*&a!&os s+&o se )!od%*e %na "ase. De mane!a simi&a!# si se me3*&a *%a&$%ie! *an(idad de *o'!e &0$%ido de n0$%e& &0$%ido# s+&o se o'(end!, %na so&a "ase &0$%ida. La a&ea*i+n de &0$%ido (end!, &a misma *om)osi*i+n# )!o)iedades es(!%*(%!a en (odas )a!(es# )o!$%e e& n0$%e& e& *o'!e (ienen so&%'i&idad &0$%ida i&imi(ada. Si &a a&ea*i+n &0$%ida *o'!e2n0$%e& se so&idi"i*a se en"!0a a (em)e!a(%!a am'ien(e# s+&o se )!od%*e %na "ase s+&ida. Des)%>s de &a so&idi"i*a*i+n# &os ,(omos de *o'!e de n0$%e& no se se)a!an# sino $%e# en -e3 de e&&o# se &o*a&i3an de mane!a a&ea(o!ia. En e& in(e!io! de &a "ase s+&ida# &a es(!%*(%!a# )!o)iedades *om)osi*i+n son %ni"o!mes no e4is(e in(e!"a*e a&%na en(!e &os ,(omos de *o'!e de n0$%e&. Po! (an(o# e& *o'!e e& n0$%e& (am'i>n (ienen so&%'i&idad s+&ida i&imi(ada. La "ase s+&ida es %na so&%*i+n s+&ida. Una so&%*i+n s+&ida no es %na me3*&a. Las me3*&as *on(ienen m,s de %n (i)o de "ase s%s *om)onen(es *onse!-an s%s )!o)iedades indi-id%a&es. Los *om)onen(es de %na so&%*i+n s+&ida se dis%e&-en %no en e& o(!o no !e(ienen s%s *a!a*(e!0s(i*as )!o)ias '7 So&%'i&idad Limi(ada5 Condi*i+n !e"e!en(e a $%e s+&o se )%ede diso&-e! %na *an(idad m,4ima de %n ma(e!ia& so&%(o en %n ma(e!ia& so&-en(e. C%ando se a!ea %na )e$%ea *an(idad de A3=*a! 6)!ime!a "ase7 a %n -aso *on a%a 6%na se%nda "ase7 se !e-%e&-e# e& A3=*a! se dis%e&-e (o(a&men(e en e& a%a. Se o'(end!, s+&o %na "ase5 a%a a3%*a!ada. Sin em'a!o# si a& a%a se &e a!ea demasiada A3=*a!# e& e4*eso se /%ndi!, en e& "ondo de& -aso. A/o!a se (ienen dos "ases# a%a sa(%!ada *on a3=*a!# m,s &a s+&ida e4*eden(e5 e& A3=*a! (iene so&%'i&idad &imi(ada en e& a%a. 4.-Condiciones
para una
solubilidad
sólida
ilimitada da
Pa!a $%e %na a&ea*i+n *omo e& *o'!e2n0$%e& (ena so&%'i&idad s+&ida i&imi(ada# de'e!,n sa(is"a*e!se *ie!(as *ondi*iones. Es(as# *ono*idas *omo &as !e&as de Hume-Rothery, son &as si%ien(es5
&os ,(omos de'en se! de (amao simi&a!# *on no mas de& 1C )o! *ien(o de di"e!en*ia en s% !adio a(+mi*o# a "in de minimi3a! de"o!ma*iones en &a !ed. 1. Factor de tamaño:
. Estructura cristalina: &os ma(e!ia&es de'e!,n (ene! %na misma es(!%*(%!a *!is(a&ina8 de &o *on(!a!io# e4is(i!, a&=n )%n(o en e& *%a& o*%!!i!, &a (!ansi*in de %na "ase a o(!a *on es(!%*(%!a dis(in(a. . Valencia: &os ,(omos de'e!,n (ene! &a misma -a&en*ia8 de &o *on(!a!io# &a di"e!en*ia de e&e*(!ones de -a&en*ia a&en(a!a &a "o!ma*i+n de *om)%es(os#en -e3 de &a "o!ma*in de so&%*iones. . Electronegatividad: &os ,(omos de'en (ene! a)!o4imadamen(e &a misma e&e*(!onea(i-idad. Si &as e&e*(!onea(i-idades di"ie!en de mane!a sini"i*a(i-a# de n%e-o se (oma!, *om)%es(os# *omo *%ando se *om'ina sodio *&o!o )a!a "o!ma! *&o!%!o de sodio. Las *ondi*iones de ;%me2Ro(/e! de'en *%m)&i!se# )e!o no son ne*esa!iamen(e s%"i*ien(es )a!a $%e dos me(a&es (enan so&%'i&idad s+&ida i&imi(ada.
Diseño
de una
solución
sólida
ceramica
A%n$%e e& NiO )%eda se! a!eado a& MO )a!a )!od%*i! %na so&%*i+n s+&ida# e& NiO es !e&a(i-amen(e *os(oso. Dise"ie o(!o sis(ema *e! ami*o# $%e )%eda "o!ma! %na so&%*i+n s+&ida *om)&e(a *on e& MO. olución
En es(e *aso se de'en *onside!a! Ó4idos# $%e (enan *a(iones me(,&i*os *on &a misma -a&en*ia !adio i+ni*o $%e &os *a(iones de manesio . La -a&en*ia de& ion manesio es s% !adio i+ni*o es < . A. De& A)>ndi*e B# a&%nos o(!os *a(iones de -a&en*ia se!,n &os si%ien(es5 !F! M9
r
!structura
! ed@ o.97 A Ca en CaO
r «=
Co en CoO
r -:
=
0.99 A 0 72 A .
50 % 9
a NaCl
Fe en FeO
r
@
Sr en SrO
r -:
@ 1.12 A
Zn en ZnO
fzn
F,
0.74 A
@ 0.74 A
12 % 70 12
NaCl NaCl 'NaCl
%
La di"e!en*ia en )o!*en(a:e en &os !adios i+ni*os &as es(!%*(%!as *!is(a&inas de &os Ó4idos (am'ien se m%es(!an# s%ie!en $%e e& sis(ema FeO 2 MO (end!, so&%'i&idad s+&ida i&imi(ada. 9. ENDURECIMIENTO POR SOLUCIÓN SÓLIDA Es e& a%men(o de &a !esis(en*ia de %na ma(e!ia& in(!od%*iendo de"e*(os )%n(%a&es en s% es(!%*(%!a# de %na "o!ma de&i'e!ada *on(!o&ada. Po! e:em)&o# en e& sis(ema *o'!e2n0$%e&# si se in(!od%*e in(en*iona&men(e %n ,(omo s%s(i(%*iona& 6n0$%e&7 en &a !ed o!iina& 6*o'!e7# &a a&ea*i+n *o'!e2n0$%e& !es%&(an(e (iene %na !esis(en*ia m,s e&e-ada $%e &a de& *o'!e )%!o. De mane!a simi&a!# si se a!ea a& *o'!e menos de < )o! *ien(o de Gn# >s(e se *om)o!(a *omo a(omi* s%s(i(%*iona&# end%!e*iendo &a a&ea*i+n *o'!e23in*# en *om)a!a*i+n *on e& *o'!e )%!o. "rado de endurecimiento por solución sólida
E& !ado de end%!e*imien(o )o! so&%*i+n s+&ida se in*!emen(a *%ando5 aA%men(a &a *an(idad de e&emen(os a&ean(es 'A%men(a &a di"e!en*ia de& (amao a(+mi*o en(!e e& ma(e!ia& /%>s)ed
6so&-en(e7 e& e&emen(o a&ean(e 6so&%(o7. Una di"e!en*ia mao! en (amao )!od%*e %na mao! dis(o!si+n de &a !ed ini*ia&# /a*iendo a=n m,s di"0*i& e& des&i3amien(o.
La *an(idad de e&emen(o a&ean(e $%e se )%ede a!ea! )a!a )!od%*i! %n
end%!e*imien(o )o! so&%*i+n s+&ida es(, &imi(ada )o! &a so&%'i&idad de ese e&emen(o en e& ma(e!ia& /%>s)ed. !fecto del endurecimiento por solución sólida en las propiedades# $os
e"e*(os de& end%!e*imien(o )o! so&%*i+n s+&ida en &as )!o)iedades de %n ma(e!ia& son &os si%ien(es5 1 E& es"%e!3o de *eden*ia# &a !esis(en*ia a &a (ensi+n &a d%!e3a de &a a&ea*i+n son mao!es $%e en &os ma(e!ia&es )%!os.
?ene!a&men(e &a d%*(i&idad &a *ond%*(i-idad e&>*(!i*a de &a a&ea*i+n se!,n meno! $%e &a de& ma(e!ia& )%!o. 6S+&o en *asos !a!os# *omo en a&ea*iones *o'!e23in*# e& end%!e*imien(o )o! so&%*i+n s+&ida in*!emen(a (an(o !esis(en*ia *omo d%*(i&idad# adem,s no se !e*omienda e& end%!e*imien(o )o! so&%*i+n s+&ida de a&am'!es de a&%minio o de *o'!e %(i&i3ados )a!a &a (!ansmisi+n de &a ene!0a e&>*(!i*a7. P!o)o!*iona a &a a&ea*i+n '%enas )!o)iedades a a&(as (em)e!a(%!as. No(a5 &a adi*i+n de e&emen(os a&ean(es )a!a )!o)o!*iona! endurecimiento or soluci!n s!lida *am'ia &as )!o)iedades "0si*as# in*&%endo &a (em)e!a(%!a de
"%si+n. E& dia!ama de "ases a%da a e4)&i*a! es(os *am'ios. %.&.-Diagrama de fases
isomorfo
Un dia!ama de "ases m%es(!a &as "ases s%s *om)osi*iones )a!a *%a&$%ie! *om'ina*i+n de (em)e!a(%!a *om)osi*i+n de &a a&ea*i+n. C%ando en &a a&ea*i+n s+&o es(,n )!esen(es dos e&e men(os# se )%ede e&a'o!a! %n dia!ama de "ases 'ina!io. Se en*%en(!an dia!amas de "ases 'ina!ios isomo!"os en -a! ios sis(emas me(,&i*os *e!,mi*os# En &os sis(emas iso!no!"os# $%e in*&%en sis(emas *o'!e2n0$%e& NiO2MO 6"i%!a 7# so&o se "o!ma %na "ase so&ida5 &os dos *om)onen(es de& sis(ema )! esen(an so&%'i&idad s+&ida i&imi(ada. De es(os dia!amas de "ases se )%ede o'(ene! in"o!ma*i+n -a&iosa# *omo se indi*a a *on(in%a*i+n. 'emperaturas de liquidas y de solidas La *%! -a s%)e! io! en e& dia!ama es &a (em )e!a(%!a de li"uidas )a!a (odas &as a&ea*iones *o'!e2n0$%e& . Se de'e *a&en(a! %na a&ea*i+n *o'!e2n0$%e& )o! en*ima de l #" uidos )a!a
)!od%*i! %na a&ea*i+n (o(a&men(e &i$%ida $%e )%eda se! *o&o*ada )a!a o'(ene! %n )!od%*(o =(i&# La a&ea*i+n &i$%ida em)e3a!a a so&idi"i*a! se * %an2 do &a (em)e!a(%!a se en"!i> /as(a &a (em)e!a(%!a de l#"uidos En &a a&ea*i+n C%2
Composición de cada fase.- Cada "ase (iene %na *om)osi*in# e4)!esada
*omo e& )o!*en(a:e de *ada %no de &os e&emen(os de &a "ase. Po! &o ene!a&# &a *om)osi*in se e4)!esa en )o!*en(a:e en )eso 6H )eso7. C%ando es(, )!esen(e en &a a&ea*in %na so&a "ase# s% *om)osi*i+n es i%a& a &a de &a a&ea*in . Si &a
*om)osi*in o!iina& de &a a&ea*in se modi"i*a# en(on*es (am'ien de'e!, modi"i*a!se &a de &a "ase. Sin em'a!o# *%ando *oe4is(en dos "ases *omo &0$%ido s+&ido# s%s *om)osi*iones di"e!i!,n en(!e s0 *omo de &a *om)osi*i+n ene!a& o!iina&. Si es(a *am'ia &ie!amen(e# &a *om)osi*i+n de &as dos "ases no se a"e*(a!a# siem)!e $%e &a (em)e!a(%!a se *onse!-e *ons(an(e. Es(a di"e!en*ia $%eda e4)&i*ada )o! &a !e&a de "ases de ?i''s . En es(e *aso# a di"e!en*ia deK e:em)&o so'!e manesio )%!o $%e se des*!i'i *on an(e! io!idad# se man(iene "i:a &a )!esiDn en %na a(ms"e!a# &o *%a& es no!ma& a& o'(ene! e4)e!imen(a&men(e &os dia!amas de "ase 'ina!ios. La !e&a de "ases dada )o! &a e*%a*i+n se )%ede -o&-e! a es*!i'i! as0# F=C-P+%
6)a!a )!esi+n *ons(an(e7
donde# de n%e-o# C es e& n=me!o de *om)onen(es# P e& n=me!o de "ases F es e& n=me!o de !ados de &i'e!(ad. Se %(i&i3a a/o!a %n 1 en -e3 de %n # )o!$%e se es(, man(eniendo *ons(an(e &a )!esi+n en %na a(m+s"e!a. En %n sis(ema 'ina!io# e& n=me!o de *om)onen(es C es dos8 &os !ados de &i'e!(ad $%e se (ienen in*&%en e& *am'io de (em)e!a(%!a de &a *om)osi*i+n de &as "ases )!esen(es.
9. RELACIONES ENTRE PROPIEDADES Y EL DIA?RAMA DE FASES Como e:em)&o )a!a %n me:o! en(endimien(o de &o $%e es %na !e&a*i+n en(!e )!o)iedades )odemos men*iona! *omo e:em)&o %na a&ea*i+n *o'!e2n0$%e&. En %n dia!ama de "ases. EEMPLO Se ne*esi(a )!od%*i! %na a&ea*i+n *o'!e2n0$%e& *on %n es"%e!3o de *eden*ia m0nimo de <#<<< )si# %na !esis(en*ia a &a (ensi+n m0nima de <#<<< )si %n )o!*en(a:e de e&ona*i+n iii0nimo de < )o! *ien(o. En in-en(a!io /a %na a&ea*i+n C%2(odo )a!a )!od%*i! "%ndi*iones $%e (enan &as )!o)iedades !e$%e!idas. SOLUCION P!o)iedades me*,ni*as de a&ea*iones *o'!e2n0$%e&. E& *o'!e a%men(a s%
!esis(en*ia /as(a
Se de(e!mina &a *om)osi*i+n !e$%e!ida de &a a&ea*i+n. Pa!a *%m)&i! *on e& es"%e!3o de *aden*ia ne*esa!io &a a&ea*i+n de'e *on(ene! en(!e < 9
En *onse*%en*ia# )a!a )!od%*i! &a a&ea*i+n !e$%e!ida se ne*esi(an "%ndi! .1 i&os de &a a&ea*i+n C%2
En %na a&ea*i+n *omo C%2
