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Un diagrama de fase es una representación gráfica de los distintos estados de equilibrio termodinámico de un sistema bajo distintas condiciones. Este tipo de gráficas permite predecir, entre otras cosas, las fases que se encuentran presentes en determinadas condiciones, así como la proporción en la que se encuentra cada fase y su composición, en caso de tratarse de mezclas binarias o mezclas más complejas.
Tipos de diagramas de fase
Diagramas de fase de un solo componente (diagramas de sustancias puras)
Estos diagramas muestran las distintas fases o estados de agregación en los que se puede encontrar una sustancia pura a distintos valores de temperatura y presión. Estos diagramas de fase pueden llegar a ser muy complejos, en especial en la fase sólida, donde las condiciones de temperatura y presión pueden favorecer la formación de múltiples estructuras cristalinas diferentes con propiedades marcadamente distintas.
La forma típica de un diagrama de fases para una sustancia pura se muestra a continuación:
Dos ejemplos de diagramas de fase típicos de una sustancia pura son los del carbono elemental y el helio, los cuales se muestran en la siguiente figura. El carbono, un no metal, puede presentarse en distintas formas alotrópicas sólidas (grafito y diamante); también puede presentarse en estado líquido y gaseoso. En el caso del helio, este es un gas que no se puede licuar fácilmente.
Diagramas de fase de sistemas binarios (diagramas de dos componentes)
Los diagramas de fase binarios consisten en una representación gráfica de las fases que se forman a distintas temperaturas o a distintas presiones en un sistema formado por dos componentes (sistema binario) como función de la composición total del sistema (representada generalmente en el eje X).
Dependiendo de los componentes particulares de la mezcla, estos sistemas pueden dar origen a distintos tipos de diagramas de fase. En algunos de estos diagramas se forman fases separadas de los componentes puros en distintos estados de agregación (sólidos, líquidos o gases), mientras que en otros casos se forman fases homogéneas de ambos componentes.
A continuación se muestran dos diagramas de fase binarios. El primero es un ejemplo de un sistema binario que forma una mezcla eutéctica, mientras que en el segundo caso no la forma.
Diagramas de fase de sistemas ternarios (diagramas de tres componentes)
En estos diagramas se utiliza un triángulo para representar, en cada lado, la composición de cada uno de los tres sistemas binarios que se pueden formar entre tres componentes. Cualquier punto dentro del triángulo representa un sistema ternario de composición definida.
En estos casos se debe representar la concentración de cada especie, bien sea como una fracción molar o fracción de masa (para asegurar que la suma de todas las fracciones de 1) o como un porcentaje (para asegurar que la concentración total siempre sume 100%).
Para cada composición posible del sistema, a una temperatura y presión fijas, se muestra la fase o fases que están presentes.
Construcción de un diagrama de fases
El proceso de construcción de un diagrama de fases se puede llevar a cabo bien sea de manera teórica o a partir de información experimental. En el primer caso, se utilizan ecuaciones termodinámicas que permiten calcular el estado de equilibrio de un sistema (sea este una sustancia pura, una mezcla binaria o un sistema ternario) en función de las propiedades del sistema y de su composición. Excepto por sistemas relativamente sencillos, este enfoque resulta considerablemente complejo y difícil de llevar a cabo.
Desde el punto de vista experimental, los procedimientos empleados para construir los diagramas de fase suelen ser similares, independientemente del tipo de diagrama de fase del que se trate. En la mayoría de los casos, lo que se busca es partir de un sistema en un estado inicial bien definido desde el punto de vista de su composición y demás propiedades, y se observa de alguna manera (a simple vista o por medio de técnicas instrumentales) qué fase o fases se encuentran presentes. Después, se varía gradualmente alguna de las propiedades del sistema manteniendo todas las demás constantes, tomando nota de cualquier cambio de estado y de las condiciones en las que este cambio de estado ocurrió.
Construcción de diagramas de sustancias puras
En el caso de las sustancias puras, se suele fijar una presión y luego variar la temperatura, representando en el diagrama los puntos de cambio de fase a la altura de la presión correspondiente. Después se cambia la presión y se repite el proceso. La unión de los puntos donde ocurren los cambios de fase y las intersecciones entre las curvas resultantes permiten construir el diagrama de fase, indicando en cada región a cada lado de cada curva qué fase se encuentra presente.
Construcción de diagramas binarios
En el caso de los sistemas binarios, normalmente se comienza con los dos componentes puros a una presión o temperatura definidos y se varía la otra variable (la temperatura o la presión, respectivamente), nuevamente tomando nota de la temperatura o de la presión a la que ocurre algún cambio de fase. Esto puntos se representan en los ejes verticales. El de la derecha representa uno de los componentes puros y el de la izquierda el otro.
Luego, se preparan mezclas de ambos componentes con concentraciones definidas en términos de su fracción molar o de masa (o sus porcentajes). Para cada composición (que se representa en el eje x) se varía nuevamente la temperatura o la presión y se toma nota de los cambios de fase como antes.
Construcción de diagramas ternarios
El procedimiento para los diagramas ternarios suele ser un poco más complejo. En algunos casos se busca preparar mezclas que recorran el diagrama de manera paralela a uno de los lados, en otros casos se hace de manera perpendicular y en otros casos de manera diagonal. Cada uno de estos recorridos tiene su manera experimental particular de lograrse, incluyendo mezclar un sistema binario fijo con cantidades crecientes del tercer componente y viceversa, entre otras.
¿Para qué sirven los diagramas de fases?
La aplicación de los diagramas de fase depende del tipo particular de diagrama de fase del que se trate.
Utilidad de los diagramas de fase de sustancias puras
En el caso de los diagramas de sustancias puras, el diagrama de fase nos proporciona información clara sobre la fase en la que se encontrará el sistema en función de la presión y la temperatura. Gracias a esto, nos permite también predecir los cambios de fase que deben ocurrir cuando llevamos a un sistema desde un estado inicial a uno final por medio de distintos caminos.
Por otro lado, este tipo de diagramas de fase también permite predecir las temperaturas de cambio de fase (o puntos de cambio de fase) de una sustancia pura a distintas presiones. Por ejemplo, podemos ver claramente cómo cambian el punto de ebullición y fusión en función de la presión.
Utilidad de los diagramas de fase binarios
En el caso de los diagramas de fase binarios, estos ofrecen información sobre las distintas fases, sus proporciones y su composición cuando variamos, bien sea la temperatura manteniendo la presión constante, o la presión manteniendo la temperatura constante. Al ser diagramas bidimensionales, no es posible, por lo general, observar simultáneamente los cambios de fase, las proporciones en las que cada fase está presente y su composición como función de la temperatura y la presión. Sin embargo, la construcción de diagramas de fase binarios en función de la temperatura a distintas presiones nos puede proporcionar esta información de manera indirecta.
Los diagramas de fase de sistemas binarios nos permiten estudiar las interacciones entre las distintas fases que se pueden formar entre dos sustancias químicas distintas. Estas fases pueden incluir fases puras de ambos componentes en distintos estados (sólido y líquido, por ejemplo) o fases homogéneas que contienen ambos componentes (como aleaciones, disoluciones, co-cristales, etc.).
Gracias a lo anterior, los diagramas de fase binarios permiten la identificación de sistemas eutécticos, que son sistemas binarios que funden a una sola temperatura y cuyo punto de fusión es menor que el de cualquiera de los dos componentes puros. Además, permiten determinar la temperatura de fusión de este sistema, conocida como el punto eutéctico. Esto es muy importante en distintas aplicaciones industriales, ya que permite identificar y diseñar aleaciones metálicas de alta resistencia y bajo punto de fusión útiles, por ejemplo, en la soldadura.
Utilidad de los diagramas de fase ternarios
Finalmente, en los diagramas de fase ternarios se emplea un diagrama triangular para poder representar simultáneamente en un punto las proporciones en las que se encuentran los tres componentes de una mezcla ternaria. Esto significa que en estos diagramas no podemos observar el efecto que tienen la temperatura y la presión sobre la o las fases presentes en el sistema ternario, sino únicamente el efecto de la composición.
Por lo tanto, un diagrama de fase ternario nos sirve principalmente para determinar cómo se comporta un sistema ternario al variar la concentración relativa de alguno de los componentes. Esto es útil para estudiar sistemas en los que se mezclan dos disoluciones con solutos distintos, ya que, en la mezcla, estarán presentes el disolvente y los dos solutos, formando así un sistema ternario.
Partes de un diagrama de fase
Los siguientes diagramas se utilizan para describir las partes de un diagrama de fase de una sustancia pura y de un sistema binario:
Los ejes de la gráfica
Dependiendo del tipo de diagrama de fase, estos pueden representar presión y temperatura (como en el caso del primer diagrama), fracción molar de un componente (como en el caso del segundo) o de dos componentes (como en el caso de los diagramas ternarios).
Curvas de equilibrio de fase
Son las curvas que separan una fase de otra en un diagrama de fases. Las curvas A-B, B-C y B-D en el diagrama anterior de una sustancia pura son todos ejemplos de curvas de equilibrio de fase, al igual que las curvas A-B y A-D en el segundo diagrama.
Puntos triples
En los sistemas de sustancias puras, el punto triple es aquel en el que coinciden varias curvas de equilibrio de fase por lo que existen 3 fases en equilibrio simultáneo. Corresponde al punto B en el primer diagrama de la figura anterior.
Puntos críticos
Corresponde al punto D en el primer diagrama. Indica la temperatura máxima a la cual una sustancia pura puede existir como líquido. A partir de dicha temperatura la sustancia siempre es gaseosa y a mayor temperatura y presión se comporta como un fluido supercrítico.
Puntos eutécticos
Corresponde al punto A en el diagrama binario de la imagen anterior. Es el punto en el que ambas fases funden juntas pasando directamente del estado sólido al estado líquido sin que permanezca ninguna de las dos fases sólidas originales presentes. Este punto marca tanto la temperatura de fusión eutéctica como la composición eutéctica para el sistema binario considerado.
No todas las mezclas forman mezclas eutécticas, pero muchas, como las aleaciones, sí lo hacen.
Referencias
Agudelo, A. F., & Restrepo, O. J. (2005, 21 enero). TERMODINÁMICA Y DIAGRAMAS DE FASE. SciELO. http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0012-73532005000100002
Diagrama de Fases binario. (2014, 9 abril). Zona Química. http://zona-quimica.blogspot.com/2014/04/diagrama-de-fases-binario.html
López, J. R. (s. f.). Diagramas de fases. Junta de Andalucía. https://www.juntadeandalucia.es/averroes/centros-tic/21700290/helvia/aula/archivos/repositorio/0/42/html/diagram.html
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Novelo-Torres, A. M., & Gracia-Fabrique, J. (2010, 1 octubre). Trayectorias en diagramas ternarios. Elsevier. https://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-trayectorias-diagramas-ternarios-S0187893X18300995
