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Diagrama de Fases
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Diagramas de fase:
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.
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.
Información que podemos obtener de los diagramas de fase:
1. Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y
temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio).
2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un
elemento (o compuesto) en otro.
3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo
condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual
ocurre la solidificación.
4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.
Fig. Nº 1
Temperaturas de líquidus y de sólidus:
La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una
aleación por encima de líquidus 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 líquidus. La
temperatura de sólidus 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 sólidus.
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
sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican
dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La diferencia de
temperatura entre líquidus y sólidus 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.
Fig. Nº 2
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.
NIQUEL
Es un elemento metálico magnético, de aspecto blanco plateado,
utilizado principalmente en aleaciones. Es uno de los elementos de
transición del sistema periódico y su número atómico es 28.
Durante miles de años el níquel se ha utilizado en la acuñación de
monedas en aleaciones de níquel y cobre, pero no fue reconocido como
sustancia elemental hasta el año 1,751, cuando el químico sueco, Axil
Frederic Cronstedt, consiguió aislar el metal de una mena de niquelita.
Propiedades
El níquel es un metal duro, maleable y dúctil, que puede presentar un
intenso brillo. Tiene propiedades magnéticas por debajo de 345 °C.
Aparece bajo cinco formas isotópicas diferentes. El níquel metálico no
es muy activo químicamente. Es soluble en ácido nítrico diluido, y se
convierte en pasivo (no reactivo) en ácido nítrico concentrado. No
reacciona con los álcalis. Tiene un punto de fusión de 1,455 °C, y un
punto de ebullición de 2,730 °C, su densidad es de 8.9 g/cm3 y su masa
atómica 58.69.
Estado natural
El níquel aparece en forma de metal en los meteoros. También se
encuentra, en combinación con otros elementos, en minerales como la
garnierita, milerita, niquelita, pentlandita y pirrotina, siendo estos dos
últimos las principales menas del níquel. Ocupa el lugar 22 en
abundancia entre los elementos de la corteza terrestre.
Las menas de níquel contienen generalmente impurezas, sobre todo de
cobre. Las menas de sulfuros, como las de pentlandita y pirrotina
niquelífera se suelen fundir en altos hornos y se envían en forma de
matas de sulfuro de cobre y níquel a las refinerías, en donde se extrae
el níquel mediante procesos diversos. En el proceso electrolítico, el
níquel se deposita en forma de metal puro, una vez que el cobre ha sido
extraído por deposición a un voltaje distinto y con un electrólito
diferente. En el proceso de Mond, el cobre se extrae por disolución en
ácido sulfúrico diluido, y el residuo de níquel se reduce a níquel
metálico impuro. Al hacer pasar monóxido de carbono por el níquel
impuro se forma carbonilo de níquel (Ni(CO)4), un gas volátil. Este gas
calentado a 200 °C se descompone, depositándose el níquel metálico
puro.
Aplicaciones y producción
El níquel se emplea como protector y como revestimiento ornamental
de los metales; en especial de los que son susceptibles de corrosión
como el hierro y el acero. La placa de níquel se deposita por electrólisis
de una solución de níquel. Finamente dividido, el níquel absorbe 17
veces su propio volumen de hidrógeno y se utiliza como catalizador en
un gran número de procesos, incluida la hidrogenación del petróleo.
El níquel se usa principalmente en aleaciones, y aporta dureza y
resistencia a la corrosión en el acero. El acero de níquel, que contiene
entre un 2% y un 4% de níquel, se utiliza en piezas de automóviles,
como ejes, cigüeñales, engranajes, llaves y varillas, en repuestos de
maquinaria y en placas para blindajes. Algunas de las más importantes
aleaciones de níquel son la plata alemana, el invar, el monel, el nicromo
y el permalloy. Las monedas de níquel en uso son una aleación de 25%
de níquel y 75% de cobre. El níquel es también un componente clave
de las baterías de níquel-cadmio.
Los mayores depósitos de níquel se encuentran en Canadá, y se han
descubierto ricos yacimientos en el norte de Quebec en 1957. Le siguen
en importancia como productores de níquel, Cuba, Puerto Rico, la
antigua Unión Soviética (URSS), China y Australia. La producción
mundial minera de níquel alcanzó en 1991 unas 923,000 toneladas.
Compuestos
El níquel forma fundamentalmente compuestos divalentes, aunque se
dan casos en estados de oxidación formales que varían entre -1 y +4.
La mayoría de las sales de níquel, como el cloruro de níquel (II), NiCl2,
sulfato de níquel (II), NiSO4, y nitrato de níquel (II), Ni(NO3)2,
presentan color verde o azul, y están generalmente hidratadas. El
sulfato de amonio y níquel (NiSO4 · (NH4)2SO4 · 6H2O) se utiliza en
soluciones para galvanizado de níquel. Los compuestos del níquel se
identifican frecuentemente añadiendo un reactivo orgánico, la
dimetilglioxima, la cual reacciona con el níquel para formar un
precipitado floculante de color rojo.
Cobre
Elemento químico, de símbolo Cu, con número atómico 29; uno de los
metales de transición e importante metal no ferroso. Su utilidad se
debe a la combinación de sus propiedades químicas, físicas y
mecánicas, así como a sus propiedades eléctricas y su abundancia. El
cobre fue uno de los primeros metales usados por los humanos.
La mayor parte del cobre del mundo se obtiene de los sulfuros
minerales como la calcocita, covelita, calcopirita, bornita y enargita. Los
minerales oxidados son la cuprita, tenorita, malaquita, azurita, crisocola
y brocantita. El cobre natural, antes abundante en Estados Unidos, se
extrae ahora sólo en Michigan. El grado del mineral empleado en la
producción de cobre ha ido disminuyendo regularmente, conforme se
han agotado los minerales más ricos y ha crecido la demanda de
cobre. Hay grandes cantidades de cobre en la Tierra para uso futuro si
se utilizan los minerales de los grados más bajos, y no hay probabilidad
de que se agoten durante un largo periodo.
El cobre es el primer elemento del subgrupo I b de la tabla periódica y
también incluye los otros metales de acuñación, plata y oro. Su átomo
tiene la estructura electrónica 1s22s22p63s23p63d104s1. El bajo potencial
de ionización del electrón 4s1 da por resultado una remoción fácil del
mismo para obtener cobre(I), o ion cuproso, Cu+, y el cobre(II), o ion
cúprico, Cu2+, se forma sin dificultad por remoción de un electrón de la
capa 3d. El peso atómico del cobre es 63.546. tiene dos isótopos
naturales estables 63Cu y 65Cu. También se conocen nueve isótopos
inestables (radiactivos). El cobre se caracteriza por su baja actividad
química. Se combina químicamente en alguno de sus posibles estados
de valencia. La valencia más común es la de 2+ (cúprico), pero 1+
(cuproso) es también frecuente; la valencia 3+ ocurre sólo en unos
cuantos compuestos inestables.
Un metal comparativamente pesado, el cobre sólido puro, tiene una
densidad de 8.96 g/cm3 a 20ºC, mientras que el del tipo comercial varía
con el método de manufactura, oscilando entre 8.90 y 8.94. El punto de
fusión del cobre es de 1,083.0 (+/-) 0.1 ºC (1,981.4 +/- 0.2ºF). Su punto
de ebullición normal es de 2,595 ºC (4,703 ºF). El cobre no es
magnético; o más exactamente, es un poco paramagnético. Su
conductividad térmica y eléctrica son muy altas. Es uno de los metales
que puede tenerse en estado más puro, es moderadamente duro, es
tenaz en extremo y resistente al desgaste. La fuerza del cobre está
acompañada de una alta ductibilidad. Las propiedades mecánicas y
eléctricas de un metal dependen en gran medida de las condiciones
físicas, temperatura y tamaño de grano del metal.
De los cientos de compuestos de cobre, sólo unos cuantos son
frabricados de manera industrial en gran escala. El más importante es
el sulfato de cobre (II) pentahidratado o azul de vitriolo, CuSO4 . 5H2O.
Otros incluyen la mezcla de Burdeos; 3Cu(OH)2CuSO4; verde de París,
un complejo de metaarsenito y acetato de cobre; cianuro cuproso,
CuCN; óxido cuproso, Cu2O; cloruro cúprico, CuCL2; óxido cúprico,
CuO; carbonato básico cúprico; naftenato de cobre, el agente más
ampliamente utilizado en la prevención de la putrefacción de la
madera, telas, cuerdas y redes de pesca. Las principales aplicaciones
de los compuestos de cobre las encontramos en la agricultura, en
especial como fungicidas e insecticidas; como pigmentos; en
soluciones galvanoplásticas; en celdas primarias; como mordentes en
teñido, y como catalizadores.
Aquí hay varios links de la Universidad Politécnica
de Valencia como ejemplos de análisis de
diagramas de equilibrio:
“Diagramas de Equilibrio. Conceptos y Herramientas Básicas”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=67f51184-4885-cd43-875e-947c212294de
“Construcción de Diagramas de Equilibrio. Solubilidad Total en Estado Sólido”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=721a48ac-2d66-b745-8a46-bfc647ea2f9f
“Diagramas de Equilibrio. Herramientas de Análisis Cuantitativo”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=fa348121-cc5b-7b4f-8b13-8d62cc42bf8e
“Análisis de Diagramas de Equilibrio. Solubilidad Total en Estado Sólido”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=2b1a4608-81ae-3d49-ab63-e794ca31cbde
“Construcción de Diagramas de Equilibrio. Insolubilidad Total en Estado Sólido sin
Afinidad entre Componentes”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=de39153d-c918-1a4b-9a50-72b2023a634a
“Análisis de Diagramas de Equilibrio. Insolubilidad Total en Estado Sólido con
Transformación Eutéctica”
1ro https://polimedia.upv.es/visor/?id=3cb1873f-79fc-bc4b-9cbb-10f7285fdd1c
2do https://polimedia.upv.es/visor/?id=15280c88-bf72-784d-810e-564e8cfe9605
Otros ejemplos:
1 “Análisis de Diagramas de Equilibrio. Identificación de Fases y Componentes”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=b7d0a459-18bc-d24d-9a36-9a5df9a7b410
2 “Análisis de Diagramas de Equilibrio. Identificación de Transformaciones”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=0de526bc-46b0-3740-93cb-b1908ad5fafe
3 “Análisis de Diagramas de Equilibrio. Estudio de Enfriamiento de Aleaciones”
https://polimedia.upv.es/visor/?id=d98d50b5-ce3e-6a40-a43c-45a9734ab347