1414-L Práctica 6 Estudios en diagramas de fases SiO2-Na2O y preparación de vidrio

Química del Estado Sólido

Informe de práctica de laboratorio

Facultad de Química - UNAM

 Jonathan Saviñon de los Santos

Laboratorio de Química del Estado Sólido, Grupo 2. Facultad de Química - UNAM

Catedrático: Dra. María Elena del Refugio Villafuerte y Castrejón  1.- INTRODUCCIÓN Y FUNDAMENTOS

En un

se aprecia (en el caso de mezclas). En esta práctica analizaremos diagramas de fases (porciones homogéneas de un sistema, en un determinado estado de agregación) de mezclas binarias, es decir, de dos componentes (sustancias o especies químicas presentes en el sistema), en este caso óxido de silicio (SiO 2) y óxido sódico (Na2O). Gracias a los diagramas de fases, es muy fácil identificar distintas fases que pueden formar estas dos sustancias. Generalmente, en mezclas de Na 2O y SiO 2, a ciertos intervalos grandes de temperaturas y en casi todas las proporciones posibles, se logra llegar a una fase líquida, con características vítreas. Se tiene, en este caso, un grado de libertad, ya que para mantenernos con la misma fase, sólo podemos manipular la temperatura. A esta región, donde se tiene invariantemente un líquido vítreo en proporciones variables se le llama líquidus, y a la frontera que delimita esta región, se le llama línea de líquidus o de líquido principal.

Figura 1: Punto eutéctico.

En estos diagramas de fases de mezclas, los puntos que más llaman la atención son los Figura 2: Punto peritéctico. Se aprecia que en la fusión (disminuyendo T) se tienen 2 llamados eutécticos y peritécticos. La palabra proviene del griego y quiere decir “fácil de componentes, en lugar de uno. derretir”. Se le llama así al punto donde se tiene la mínima temperatura donde una mezcla puede fundir, y esta temperatura de fusión (T fus) de la mezcla además resulta menor que la T fus de los componentes individuales puros, es decir, se tiene un abatimiento en la T fus por debajo de lo normal, no obstante, esta T fus es siempre constante y congruente, para una composición de mezcla determinada, a la mezcla que tiene estas características (de fundir a una T menor que la de sus componentes individuales) se le llama mezcla eutéctica o fase eutectoide. En un punto , se tiene una fusión a la que se le llama “incongruente”. Aquí se tiene la trasformación sólido a y un líquido L en un sólido inicial ń durante el enfriamiento. En las figuras 1 y 2 se muestran estos puntos y su forma general en un diagrama de fases. En esta práctica se vio de qué forma afectaba la composición y condiciones de tratamiento térmico para obtener distintas formas de la mezcla SiO 2 y Na2O (se prepararon dichas muestras para lograr la ). Posteriormente, se obtuvieron los difractogramas de XRD para verificar la composición real de cada mezcla preparada y las fases presentes. Por último, y de forma didáctica, se vidriaron arriba de 950 °C y se les añadió color, quedando un vidrio muy colorido.  2.- RESULTADOS

Se realizaron las mezclas de SiO 2 y Na 2O, que se enumeran en la tabla 1. Aquí hay que hacer notar que ; al utilizar el carbonato, se aprovecha la siguiente transformación, que T  650 C da lugar a que se pueda utilizar el carbonato sin problemas : Na2CO3( s)    Na 2O( s)  CO2( g) . Tabla 1: Cantidades empleadas para las mezclas requeridas Composición de la Masa de Na2CO3(s) (g) Masa de SiO2(s) (g) mezcla (SiO2:Na2O) 1:1 (50%, 50%) 2:1 (66.6%, 33.3%) 25:75 55:45 40:60

5.2994 5.2994 2.6597 5.8294 4.2396

3.0042 1.5021 4.5063 2.7038 3.6051

Para determinar las masas enlistadas arriba se utilizó el siguiente cálculo rápido:

mreq  X 

a %req  ( 100% react react )M X

b gprod.sólido

Dónde: mreq  X: masa requerida del reactivo X (Na 2CO3 o SiO2). a % req: porcentaje requerido del reactivo en la mezcla. b gprod. sólido: masa total de sólido a producir (20 g para 1:1 y 2:1; 10 g para las tres restantes). MX: masa molar del reactivo X. 1

(6.1)

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A continuación, se muestran los resultados obtenidos del análisis de difracción de rayos-X (XRD).

Se observa que en el difractograma, la mezcla preparada coincide con las señales de la carta cristalográfica (16-0818) del silicato sódico; el sistema mostró también una muy ligera coincidencia con carbonato sódico (carta 01-077-2082), no obstante, sabemos qu ello no es posible, ya que esta materia prima descompone desde 600 °C (aunque no es tampoco inválido el descartar el que quedaran trazas sin reaccionar del compuesto, en dependencia de la calidad de la molienda). De acuerdo al diagrama de fases, se observa que se tiene exactamente esta misma fase, por lo que vemos que la preparación y el tratamiento estuvieron correctamente realizados.

Aquí se observa una coincidencia casi perfecta entre la muestra y el patrón de la carta cristalográfica (01-086-1560) para el Cuarzo cúbico (SiO2), es decir, se tiene una única fase de cuarzo. Comparando con el diagrama de fases, se observa también de forma coincidente en la región del cuarzo, muy cerca de la línea del líquidus. Esto indica que en realidad , ya que por errores de operario, se manejaron mal los reactivos, confundiéndolos, y al final simplemente se mezcló sílice con más sílice (en lugar de sílice con carbonato sódico). Este resultado de mezclas de Na2O y SiO2.

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En este difractograma, se observa que existen cuatro de fases presentes: el silicato sódico (Na 2SiO3, carta cristalográfica 16-0818), el Ń-disilicato sódico (Na2Si2O5, carta cristalográfica 22-1397), ņ-disilicato sódico (Na2Si2O5, carta cristalográfica 53-1234) y cuarzo. En este caso, se observa que la mayor parte de la mezcla en este caso la compone el cuarzo, seguido por silicato sódico. Comparado con el diagrama de fases, se observa que las fases obtenidas están fuera de la región deseada en el diagrama, por lo que no obtuvo la fase deseada. Posiblemente se deba a un proceso de molienda poco eficiente o no se molió por suficiente tiempo. Otra fuente de error importante es las malas condiciones en las que se encuentran las balanzas, impidiendo pesar cantidades exactas y precisas de la materia prima.

Aquí se observa de igual forma, la presencia de tres fases: silicato sódico, cuarzo y carbonato sódico. La predominante es la de silicato sódico, seguida del carbonato sódico. Remitiéndonos al diagrama de fases, observamos de nuevo que no coincide con las fases deseadas, además de que se tiene una gran cantidad de carbonato sódico, indicando una mala preparación de la muestra para el tratamiento, o bien, errores de operario al medir las cantidades de materia prima.

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En este difractograma, se aprecia que se tienen cuatro fases: silicato sódico, Ń-disilicato sódico, carbonato sódico y cuarzo. Aquí se tiene una contribución importante de silicato sódico y cuarzo, además de una notoria cantidad del carbonato sódico , y por último el Ń disilicato sódico. Al comparar con el diagrama de fases, es notorio que tampoco se obtuvo la fase deseada, incluso obteniendo cantidades importantes de cuarzo, que no son las esperadas. De igual forma, se tuvieron errores aleatorios y sistemáticos al momento de su preparación. En resumen, se tiene la siguiente tabla de resultados, donde se contrastan los datos obtenidos de los difractogramas de XRD con los que se esperaban a partir del diagrama de fases. Se anotan las fases presentes obtenidas en orden decreciente de su posible cantidad. Tabla 2: Resumen de resultados obtenidos Composición de la mezcla (SiO2:Na2O)

Fases obtenidas en XRD

Fases esperadas

Fases indeseadas

1:1 (50%, 50%)

Na2SiO3 Na2CO3

Na2SiO3 (Na2O ɠ SiO2)

Na2CO3

2:1 (66.6%, 33.3%)

SiO2 (cuarzo)

Na2Si2O5 (Na2O ɠ 2SiO2)

SiO2 (cuarzo) [Mal realizada]

Na2Si2O5 (Na2O ɠ 2SiO2) SiO2 (cuarzo)

Na2SiO3

Na2Si2O5 (Na2O ɠ 2SiO2) Na2SiO3 (Na2O ɠ SiO2)

SiO2 (cuarzo) Na2CO3

Na4SiO4 (2Na2O ɠ SiO2) Na2SiO3 (Na2O ɠ SiO2)

SiO2 (cuarzo) Na2CO3 Ń-Na2Si2O5

25:75

55:45

40:60

SiO2 (cuarzo) Na2SiO3 Ń-Na2Si2O5 ņ-Na2Si2O5 Na2SiO3 Na2CO3 SiO2 (cuarzo) Na2SiO3 SiO2 (cuarzo) Na2CO3 Ń-Na2Si2O5

Se observa que en general, se tuvieron fases no deseadas recurrentes, como cuarzo y carbonato sódico. Para vidriar, cada muestra se puso en crisoles ya utilizados y se llevaron a fusión por encima de 980 °C para lograr vidriarlos. Previamente a la fusión, se les agregaron determinadas sales que le darían color al vidrio a obtener.  3.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

En general, se observó una buena cantidad de errores aleatorios y sistemáticos al realizar la práctica, debido a diversas fuentes de error: pésimo estado de la balanzas (o mala calibración), errores de operario en la pesada, mala técnica de molienda o incluso errores de cálculo en las cantidades a utilizar de materia prima. No obstante estos errores que se pueden suprimir de forma fácil (incluyendo el error de en una mezcla confundir reactivos y utilizar únicamente SiO 2), se observó que el método de reacción al estado sólido, además de ser muy sencillo y fácil de realizar, resulta generalmente bueno en la obtención de los sólidos requeridos, habiendo que recalcar, que las 4

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técnicas y el tiempo de molienda, deben ser los adecuados. En conclusión, . La molienda debe ser la adecuada así como las cantidades para obtener los resultados deseados, los cuales pueden ser comprobados fácilmente por una difracción de rayos-X de polvos. Con ello también se aprendió el manejo de diagramas de fases, de sistemas que involucran estructuras vítreas, con puntos eutécticos y peritécticos. Además vimos una forma didáctica de obtener a su vez, vidrio de diversos colores, simplemente, elevando la temperatura de la mezcla y añadiendo pequeñas cantidades de diversas sales que dan un color muy característico.  4.- CUESTIONARIO

1.- Localice en el diagrama de fases las composiciones trabajadas y anote los puntos de fusión de las mezclas preparadas.

Figura 3: Diagrama de Fases para el SiO 2-Na2O. Se indican las mezclas realizadas.

Tabla 2: T fus de las mezclas SiO 2-Na2O Composición de la mezcla T fus (aprox.) (SiO2:Na2O) 1:1 2:1 25:75 40:60 55:45

1090°C 870 °C 795°C 940°C 1050°C

2.- ¿Qué tipo de fusión presentan el SiO 2 y el Na2O? Anote el punto de fusión para dada uno de ellos.

Presentan, en forma pura, una fusión definida y constante, es decir una fusión congruente. Tfus SiO2 = 1700 °C (diagrama de fases), T fus Na2O = 1132 °C (teórico). 3.- ¿Cuál es el efecto de añadir Na 2O al SiO2?

Se tiene el abatimiento en la T fus de la mezcla, generando mezclas eutécticas y peritécticas. 4.- Escriba la reacción química balanceada que se lleva a cabo en la composición 50 % en mol de Na 2O y 50 % en mol de SiO 2.

Al reaccionar 50% a 50% se tiene una relación estequiométrica 1:1, por tanto, se tiene la siguiente reacción: calor Na2O(s)  SiO2(s)   Na 2SiO3(s) reacción al estado sólido 5.- Anote la temperatura de fusión del Na 2SiO3. ¿Qué tipo de fusión presenta este compuesto?

Tfus Na2SiO3 = 1090 °C. Presenta un punto de fusión peritéctico. 6.- Encuentre la composición y la temperatura a la cual se forma el Na 2SiO3.

En proporción 1:1, es decir, 50 % Na 2O y 50 % SiO 2. Se tiene un rango de temperaturas desde aproximadamente 600 °C hasta llegar 5

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por debajo de los 1090 °C. 7.- ¿A qué composiciones de las trabajadas y a que temperaturas se forman el cuarzo y la tridimita?

Para Cuarzo: 25:75 @ T = 795 °C Para Tridimita: 25:75 (misma composición) @ T > 867 °C 8.- ¿Qué esperaría encontrar si la composición 60 % en mol de SiO 2 – 40 % en mol de Na2O se lleva a las siguientes temperaturas? a) 1300 °C y b) 700 °C.

a) T = 1300 °C: Líquidus: SiO 2-Na2O. b) T = 700 °C: Na 2Si2O5 + Na2SiO3. 9.- En la composición 80 % en mol de SiO 2 y 20 % en mol de Na2O, ¿qué fases esperaría encontrar a las siguientes temperatura? a) 1300 °C y b) 850 °C.

a) T = 1300 °C: Líquidus: SiO 2-Na2O. b) T = 850 °C: Cuarzo + Líquido (Na 2O-SiO2, cuarzo líquido). 10.- Haga un esquema binario Na 2O-SiO2 y señale el punto donde se encuentra el 60 % en mol de tridimita y el 40 % en mol de líquido.

Se usó regala de la palanca para determinar aproximadamente el punto.

Figura 4: Diagrama de Fases para el SiO 2-Na2O, con punto de composición indicada señalado.

11.- Anote la composición del líquido formado en la composición anterior.

Se tendrá

% SiO2 y

% Na2O.

 5.- REFERENCIAS    

http://blog.utp.edu.co/metalografia/2012/07/29/4-diagrama-de-equilibrio-y-procesos-de-solidificacion-de-sustancias-puras-ymezclas/ G. W. Castellan. Fisicoquímica. Ed. Pretice-Hall Educación, 2a. ed., 1978. México. http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/material-de-clase-1/Tema5-Diagramas_de_fase-final.pdf  http://www.unlu.edu.ar/~qui10192/qi0020405.htm

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