Diagramas de fase: Tipos y ejemplos

Introducción a los diagramas de fases

En química y ciencia de materiales, pocas herramientas son tan poderosas e informativas como el diagrama de fases. Proporciona un mapa visual de cómo se comporta una sustancia bajo diferentes combinaciones de temperatura y presión. Tanto si se analiza cómo el agua se convierte en vapor, cómo se endurece el acero o cómo se funde el silicio durante la fabricación de semiconductores, los diagramas de fase revelan la física subyacente que guía estas transformaciones.

Al trazar los límites entre las fases sólida, líquida y gaseosa, científicos e ingenieros pueden predecir la respuesta del material al calentarse, enfriarse o comprimirse. Desde las industrias metalúrgicas hasta las de procesamiento químico, los diagramas de fase son cruciales para diseñar materiales estables y rutas de producción eficientes.

Tipos de diagramas de fase

No todos los diagramas de fase son iguales: cada uno sirve para un propósito diferente dependiendo de la complejidad del sistema.

-Los diagramas unitarios (de un solo componente) muestran la relación de presión, temperatura y fase de un material puro. El ejemplo más común es el diagrama de fase del agua, que representa las regiones sólida (hielo), líquida (agua) y de vapor.

-Los diagramas de fase binarios representan sistemas de dos componentes, como el cobre-níquel o el hierro-carbono. Son especialmente importantes en metalurgia, donde la composición de una aleación tiene implicaciones directas en la dureza, la resistencia y el comportamiento de fusión.

-Los diagramas de fase ternarios, es decir, de tres componentes, se utilizan en materiales más complejos como cerámicas, vidrios o aleaciones multifásicas. Los diagramas de fase ternarios ayudan a los científicos a comprender cómo las distintas proporciones de los componentes afectan a la estabilidad y a la distribución de las fases.

Se puede predecir qué fase o fases existirán en un conjunto determinado de condiciones, lo que resulta esencial para la investigación y las aplicaciones industriales.

Los estados de la materia

Para comprender los diagramas de fases, hay que remontarse a los estadosfundamentales de la materia -sólido, líquido y gaseoso- y a cómo reaccionan ante los cambios de temperatura y presión.

- Sólido: Las moléculas se mantienen estrechamente unidas y oscilan en su lugar. Los sólidos tienen forma y volumen definidos, son densos y poseen baja entropía. Por ejemplo, el hielo es sólido a 0 °C y 1 atm debido a los enlaces de hidrógeno que mantienen las moléculas de agua en una estructura fija.

- Líquido: Las moléculas pueden moverse más libremente, lo que permite que los líquidos fluyan pero no cambien de volumen. Un buen ejemplo es el agua a 25 °C y 1 atm: ocupa la forma del recipiente pero es incompresible.

- Gas: Las moléculas están muy separadas y se mueven rápidamente. Los gases no tienen forma ni volumen definidos y son altamente compresibles. 100 °C y 1 atm de vapor de agua exhiben esta condición, que tiene alta entropía y movilidad molecular.

Características principales de los diagramas de fases

Hay varios rasgos característicos en todo diagrama de fases que permiten leer el comportamiento de los materiales.

-Punto triple: El conjunto único de condiciones en las que los estados sólido, líquido y gaseoso coexisten en equilibrio. Para el agua, es 0,01 °C y 0,006 atm, una condición que permite que los tres estados coexistan al mismo tiempo.

- Temperatura y presión del líquido por encima de las cuales las fases líquida y gaseosa dejan de estar separadas y, en su lugar, existen como un fluido supercrítico. En el caso del agua, esto ocurre a 374 °C y 218 atm. Los fluidos supercríticos poseen algunas propiedades de los líquidos y los gases y se utilizan en procesos avanzados de extracción y purificación.

- Límites de fase: Curvas o líneas que delimitan las fases. Al cruzar una línea o curva se produce un cambio de fase: fusión, ebullición o sublimación.

En conjunto, estas características proporcionan a los científicos una imagen completa de la estabilidad y el cambio de los materiales como resultado de las condiciones ambientales cambiantes.

Importancia de los diagramas de fases

Los diagramas de fase tienen usos básicos en la ciencia y la industria.

-Ciencia de los materiales y metalurgia: En la fabricación de acero, el diagrama de fases hierro-carbonodetermina los efectos del tratamiento térmico y la composición sobre la dureza y la ductilidad. Por ejemplo, la adición de un 0,8% de carbono y el temple transforman el acero en martensita, una fase dura pero quebradiza. Es posible conseguir microestructuras más blandas y dúctiles, como la ferrita y la perlita, variando las velocidades de enfriamiento.

- Ingeniería química: Los diagramas de fases dictan la eficacia de la separación en la destilación. Por ejemplo, el diagrama de fase binaria de etanol-agua indica la composición azeotrópica (95,6% de etanol), más allá de la cual la destilación normal no puede eliminar más impurezas de la mezcla.

- Electrónica y semiconductores: Los diagramas de fase del silicio y el germanio, por ejemplo, se utilizan para determinar los puntos de fusión y las características de solidificación, esenciales en el crecimiento de cristales y la fabricación de obleas.

-Aplicaciones medioambientales y meteorológicas: Los científicos atmosféricos utilizan los diagramas de fase del agua para predecir la formación de nubes y precipitaciones. Las transiciones de vapor, gota líquida y cristal de hielo en condiciones de presión variables explican fenómenos como la lluvia sobreenfriada o la formación de nieve.

En resumen, los diagramas de fases no son meros dispositivos teóricos, sino que sirven de guía para el diseño, la construcción y la predicción medioambiental.

Ejemplos y tabla resumen

El diagrama de fases del agua es especialmente conocido por sus extrañas peculiaridades. Por mencionar un ejemplo, el hielo se funde a temperaturas más bajas a presiones más altas, una propiedad que contrasta con la mayoría de las sustancias. Este comportamiento es el que hace que el patinaje sobre hielo funcione: la presión bajo la cuchilla derrite el hielo ligeramente y crea una fina película lubricante.

En el caso de los metales, el diagrama binario cobre-níquel indica una solubilidad completa en todas las composiciones, lo que hace posible la formación de aleaciones con una fuerza y una resistencia a la corrosión específicamente diseñadas. En cambio, el diagrama plomo-estaño, base para el diseño de soldaduras, posee un eutéctico a 183 °C -el punto de fusión más bajo para esa mezcla- y, por tanto, es adecuado para soldar componentes electrónicos.

Para más información

Para obtener información detallada sobre los diagramas de fases y la respuesta de los materiales a distintas condiciones térmicas y de presión, consulte Stanford Advanced Materials (SAM). Los materiales técnicos de su página web ofrecen información detallada sobre cerámicas, aleaciones y sistemas vítreos en una amplia gama de aplicaciones industriales.

Preguntas más frecuentes

¿Qué puedo aprender de un diagrama de fases?

Un diagrama de fases muestra las fases estables de un material a diferentes niveles de temperatura y presión, lo que permite predecir los puntos de fusión, ebullición o cristalización.

¿Por qué es importante el punto triple?

Es la condición en la que las tres fases -sólido, líquido y gas- coexisten en equilibrio, lo que resulta útil para la calibración de termómetros y el estudio de las transiciones de fase.

¿Qué ocurre en el punto crítico?

La distinción entre líquido y gas se hace nula, formando un fluido supercrítico con excelentes propiedades solvatantes y de transporte.

¿Se pueden aplicar los diagramas de fases a las mezclas?

Sí. Los diagramas de fases para sistemas binarios y ternarios describen el comportamiento de más de una sustancia, que se unen para formar aleaciones, soluciones o compuestos con propiedades únicas.

¿Por qué se utilizan los diagramas de fases en la industria?

Sirven de guía para procesos como el diseño de aleaciones, la destilación, el crecimiento de cristales y la sinterización de cerámicas, garantizando que los materiales tengan la estructura y el rendimiento deseados.