Sistema eutéctico

format_list_bulleted Contenido keyboard_arrow_down

ImprimirCitar

Punto de fusión inferior a los constituyentes

Un diagrama de fase para una mezcla química binaria ficticia (con los dos componentes denotados por A y B) utilizado para representar la composición eutectica, la temperatura y el punto. ()L denota el estado líquido.)

Un sistema eutéctico o mezcla eutéctica (yoo-TEK-tik) es una mezcla homogénea que tiene un punto de fusión inferior al de los constituyentes. El punto de fusión más bajo posible sobre todas las proporciones de mezcla de los constituyentes se denomina temperatura eutéctica. En un diagrama de fase, la temperatura eutéctica se ve como el punto eutéctico (ver gráfico a la derecha).

Las proporciones de mezclas no eutécticas tendrían diferentes temperaturas de fusión para sus diferentes constituyentes, ya que la red de un componente se derretirá a una temperatura más baja que la del otro. Por el contrario, a medida que una mezcla no eutéctica se enfría, cada uno de sus componentes se solidificaría (formaría una red) a una temperatura diferente, hasta que toda la masa sea sólida.

No todas las aleaciones binarias tienen puntos eutécticos, ya que los electrones de valencia de las especies componentes no siempre son compatibles, en cualquier proporción de mezcla, para formar un nuevo tipo de red cristalina conjunta. Por ejemplo, en el sistema plata-oro, la temperatura de fusión (liquidus) y la temperatura de congelación (solidus) "se encuentran en los puntos finales del elemento puro del eje de relación atómica mientras se separan ligeramente en la región de mezcla de este eje".

El término eutéctico fue acuñado en 1884 por el físico y químico británico Frederick Guthrie (1833–1886). La palabra se origina del griego εὐ- (eû 'bien') y τῆξῐς (têxis 'fusión').

Transición de fase eutéctica

Cuatro estructuras euteticas: A) lamellar B) barra-como C) globular D) acicular.

La solidificación eutéctica se define de la siguiente manera:

text{Liquid} xrightarrow[text{cooling}]{text{eutectic temperature}} alpha ,, text{solid solution} + beta ,, text{solid solution}

Este tipo de reacción es una reacción invariante, porque está en equilibrio térmico; otra forma de definir esto es el cambio en la energía libre de Gibbs igual a cero. De manera tangible, esto significa que el líquido y dos soluciones sólidas coexisten al mismo tiempo y están en equilibrio químico. También existe una parada térmica durante el cambio de fase durante el cual la temperatura del sistema no cambia.

La macroestructura sólida resultante de una reacción eutéctica depende de algunos factores, siendo el factor más importante cómo se nuclean y crecen las dos soluciones sólidas. La estructura más común es una estructura lamelar, pero otras estructuras posibles incluyen varillas, globulares y aciculares.

Composiciones no eutécticas

Las composiciones de sistemas eutécticos que no se encuentran en el punto eutéctico se pueden clasificar como hipoeutécticos o hipereutécticos. Las composiciones hipoeutécticas son aquellas con una composición porcentual menor de especies β y una mayor composición de especies α que la composición eutéctica (E) mientras que las soluciones hipereutécticas se caracterizan por tener una composición mayor de especies β y una composición menor de especies α que la eutéctica. composición. A medida que se reduce la temperatura de una composición no eutéctica, la mezcla líquida precipitará un componente de la mezcla antes que el otro. En una solución hipereutéctica habrá una fase proeutectoide de especie β mientras que una solución hipoeutéctica tendrá una fase proeutéctica α.

Tipos

Aleaciones

Las aleaciones eutécticas tienen dos o más materiales y tienen una composición eutéctica. Cuando se solidifica una aleación no eutéctica, sus componentes se solidifican a diferentes temperaturas, exhibiendo un rango de fusión plástico. Por el contrario, cuando una aleación eutéctica bien mezclada se funde, lo hace a una sola temperatura aguda. Las diversas transformaciones de fase que ocurren durante la solidificación de una composición de aleación particular pueden entenderse dibujando una línea vertical desde la fase líquida a la fase sólida en el diagrama de fase de esa aleación.

Algunos usos incluyen:

NEMA Eutectic Alloy Overload Relays for electric protection of 3-phase motors for bombs, ventiladores, transportadores, and other factory process equipment.
Aleaciones eróticas para soldadura, ambas aleaciones tradicionales compuestas de plomo (Pb) y estaño (Sn), a veces con plata adicional (Ag) o oro (Au) — especialmente Sn63Pb37 y Sn₆₂Pb₃₆Ag₂ fórmula de aleación para la electrónica - y nuevas aleaciones de soldadura sin plomo, en particular las compuestas de estaño (Sn), plata (Ag), y cobre (Cu) como Sn_96,5Ag_3.5.
Aleaciones de fundición, como aluminio-silicon y hierro fundido (en la composición del 4,3% de carbono en hierro produciendo un eutectic austenito-cementita)
Los chips de silicona se vinculan a sustratos dorados a través de un eutectic de oro de silicio mediante la aplicación de energía ultrasónica al chip. Vea la unión eutectica.
Brazing, donde la difusión puede eliminar elementos de aleación de la articulación, de modo que el derretimiento eutectico sólo es posible temprano en el proceso de brazamiento
Respuesta de la temperatura, por ejemplo, metal de madera y metal de campo para rociadores de incendios
Sustituciones de mercurio no tóxico, como el galinstan
Metales experimentales de vidrio, con resistencia a la corrosión extremadamente alta
Aleaciones euteticas de sodio y potasio (NaK) que son líquidos a temperatura ambiente y utilizados como refrigerante en reactores nucleares de neutrones rápidos experimentales.

otros

Cambio de fase sólido-líquido de mezclas de etanol-agua

El cloruro de sodio y el agua forman una mezcla eutectica cuyo punto eutectic es −21.2 °C y 23.3% de sal por masa. La naturaleza eutectica de la sal y el agua se explota cuando la sal se extiende en las carreteras para ayudar a la extracción de nieve, o mezclada con hielo para producir bajas temperaturas (por ejemplo, en la fabricación tradicional de helados).
El etanol – el agua tiene un punto eutectic inusualmente sesgado, es decir, está cerca del etanol puro, que establece la prueba máxima obtenible por congelación fraccional.
"Sala suave", 60% NaNO₃ y 40% KNO₃, forma una mezcla de sal fundida eutectica que se utiliza para el almacenamiento de energía térmica en centrales solares concentradas. Para reducir el punto de fusión eutectic en las sales fundidas solares, el nitrato de calcio se utiliza en la siguiente proporción: 42% Ca(NO₃)₂, 43% KNO_3, y 15% NaNO₃.
Lidocaína y prilocaína, ambos sólidos a temperatura ambiente, forman un eutectic que es un aceite con un punto de fusión de 16 °C (61 °F) que se utiliza en la mezcla eutectic de anestesia local (EMLA).
Menthol y camphor, ambos sólidos a temperatura ambiente, forman un eutectic que es un líquido a temperatura ambiente en las siguientes proporciones: 8:2, 7:3, 6:4, y 5:5. Ambas sustancias son ingredientes comunes en preparaciones extemporáneas de la farmacia.
Los minerales pueden formar mezclas eutecticas en rocas ígneas, dando lugar a texturas de intercrecimiento características exhibidas, por ejemplo, por granofil.
Algunas tintas son mezclas eutecticas, permitiendo que las impresoras de inyección de tinta funcionen a temperaturas inferiores.
El cloruro de Choline produce mezclas euteticas con muchos productos naturales como ácido cítrico, ácido médico y azúcares. Estas mezclas líquidas se pueden utilizar, por ejemplo, para obtener extractos antioxidantes y antidiabéticos de productos naturales.

Otros puntos críticos

Esquema de fase de hierro-carbono, mostrando la transformación eutectoide entre austenita (γ) y perlaita.

Eutectoide

Cuando la solución por encima del punto de transformación es sólida, en lugar de líquida, puede ocurrir una transformación eutectoide análoga. Por ejemplo, en el sistema hierro-carbono, la fase austenita puede sufrir una transformación eutectoide para producir ferrita y cementita, a menudo en estructuras laminares como perlita y bainita. Este punto eutectoide ocurre a 723 °C (1333 °F) y 0,76 % en peso de carbono.

Peritectoide

Una transformación peritectoide es un tipo de reacción isotérmica reversible que tiene dos fases sólidas que reaccionan entre sí al enfriarse un binario, ternario,..., n- aleación aria para crear una fase sólida completamente diferente y única. La reacción juega un papel clave en el orden y la descomposición de las fases cuasicristalinas en varios tipos de aleaciones. También se predice una transición estructural similar para los cristales columnares giratorios.

Peritectico

Diagrama de fase de aluminio de oro

Las transformaciones peritécticas también son similares a las reacciones eutécticas. Aquí, una fase líquida y sólida de proporciones fijas reaccionan a una temperatura fija para producir una sola fase sólida. Dado que el producto sólido se forma en la interfase entre los dos reactivos, puede formar una barrera de difusión y, en general, hace que tales reacciones se desarrollen mucho más lentamente que las transformaciones eutécticas o eutectoides. Debido a esto, cuando una composición peritectica solidifica no presenta la estructura lamelar que se encuentra con la solidificación eutéctica.

Tal transformación existe en el sistema hierro-carbono, como se ve cerca de la esquina superior izquierda de la figura. Se asemeja a un eutéctico invertido, con la fase δ combinándose con el líquido para producir austenita pura a 1495 °C (2723 °F) y 0,17 % de carbono.

A la temperatura de descomposición peritectica, el compuesto, en lugar de fundirse, se descompone en otro compuesto sólido y un líquido. La proporción de cada uno está determinada por la regla de la palanca. En el diagrama de fases Al-Au, por ejemplo, se puede ver que solo dos de las fases se funden congruentemente, AuAl2 y Au2Al, mientras que el resto se descompone peritecticamente.

Cálculo eutéctico

La composición y la temperatura de un eutéctico se pueden calcular a partir de la entalpía y la entropía de fusión de cada componente.

La energía libre de Gibbs G depende de su propio diferencial:

{displaystyle G=H-TSRightarrow {begin{cases}H=G+TS\left({frac {partial G}{partial T}}right)_{P}=-Send{cases}}Rightarrow H=G-Tleft({frac {partial G}{partial T}}right)_{P}.}

Por lo tanto, la derivada G/T a presión constante se calcula mediante la siguiente ecuación:

{displaystyle left({frac {partial G/T}{partial T}}right)_{P}={frac {1}{T}}left({frac {partial G}{partial T}}right)_{P}-{frac {1}{T^{2}}}G=-{frac {1}{T^{2}}}left(G-Tleft({frac {partial G}{partial T}}right)_{P}right)=-{frac {H}{T^{2}}}.}

El potencial químico $mu _{i}$ se calcula si suponemos que la actividad es igual a la concentración:

{displaystyle mu _{i}=mu _{i}^{circ }+RTln {frac {a_{i}}{a}}approx mu _{i}^{circ }+RTln x_{i}.}

En el equilibrio, ${displaystyle mu _{i}=0}$ , por lo tanto $mu_i^circ$ se obtiene como

{displaystyle mu _{i}=mu _{i}^{circ }+RTln x_{i}=0Rightarrow mu _{i}^{circ }=-RTln x_{i}.}

usar e integrar da da

{displaystyle left({frac {partial mu _{i}/T}{partial T}}right)_{P}={frac {partial }{partial T}}left(Rln x_{i}right)Rightarrow Rln x_{i}=-{frac {H_{i}^{circ }}{T}}+K.}

La constante de integración K puede ser determinado para un componente puro con una temperatura de fusión $T^circ$ y una enthalpy de fusión $H^circ$ :

{displaystyle x_{i}=1Rightarrow T=T_{i}^{circ }Rightarrow K={frac {H_{i}^{circ }}{T_{i}^{circ }}}.}

Obtenemos una relación que determina la fracción molar en función de la temperatura para cada componente:

{displaystyle Rln x_{i}=-{frac {H_{i}^{circ }}{T}}+{frac {H_{i}^{circ }}{T_{i}^{circ }}}.}

La mezcla de componentes n se describe con el sistema.

{displaystyle {begin{cases}ln x_{i}+{frac {H_{i}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{i}^{circ }}{RT_{i}^{circ }}}=0,\sum limits _{i=1}^{n}x_{i}=1.end{cases}}}

<math alttext="{displaystyle {begin{cases}forall i{}О О i.n⇒ ⇒ In⁡ ⁡ xi+Hi∘ ∘ RT− − Hi∘ ∘ RTi∘ ∘ =0,In⁡ ⁡ ()1− − .. i=1n− − 1xi)+Hn∘ ∘ RT− − Hn∘ ∘ RTn∘ ∘ =0,{displaystyle {begin{cases}forall Yo hice 'Rightarrow ln x_{i}+{frac {H_{i} {fnMicrosoft} } {RT}-{frac {H_{i} {fnMicrosoft}. }}=0,\ln left(1-sum limits ################################################################################################################################################################################################################################################################ {H_{n} {fn} {fn} {fn}fnK}} {fnK}}} {fn} {fn}fn}fn}fn}fnfnfnfn}\fnfnfnfnh00fnh00fnhn}}}}\\fnhn}\fn\\cH00cH00fnh00fn}}fn}\\cH00cH00cH00fn}fn}cH00fn}fn}fn}cH00fn}\cHhn}cH00cH00\cHh00fnh00fn}fn}cH00fn}cH00cH00cH00cH00fn}}cH00 } {RT}-{frac {H_{n} {fn} {fn} {fn}fnK}} {fnK}}} {fn} {fn}fn}fn}fn}fnfnfnfn}\fnfnfnfnh00fnh00fnhn}}}}\\fnhn}\fn\\cH00cH00fnh00fn}}fn}\\cH00cH00cH00fn}fn}cH00fn}fn}fn}cH00fn}\cHhn}cH00cH00\cHh00fnh00fn}fn}cH00fn}cH00cH00cH00cH00fn}}cH00. }=0,end{cases}}<img alt="{displaystyle {begin{cases}forall i

que se puede resolver con

{displaystyle {begin{array}{c}left[{begin{array}{*{20}c}{Delta x_{1}}\{Delta x_{2}}\{Delta x_{3}}\vdots \{Delta x_{n-1}}\{Delta T}\end{array}}right]=left[{begin{array}{*{20}c}{1/x_{1}}&0&0&0&0&{-{frac {H_{1}^{circ }}{RT^{2}}}}\0&{1/x_{2}}&0&0&0&{-{frac {H_{2}^{circ }}{RT^{2}}}}\0&0&{1/x_{3}}&0&0&{-{frac {H_{3}^{circ }}{RT^{2}}}}\vdots &ddots &ddots &ddots &ddots &{vdots }\0&0&0&0&{1/x_{n-1}}&{-{frac {H_{n-1}^{circ }}{RT^{2}}}}\{frac {-1}{1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{frac {-1}{1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{frac {-1}{1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{frac {-1}{1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{frac {-1}{1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}}&{-{frac {H_{n}^{circ }}{RT^{2}}}}\end{array}}right]^{-1}.left[{begin{array}{*{20}c}{ln x_{1}+{frac {H_{1}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{1}^{circ }}{RT_{1}^{circ }}}}\{ln x_{2}+{frac {H_{2}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{2}^{circ }}{RT_{2}^{circ }}}}\{ln x_{3}+{frac {H_{3}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{3}^{circ }}{RT_{3}^{circ }}}}\vdots \{ln x_{n-1}+{frac {H_{n-1}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{n-1}^{circ }}{RT_{n-1}^{circ }}}}\{ln left({1-sum limits _{i=1}^{n-1}{x_{i}}}right)+{frac {H_{n}^{circ }}{RT}}-{frac {H_{n}^{circ }}{RT_{n}^{circ }}}}\end{array}}right]end{array}}}

Contenido relacionado

Más resultados...