Sistema eutéctico

Mixture with a lower melting point than its constituents

"Eutéctico" vuelve a dirigir aquí. Para la mascota deportiva, consulte St. Louis College of Pharmacy § Mascot .

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

Un eutéctico ( / j U t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) ^[1] de la "εύ" griego (eu = bien) y "τήξις" (Texis = punto de fusión) es una mezcla homogénea de sustancias que se derrite o solidifica a una temperatura única que es más baja que el punto de fusión de cualquiera de los constituyentes. ^[2]

La temperatura eutéctica es la temperatura de fusión más baja posible en todas las proporciones de mezcla para las especies de componentes involucradas.

Al calentar cualquier otra relación de mezcla y alcanzar la temperatura eutéctica, la red de un componente se fundirá primero, mientras que la temperatura de la mezcla tiene que aumentar más para que (todas) las otras redes de componentes se fundan. Por el contrario, a medida que se enfría una mezcla no eutéctica, el componente de cada mezcla se solidificará (formará su red) a una temperatura distinta, hasta que todo el material esté sólido .

Las coordenadas que definen un punto eutéctico en un diagrama de fase son la relación porcentual eutéctica (en el eje de relación atómico / molecular (eje X) del diagrama) y la temperatura eutéctica (en el eje Y del diagrama). ^[3]

No todas las aleaciones binarias tienen puntos eutécticos porque los electrones de valencia de las especies componentes no siempre son compatibles, ^{[ aclaración necesaria ]} 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 extremos del elemento puro del eje de relación atómica mientras se separan ligeramente en la región de mezcla de este eje". ^[4]

El término eutéctico fue acuñado en 1884 por el físico y químico británico Frederick Guthrie (1833-1886). ^[5]

Transición de fase eutéctica

Cuatro estructuras eutécticas: A) lamelar B) en forma de varilla C) globular D) acicular.

La solidificación eutéctica se define de la siguiente manera: ^[6]

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

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. En forma tangible, esto significa que las soluciones líquida y sólida coexisten todas al mismo tiempo y están en equilibrio químico . También hay una detención térmica durante la duración del cambio de fase durante el cual la temperatura del sistema no cambia. ^[6]

La macroestructura sólida resultante de una reacción eutéctica depende de algunos factores, siendo el factor más importante cómo las dos soluciones sólidas se nuclean y crecen. La estructura más común es una estructura laminar , pero otras estructuras posibles incluyen varillas, globulares y aciculares . ^[7]

Composiciones no eutécticas

Las composiciones de sistemas eutécticos que no están en la composición eutéctica pueden clasificarse como hipoeutécticas o hipereutécticas . 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 aquellas con una mayor composición de especies β y una menor composición de especies α que las eutécticas. 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 la especie β, mientras que una solución hipoeutéctica tendrá una fase α proeutéctica. ^[6]

Tipos

Aleaciones

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

Algunos usos incluyen:

• Relés de sobrecarga de aleación eutéctica NEMA para protección eléctrica de motores trifásicos para bombas, ventiladores, transportadores y otros equipos de proceso de fábrica. ^[8]
• Aleaciones eutécticas para soldadura , ambas aleaciones tradicionales compuestas de plomo (Pb) y estaño (Sn), a veces con plata (Ag) u oro (Au) adicionales , especialmente la fórmula de aleación Sn 63 Pb 37 para electrónica, y aleaciones de soldadura sin plomo más nuevas. , en particular los compuestos de estaño (Sn), plata (Ag) y cobre (Cu).
• Aleaciones de fundición, como aluminio-silicio y hierro fundido (con una composición de 4,3% de carbono en el hierro que produce un eutéctico de austenita - cementita )
• Los chips de silicio se unen a sustratos chapados en oro a través de un eutéctico de silicio-oro mediante la aplicación de energía ultrasónica al chip. Ver unión eutéctica .
• Soldadura fuerte , donde la difusión puede eliminar los elementos de aleación de la junta, de modo que la fusión eutéctica solo sea posible al principio del proceso de soldadura fuerte.
• Respuesta a la temperatura, por ejemplo, metal de Wood y metal de Field para rociadores contra incendios
• Reemplazos de mercurio no tóxicos , como galinstan
• Metales vítreos experimentales , con una resistencia extremadamente alta y resistencia a la corrosión.
• Aleaciones eutécticas de sodio y potasio ( NaK ) que son líquidas a temperatura ambiente y se utilizan como refrigerante en reactores nucleares experimentales de neutrones rápidos .

Otros

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

• El cloruro de sodio y el agua forman una mezcla eutéctica cuyo punto eutéctico es -21,2 ° C ^[9] y un 23,3% de sal en masa. ^[10] La naturaleza eutéctica de la sal y el agua se aprovecha cuando la sal se esparce en las carreteras para ayudar a quitar la nieve , o se mezcla con hielo para producir bajas temperaturas (por ejemplo, en la elaboración tradicional de helados ).
• El etanol-agua tiene un punto eutéctico inusualmente sesgado, es decir, está cerca del etanol puro, que establece la prueba máxima obtenible por congelación fraccionada .
• La "sal solar", 60% NaNO ₃ y 40% KNO ₃ , forma una mezcla de sales fundidas eutécticas que se utiliza para el almacenamiento de energía térmica en plantas de energía solar concentrada . ^[11] Para reducir el punto de fusión eutéctico en las sales fundidas solares, se utiliza nitrato de calcio en la siguiente proporción: 42% Ca (NO ₃ ) ₂ , 43% KNO ₃ y 15% NaNO ₃ .
• La lidocaína y la prilocaína —ambas son sólidas a temperatura ambiente— forman un aceite eutéctico con un punto de fusión de 16 ° C (61 ° F) que se utiliza en preparaciones de mezcla eutéctica de anestésicos locales (EMLA).
• El mentol y el alcanfor , ambos sólidos a temperatura ambiente, forman un eutéctico 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 las preparaciones extemporáneas de farmacia. ^[12]
• Los minerales pueden formar mezclas eutécticas en rocas ígneas, dando lugar a texturas características de intercrecimiento exhibidas, por ejemplo, por granophyre . ^[13]
• Algunas tintas son mezclas eutécticas, lo que permite que las impresoras de inyección de tinta funcionen a temperaturas más bajas. ^[14]

Otros puntos críticos

Diagrama de fase hierro-carbono, que muestra la transformación eutectoide entre austenita (γ) y perlita.

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 se produce a 723 ° C (1333 ° F) y aproximadamente 0,8% de carbono. ^[15]

Peritectoide

Una transformación peritectoide es un tipo de reacción isotérmica reversible que tiene dos fases sólidas que reaccionan entre sí al enfriarse una aleación binaria, ternaria, ..., -aria para crear una fase sólida completamente diferente y única. ^[16] La reacción juega un papel clave en el orden y la descomposición de las fases cuasicristalinas en varios tipos de aleaciones. ^[17] También se predice una transición estructural similar para cristales columnares giratorios.${\displaystyle n\!}$

Peritectic

Diagrama de fases de oro-aluminio

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 interfaz entre los dos reactivos, puede formar una barrera de difusión y generalmente hace que tales reacciones se desarrollen mucho más lentamente que las transformaciones eutécticas o eutectoides. Por ello, cuando una composición peritéctica solidifica no presenta la estructura laminar 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 peritáctica, 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, AuAl 2 y Au 2 Al , mientras que el resto se descompone peritácticamente.

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. ^[18]

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

${\displaystyle G=H-TS\Rightarrow {\begin{cases}H=G+TS\\\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}=-S\end{cases}}\Rightarrow H=G-T\left({\frac {\partial G}{\partial T}}\right)_{P}.}$

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

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

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

${\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln {\frac {a_{i}}{a}}\approx \mu _{i}^{\circ }+RT\ln x_{i}.}$

En el equilibrio,, así se obtiene como${\displaystyle \mu _{i}=0}$${\displaystyle \mu _{i}^{\circ }}$

${\displaystyle \mu _{i}=\mu _{i}^{\circ }+RT\ln x_{i}=0\Rightarrow \mu _{i}^{\circ }=-RT\ln x_{i}.}$

Usar ^{[ aclaración necesaria ]} e integrar da

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

La constante de integración K puede determinarse para un componente puro con una temperatura de fusión y una entalpía de fusión :${\displaystyle T^{\circ }}$${\displaystyle H^{\circ }}$

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

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

${\displaystyle R\ln x_{i}=-{\frac {H_{i}^{\circ }}{T}}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{T_{i}^{\circ }}}.}$

La mezcla de n componentes es descrita por el sistema

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

${\displaystyle {\begin{cases}\forall i<n\Rightarrow \ln x_{i}+{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{i}^{\circ }}{RT_{i}^{\circ }}}=0,\\\ln \left(1-\sum \limits _{i=1}^{n-1}x_{i}\right)+{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT}}-{\frac {H_{n}^{\circ }}{RT_{n}^{\circ }}}=0,\end{cases}}}$

que puede ser resuelto por

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

Ver también

• Azeótropo o mezcla de ebullición constante
• Depresión del punto de congelación

Referencias

1. "eutéctico" . Diccionario Merriam-Webster .
2. Guthrie, F. (1884). "Sobre Eutexia" . Sociedad física : 462–482.
3. Smith y Hashemi , 2006 , págs. 326–327
4. "Colección de diagramas de fase" . www.crct.polymtl.ca .
5. Guthrie, Frederick (1884) "Sobre la eutexia", Revista filosófica , quinta serie, 17  : 462–482. Desde p. 462: "El argumento principal de la presente comunicación gira en torno a la existencia de cuerpos compuestos, cuya principal característica es la baja temperatura de fusión. Esta propiedad de los cuerpos puede denominarse Eutexia †, los cuerpos que la poseen cuerpos eutécticos o eutécticos ( εύ τήκειν ) ".
6. Smith y Hashemi , 2006 , p. 327.
7. Smith y Hashemi , 2006 , págs. 332–333.
8. "Funcionamiento de las sobrecargas" . Consultado el 5 de agosto de 2015 .
9. Muldrew, Ken; Locksley E. McGann (1997). "Diagramas de fase" . Criobiología: un curso corto . Universidad de Calgary. Archivado desde el original el 15 de junio de 2006 . Consultado el 29 de abril de 2006 .
10. Senese, Fred (1999). "¿El agua salada se expande tanto como el agua dulce cuando se congela?" . Soluciones: preguntas frecuentes . Departamento de Química, Universidad Estatal de Frostburg . Consultado el 29 de abril de 2006 .
11. "Propiedades de las sales fundidas" . Especificaciones de la planta solar de Arquímedes .
12. Phaechamud, Thawatchai; Tuntarawongsa, Sarun; Charoensuksai, Purin (octubre de 2016). "Comportamiento de evaporación y caracterización del solvente eutéctico y solución eutéctica de ibuprofeno" . AAPS PharmSciTech . 17 (5): 1213-1220. doi : 10.1208 / s12249-015-0459-x . ISSN 1530-9932 . PMID 26669887 .  
13. Fichter, Lynn S. (2000). "Diagramas de fase ígnea" . Rocas ígneas . Universidad James Madison . Consultado el 29 de abril de 2006 .
14. Davies, Nicholas A .; Beatrice M. Nicholas (1992). "Composiciones eutécticas para tintas hot melt jet" . Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU ., Base de datos de imágenes y texto completo de patentes Oficina de Patentes y Marcas de Estados Unidos . Consultado el 29 de abril de 2006 .
15. "Ejemplo de diagrama de fase de carburo de hierro-hierro" . Archivado desde el original (PDF) el 16 de febrero de 2008.
16. Compendio de terminología química de la IUPAC, versión electrónica. "Peritectoid Reaction", obtenido el 22 de mayo de 2007.
17. Modelo numérico de transformación peritectoide. Transformación peritectoide. Consultado el 22 de mayo de 2007. Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine.
18. Revista internacional de física moderna C, vol. 15, núm. 5. (2004), págs. 675–687.

Bibliografía

• Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Fundamentos de la ciencia y la ingeniería de los materiales (4a ed.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.

Lectura adicional

Busque eutéctico en Wikcionario, el diccionario gratuito.

• Askeland, Donald R .; Pradeep P. Phule (2005). La ciencia y la ingeniería de materiales . Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Easterling, Edward (1992). Transformaciones de fase en metales y aleaciones . CRC. ISBN 978-0-7487-5741-1.
• Mortimer, Robert G. (2000). Química Física . Prensa académica. ISBN 978-0-12-508345-4.
• Reed-Hill, RE; Reza Abbaschian (1992). Principios de la metalurgia física . Thomson-Engineering. ISBN 978-0-534-92173-6.
• Sadoway, Donald (2004). "Equilibrios de fase y diagramas de fase" (PDF) . 3.091 Introducción a la química del estado sólido, otoño de 2004 . Material didáctico abierto del MIT. Archivado desde el original (PDF) el 20 de octubre de 2005 . Consultado el 12 de abril de 2006 .