Las proporciones de mezclas no eutécticas tendrían diferentes temperaturas de fusión para sus diferentes constituyentes, ya que la red de un componente se fundirá 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 esté sólida.
No todas las aleaciones binarias tienen puntos eutécticos, ya que los electrones de valencia de las especies componentes no siempre son compatibles, [ se necesita aclaración ] 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 la 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). La palabra proviene del griego εὐ - (eû) 'bien' y τῆξῐς (têxis) 'derretirse'. [2]
Transición de fase eutéctica
La solidificación eutéctica se define de la siguiente manera: [5]
Este tipo de reacción es una reacción invariante, porque está en equilibrio térmico ; Otra forma de definir esto es que el cambio en la energía libre de Gibbs es igual a cero. Tangiblemente, esto significa que el líquido y dos soluciones sólidas coexisten al mismo tiempo y están en equilibrio químico . También hay un paro térmico mientras dura el cambio de fase durante el cual la temperatura del sistema no cambia. [5]
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 laminar , pero otras estructuras posibles incluyen varillas, globulares y aciculares . [6]
Composiciones no eutécticas
Las composiciones de sistemas eutécticos que no se encuentran en el punto eutéctico se pueden clasificar como hipoeutécticas o hipereutécticas . Las composiciones hipoeutécticas son aquellas con una composición porcentual menor de especies β y una composición mayor de especies α que la composición eutéctica (E), mientras que las soluciones hipereutécticas se caracterizan por ser aquellas con una mayor composición de especies β y una composición menor de especies α que la composición 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. [5]
Tipos
Aleaciones
Las aleaciones eutécticas tienen dos o más materiales y tienen una composición eutéctica. Cuando una aleación no eutéctica solidifica, sus componentes 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 temperatura única y aguda. Las diversas transformaciones de fase que ocurren durante la solidificación de una composición de aleación particular se pueden entender trazando una línea vertical desde la fase líquida a la fase sólida en el diagrama de fases de 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. [7]
Aleaciones eutécticas para soldadura , ambas aleaciones tradicionales compuestas de plomo (Pb) y estaño (Sn), a veces con plata (Ag) u oro (Au) adicionales, especialmente fórmulas de aleaciones Sn 63 Pb 37 y Sn 62 Pb 36 Ag 2 para electrónica. y aleaciones de soldadura sin plomo más nuevas, en particular aquellas compuestas de estaño (Sn), plata (Ag) y cobre (Cu), como Sn 96,5 Ag 3,5 .
Soldadura fuerte , donde la difusión puede eliminar elementos de aleación de la unión, de modo que la fusión eutéctica solo es posible en las primeras etapas del proceso de soldadura fuerte.
El cloruro de sodio y el agua forman una mezcla eutéctica cuyo punto eutéctico es -21,2 °C [8] y 23,3% de sal en masa. [9] La naturaleza eutéctica de la sal y el agua se aprovecha cuando la sal se esparce en las carreteras para ayudar a retirar 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, lo que establece la máxima graduación que se puede obtener mediante congelación fraccionada .
El mentol y el alcanfor , ambos sólidos a temperatura ambiente, forman un eutéctico que es líquido a temperatura ambiente en las siguientes proporciones: 8:2, 7:3, 6:4 y 5:5. Ambas sustancias son ingredientes habituales en preparados extemporáneos de farmacia. [11]
El principal mecanismo de fortalecimiento de la estructura eutéctica en los metales es el fortalecimiento compuesto (ver mecanismos de fortalecimiento de los materiales ). Este mecanismo de deformación funciona mediante la transferencia de carga entre las dos fases constituyentes, donde la fase más flexible transfiere la tensión a la fase más rígida. [15] Al aprovechar la resistencia de la fase rígida y la ductilidad de la fase flexible, la tenacidad general del material aumenta. A medida que se varía la composición a formaciones hipoeutécticas o hipereutécticas, el mecanismo de transferencia de carga se vuelve más complejo ya que ahora hay transferencia de carga entre la fase eutéctica y la fase secundaria, así como la transferencia de carga dentro de la propia fase eutéctica.
Un segundo mecanismo de fortalecimiento sintonizable de las estructuras eutécticas es el espaciamiento de la fase secundaria. Al cambiar el espaciado de la fase secundaria, también cambia la fracción de contacto entre las dos fases a través de límites de fase compartidos. Al disminuir el espaciado de la fase eutéctica, creando una estructura eutéctica fina, se comparte más área de superficie entre las dos fases constituyentes, lo que resulta en una transferencia de carga más efectiva. [16] A microescala, el área límite adicional actúa como una barrera para que las dislocaciones fortalezcan aún más el material. Como resultado de este mecanismo de fortalecimiento, las estructuras eutécticas gruesas tienden a ser menos rígidas pero más dúctiles, mientras que las estructuras eutécticas finas son más rígidas pero más frágiles. [16] El espaciado de la fase eutéctica se puede controlar durante el procesamiento, ya que está directamente relacionado con la velocidad de enfriamiento durante la solidificación de la estructura eutéctica. Por ejemplo, para una estructura eutéctica laminar simple, el espacio mínimo entre laminillas es: [17]
Donde es la energía superficial del límite de dos fases, es el volumen molar de la fase eutéctica, es la temperatura de solidificación de la fase eutéctica, es la entalpía de formación de la fase eutéctica y es el subenfriamiento del material. Entonces, al alterar el subenfriamiento y, por extensión, la velocidad de enfriamiento, se controla el espaciamiento mínimo alcanzable de la fase secundaria.
El fortalecimiento de las fases eutécticas metálicas para resistir la deformación a altas temperaturas (ver deformación por fluencia ) es más complicado ya que el mecanismo de deformación primario cambia según el nivel de tensión aplicado. A altas temperaturas, donde la deformación está dominada por el movimiento de dislocación, el fortalecimiento de la transferencia de carga y el espaciado de fases secundarias permanecen mientras continúan resistiendo el movimiento de dislocación. En deformaciones inferiores donde la fluencia de Nabarro-Herring es dominante, la forma y el tamaño de la estructura de la fase eutéctica juegan un papel importante en la deformación del material, ya que afecta el área límite disponible para que se produzca la difusión de vacantes. [18]
Otros puntos críticos
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 0,76% en peso de carbono. [19]
Las transformaciones peritecticas también son similares a las reacciones eutécticas. Aquí, una fase líquida y sólida de proporciones fijas reaccionan a una temperatura fija para producir una única 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 avancen mucho más lentamente que las transformaciones eutécticas o eutectoides. Debido a esto, cuando una composición peritectica solidifica no muestra 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 1.495 °C (2.723 °F) y 0,17% de carbono.
A la temperatura de descomposición peritéctica, 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 observar que sólo dos de las fases se funden de forma congruente, AuAl 2 y Au 2 Al , mientras que el resto se descompone peritécticamente.
Cálculo eutéctico
La composición y temperatura de un eutéctico se pueden calcular a partir de la entalpía y la entropía de fusión de cada componente. [22]
La energía libre de Gibbs G depende de su propio diferencial:
Así, la derivada G / T a presión constante se calcula mediante la siguiente ecuación:
El potencial químico se calcula si asumimos que la actividad es igual a la concentración:
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Bibliografía
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Otras lecturas
Busque eutéctico en Wikcionario, el diccionario gratuito.
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