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Sistema eutéctico

Diagrama de fases para una mezcla química binaria ficticia (con los dos componentes indicados por A y B ) utilizado para representar la composición eutéctica, la temperatura y el punto. ( L indica el estado líquido).

Un sistema eutéctico o mezcla eutéctica ( / j ˈ t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) [1] es un tipo de mezcla homogénea que tiene un punto de fusión inferior al de los constituyentes. [2] El punto de fusión más bajo posible en todas las proporciones de mezcla de los constituyentes se denomina temperatura eutéctica . En un diagrama de fases , la temperatura eutéctica se ve como el punto eutéctico (ver gráfico a la derecha). [3]

Las proporciones de mezclas no eutécticas tienen diferentes temperaturas de fusión para sus distintos 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 solidifica en una red a una temperatura diferente, hasta que toda la masa es sólida.

No todas las aleaciones binarias tienen puntos eutécticos, ya que 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 finales del elemento puro del eje de proporción atómica mientras que se separan ligeramente en la región de mezcla de este eje". [4]

En el mundo real, las propiedades eutécticas se pueden utilizar de manera ventajosa en procesos como la unión eutéctica , donde los chips de silicio se unen a sustratos chapados en oro con ultrasonidos , y las aleaciones eutécticas resultan valiosas en aplicaciones tan diversas como la soldadura, la soldadura fuerte, la fundición de metales, la protección eléctrica, los sistemas de rociadores contra incendios y los sustitutos no tóxicos del mercurio.

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)  'fusión'. [2] Antes de sus estudios, los químicos asumían "que la aleación de punto de fusión mínimo debe tener sus constituyentes en algunas proporciones atómicas simples", lo que de hecho se demostró que no era así. [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]

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. De manera tangible, esto significa que las soluciones líquida y dos sólidas coexisten al mismo tiempo y están en equilibrio químico . También hay un arresto térmico 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 más importante la forma en que se nuclean y crecen las dos soluciones sólidas. La estructura más común es la estructura laminar , pero otras estructuras posibles incluyen la estructura en forma de varilla, la estructura globular y la estructura acicular . [7]

Composiciones no eutécticas

Las composiciones de los sistemas eutécticos que no están en el punto eutéctico se pueden clasificar como hipoeutécticas o hipereutécticas :

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 proeutéctica α. [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 plástico. Por el contrario, cuando una aleación eutéctica bien mezclada se funde, lo hace a una única temperatura precisa. 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 de las aleaciones eutécticas incluyen:

Otros

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

Mecanismos de fortalecimiento

Aleaciones

El mecanismo de fortalecimiento primario de la estructura eutéctica en los metales es el fortalecimiento compuesto (ver mecanismos de fortalecimiento de los materiales ). Este mecanismo de deformación funciona a través de la transferencia de carga entre las dos fases constituyentes, donde la fase más flexible transfiere la tensión a la fase más rígida. [16] Al aprovechar la resistencia de la fase rígida y la ductilidad de la fase flexible, aumenta la tenacidad general del material. A medida que la composición varía a formaciones hipoeutécticas o hipereutécticas, el mecanismo de transferencia de carga se vuelve más complejo, ya que existe una 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 ajustable de las estructuras eutécticas es el espaciamiento de la fase secundaria. Al cambiar el espaciamiento de la fase secundaria, también se modifica la fracción de contacto entre las dos fases a través de los límites de fase compartidos. Al disminuir el espaciamiento de la fase eutéctica, creando una estructura eutéctica fina, se comparte más área de superficie entre las dos fases constituyentes, lo que da como resultado una transferencia de carga más efectiva. [17] En la microescala, el área límite adicional actúa como una barrera para las dislocaciones que refuerzan 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. [17] El espaciamiento 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 espaciamiento mínimo de las láminas es: [18]

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. Por lo tanto, 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 primaria cambia dependiendo del 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 espaciamiento de la fase secundaria se mantienen ya que continúan resistiendo el movimiento de dislocación. A deformaciones más bajas donde la fluencia de Nabarro-Herring es dominante, la forma y el tamaño de la estructura de la fase eutéctica juegan un papel significativo en la deformación del material ya que afecta el área límite disponible para que ocurra la difusión de vacantes. [19]

Otros puntos críticos

Diagrama de fases 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 austenítica puede sufrir una transformación eutectoide para producir ferrita y cementita , a menudo en estructuras lamelares como la perlita y la bainita . Este punto eutectoide ocurre a 723 °C (1333 °F) y 0,76 % en peso de carbono. [20]

Peritectoide

Una transformación peritectoide es un tipo de reacción isotérmica reversible en la que dos fases sólidas reaccionan entre sí al enfriarse una aleación binaria, ternaria, ..., n -aria para crear una fase sólida completamente diferente y única. [21] La reacción juega un papel clave en el orden y la descomposición de las fases cuasicristalinas en varios tipos de aleaciones. [22] También se predice una transición estructural similar para los cristales columnares giratorios.

Peritéctico

Diagrama de fases de oro y aluminio

Las transformaciones peritécticas también son similares a las reacciones eutécticas. En ellas, una fase líquida y una sólida de proporciones fijas reaccionan a una temperatura fija para producir una única 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 dichas reacciones se desarrollen mucho más lentamente que las transformaciones eutécticas o eutectoides. Debido a esto, cuando una composición peritéctica se solidifica, no muestra la estructura laminar que se encuentra en 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 una eutéctica invertida, en la que la fase δ se combina con el líquido para producir austenita pura a 1495 °C (2723 °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 en un líquido. La proporción de cada uno de ellos se determina mediante la regla de la palanca . En el diagrama de fases Al-Au , por ejemplo, se puede ver que sólo dos de las fases se funden de forma congruente, AuAl 2 y Au 2 Al , mientras que el resto se descomponen de forma peritéctica.

"Mala solución sólida"

No todos los sistemas de punto de fusión mínimo son "eutécticos". La alternativa de "solución sólida pobre" se puede ilustrar comparando los sistemas comunes de metales preciosos Cu-Ag y Cu-Au. Cu-Ag, fuente por ejemplo https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Ag-Cu.php, es un verdadero sistema eutéctico. El punto de fusión eutéctico está a 780 C, con límites de solubilidad sólida a finuras de 80 y 912 en peso, y eutéctico a 719. Dado que Cu-Ag es un verdadero eutéctico, cualquier plata con finuras en cualquier lugar entre 80 y 912 alcanzará la línea de solidus, y por lo tanto se fundirá al menos parcialmente, exactamente a 780 C. La aleación eutéctica con finura exactamente 719 alcanzará la línea de liquidus, y por lo tanto se fundirá por completo, a esa temperatura exacta sin ningún aumento adicional de temperatura hasta que toda la aleación se haya fundido. Cualquier plata con una finura entre 80 y 912 pero no exactamente 719 también alcanzará la línea de solidus exactamente a 780 C, pero se fundirá parcialmente. Dejará un residuo sólido con una finura de exactamente 912 o exactamente 80, pero nunca algo de ambas. Se fundirá a temperatura constante sin un mayor aumento de temperatura hasta que la cantidad exacta de aleación eutéctica (finura 719) se haya fundido para dividir la aleación en fusión eutéctica y residuo de solución sólida. Al calentar más, el residuo de solución sólida se disuelve en la fusión y cambia su composición hasta que se alcanza la línea de liquidus y todo el residuo se ha disuelto. La fuente de Cu-Au, por ejemplo https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Au-Cu.php muestra un punto de fusión mínimo a 910 C y se da como 44 % atómico de Cu, que se convierte en aproximadamente 20 por ciento en peso de Cu, aproximadamente 800 de finura de oro. Pero esto no es un verdadero eutéctico. El oro de 800 grados se funde a 910 C, formando una masa fundida de exactamente la misma composición, y toda la aleación se fundirá exactamente a la misma temperatura. Pero las diferencias ocurren fuera de la composición mínima. A diferencia de la plata con una finura distinta de 719 (que se funde parcialmente exactamente a 780 C a través de un amplio rango de finuras), el oro con una finura distinta de 800 alcanzará el estado sólido y comenzará a fundirse parcialmente a una temperatura diferente y superior a 910 C, dependiendo de la finura de la aleación. La fusión parcial provoca algunos cambios en la composición: el líquido tendrá una finura más cercana a 800 que el sólido restante, pero el líquido no tendrá una finura de exactamente 800 y la finura del sólido restante dependerá de la finura del líquido. La razón subyacente es que para un sistema eutéctico como Cu-Ag, la solubilidad en fase líquida es buena, pero la solubilidad en fase sólida es limitada. Por lo tanto, cuando una aleación de plata y cobre se congela, en realidad se separa en cristales de plata de finura 912 y plata de finura 80, ambos están saturados y siempre tienen la misma composición en el punto de congelación de 780 C. Por lo tanto, la aleación justo por debajo de 780 C consta de dos tipos de cristales de exactamente la misma composición, independientemente de la composición total de la aleación, solo difiere la cantidad relativa de cada tipo de cristales.Por lo tanto, siempre se funden a 780 C hasta que se agoten uno u otro tipo de cristales, o ambos. Por el contrario, en el sistema Cu-Au los componentes son miscibles en el punto de fusión en todas las composiciones, incluso en estado sólido. Puede haber cristales de cualquier composición, que se fundirán a diferentes temperaturas según la composición. Sin embargo, el sistema Cu-Au es una solución sólida "pobre". Existe un desajuste sustancial entre los átomos en el sólido que, sin embargo, cerca del punto de fusión se supera por la entropía del movimiento térmico que mezcla los átomos. Sin embargo, ese desajuste desfavorece a la solución Cu-Au en relación con las fases en las que los átomos están mejor ajustados, como el fundido, y hace que el punto de fusión caiga por debajo del punto de fusión de los componentes.

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. [23]

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 suponemos que la actividad es igual a la concentración:

En el equilibrio, , se obtiene así

Usando [ aclaración necesaria ] e integrando obtenemos

La constante de integración K se puede determinar para un componente puro con una temperatura de fusión y una entalpía de fusión :

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

La mezcla de n componentes se describe mediante el sistema

que se puede resolver mediante

Véase también

Referencias

  1. ^ "eutéctico". Diccionario Merriam-Webster.com . Merriam-Webster.
  2. ^ ab Guthrie, Frederick (junio de 1884). "LII. Sobre la eutexia". Revista filosófica y revista científica de Londres, Edimburgo y Dublín . 5.ª serie. 17 (108): 462–482. doi :10.1080/14786448408627543. pág. 462: El argumento principal de la presente comunicación gira en torno a la existencia de cuerpos compuestos, cuya característica principal es la baja temperatura de fusión. Esta propiedad de los cuerpos puede llamarse eutexia, y los cuerpos que la poseen se denominan cuerpos eutécticos o eutécticos ( εὖ τήκειν ).
  3. ^ Smith y Hashemi 2006, págs. 326-327
  4. ^ "Colección de diagramas de fases". www.crct.polymtl.ca .
  5. ^ Gran Bretaña), Chemical Society (Gran Bretaña (1885). Revista de la Sociedad Química. Sociedad Química.
  6. ^ abc Smith y Hashemi 2006, pág. 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 fases". Criobiología: un curso breve . 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". Archimede Solar Plant Specs . Archivado desde el original el 20 de abril de 2020. Consultado el 15 de julio de 2011 .
  12. ^ Faechamud, Thawatchai; Tuntarawongsa, Sarun; Charoensuksai, Purin (octubre de 2016). "Comportamiento de evaporación y caracterización de disolvente 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). "Igneous Phase Diagrams". Igneous Rocks . Universidad James Madison. Archivado desde el original el 28 de junio de 2011. Consultado el 29 de abril de 2006 .
  14. ^ US 5298062A, Davies, Nicholas A. y Nicholas, Beatrice M., "Composiciones eutécticas para tintas de inyección termofusibles", publicado el 29 de marzo de 1994, emitido el 29 de marzo de 1994 
  15. ^ Socas-Rodríguez, Bárbara; Torres-Cornejo, Mónica Vanesa; Álvarez-Rivera, Gerardo; Mendiola, José A. (mayo de 2021). "Disolventes eutécticos profundos para la extracción de compuestos bioactivos de fuentes naturales y subproductos agrícolas". Ciencias Aplicadas . 11 (1): 4897. doi : 10.3390/app11114897 . hdl : 10261/253199 . ISSN  2076-3417.
  16. ^ Courtney, TH (1990). Comportamiento mecánico de los materiales (2.ª ed.). Nueva York: McGraw-Hill.
  17. ^ ab Callister, WD (2010). Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción .
  18. ^ Porter, DA; Easterling, KE; Sherif, MY (2009). Transformaciones de fase en metales y aleaciones .
  19. ^ Wu, T.; Plotkowski, A.; Shyam, A.; Dunand, DC "Microestructura y propiedades de fluencia de aleaciones de Al-Ce-Ni fundidas casi eutécticas". Mater. Sci. Eng. A. 833 : 12.
  20. ^ Ballentine, Kim (28 de abril de 1996). "Ejemplo de diagrama de fases de hierro-carburo de hierro". Archivado desde el original (PDF) el 16 de febrero de 2008.
  21. ^ IUPAC , Compendio de terminología química , 2.ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) "Reacción peritectoide". doi :10.1351/goldbook.P04501
  22. ^ Das, Amit; Manna, Indranil; Pabi, SK (octubre de 1999). "Un modelo numérico de transformación peritectoide". Metallurgical and Materials Transactions A . 30 (10). The Minerals, Metals & Materials Society , ASM International : 2563–2573. Bibcode :1999MMTA...30.2563D. doi :10.1007/s11661-999-0295-2. S2CID  95279944.
  23. ^ Brunet, Luc E.; Caillard, Jean; André, Pascal (junio de 2004). "Cálculo termodinámico de mezclas eutécticas de n componentes". Revista Internacional de Física Moderna C . 15 (5). World Scientific: 675–687. Código Bibliográfico :2004IJMPC..15..675B. doi :10.1142/S0129183104006121.

Bibliografía

Lectura adicional