Эвтектическая система

Фазовая диаграмма для фиктивной бинарной химической смеси (с двумя компонентами, обозначенными A и B ), используемая для изображения эвтектического состава, температуры и точки. ( L обозначает жидкое состояние.)

Эвтектической системы ( / J ¯u т ɛ к т ɪ к / yoo- ТЕК -tik ) ^[1] от греческого «εύ» (ес = хорошо) и «τήξις» (= плавление беременность и роды) представляет собой гомогенную смесь веществ который плавится или затвердевает при одной температуре ниже точки плавления любого из компонентов. ^[2]

Температура эвтектики - это минимально возможная температура плавления из всех соотношений компонентов смеси .

При нагревании смеси с любым другим соотношением компонентов и достижении температуры эвтектики сначала расплавляется решетка одного компонента , в то время как температура смеси должна дополнительно увеличиваться для (всех) решеток (решеток) другого компонента, чтобы расплавиться. И наоборот, когда неэвтектическая смесь остывает, каждый компонент смеси затвердевает (образует свою решетку) при определенной температуре, пока весь материал не станет твердым .

Координаты, определяющие эвтектическую точку на фазовой диаграмме, - это процентное соотношение эвтектики (на оси атомных / молекулярных отношений (ось X) диаграммы) и температура эвтектики (на оси Y диаграммы). ^[3]

Не все бинарные сплавы имеют точки эвтектики, потому что валентные электроны составляющих компонентов не всегда совместимы ^{[ требуется пояснение ]} при любом соотношении компонентов смеси, чтобы сформировать новый тип совместной кристаллической решетки. Например, в системе серебро-золото температура плавления ( ликвидус ) и температура застывания ( солидус ) «встречаются в конечных точках чистых элементов оси атомных соотношений, при этом слегка разделяясь в области смеси на этой оси». ^[4]

Термин эвтектика был введен в 1884 году британским физиком и химиком Фредериком Гатри (1833–1886). ^[5]

Эвтектический фазовый переход [ править ]

Эвтектическое затвердевание определяется следующим образом: ^[6]

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

Этот тип реакции является инвариантной реакцией, поскольку находится в тепловом равновесии ; другой способ определить это - изменение свободной энергии Гиббса, равное нулю. Фактически это означает, что жидкость и два твердых раствора сосуществуют одновременно и находятся в химическом равновесии . Также имеется тепловая остановка на время смены фазы, во время которой температура системы не изменяется. ^[6]

Результирующая твердая макроструктура в результате эвтектической реакции зависит от нескольких факторов, наиболее важным из которых является то, как два твердых раствора зарождаются и растут. Наиболее распространенная структура - пластинчатая структура , но другие возможные структуры включают стержневидные, шаровидные и игольчатые . ^[7]

Неэвтектические композиции [ править ]

Композиции эвтектических систем, не входящие в состав эвтектических, можно классифицировать как доэвтектические или заэвтектические . Ипоэвтектические составы - это составы с меньшим процентным составом видов β и большим составом видов α, чем эвтектический состав (E), в то время как заэвтектические растворы характеризуются как растворы с более высоким составом видов β и более низким составом видов α, чем эвтектические. сочинение. При понижении температуры неэвтектического состава жидкая смесь будет осаждать один компонент смеси раньше другого. В заэвтектическом растворе будет проэвтектоидная фаза вида β, тогда как доэвтектический раствор будет иметь проэвтектическую α-фазу. ^[6]

Типы [ править ]

Сплавы [ править ]

Эвтектические сплавы состоят из двух или более материалов и имеют эвтектический состав. Когда неэвтектический сплав затвердевает, его компоненты затвердевают при разных температурах, демонстрируя диапазон плавления пластика. И наоборот, когда хорошо перемешанный эвтектический сплав плавится, это происходит при одной резкой температуре. Различные фазовые превращения, которые происходят во время затвердевания определенного состава сплава, можно понять, проведя вертикальную линию от жидкой фазы к твердой фазе на фазовой диаграмме этого сплава.

Некоторые виды использования включают:

• Реле перегрузки из эвтектического сплава NEMA для электрической защиты трехфазных двигателей насосов, вентиляторов, конвейеров и другого производственного оборудования. ^[8]
• Эвтектические сплавы для пайки , как традиционные сплавы, состоящие из свинца (Pb) и олова (Sn), иногда с добавлением серебра (Ag) или золота (Au), особенно формула сплава Sn 63 Pb 37 для электроники, так и более новые бессвинцовые припои. , в частности, состоящие из олова (Sn), серебра (Ag) и меди (Cu).
• Литейные сплавы, такие как алюминий-кремний и чугун (в составе 4,3% углерода в железе , создающий аустенит - цементит эвтектического)
• Кремниевые чипы прикрепляются к позолоченным подложкам через эвтектику кремний-золото путем приложения к чипу ультразвуковой энергии. См. Эвтектическое связывание .
• Пайка , при которой диффузия может удалить легирующие элементы из соединения, так что эвтектическое плавление возможно только на ранних этапах процесса пайки.
• Ответ температуры, например, металл Вуда и металл Филда для пожарных спринклеров
• Нетоксичные заменители ртути , такие как галинстан
• Экспериментальные стеклообразные металлы с чрезвычайно высокой прочностью и коррозионной стойкостью
• Эвтектические сплавы натрия и калия ( NaK ), которые являются жидкими при комнатной температуре и используются в качестве теплоносителя в экспериментальных ядерных реакторах на быстрых нейтронах .

Другое [ править ]

• Хлорид натрия и вода образуют эвтектическую смесь с точкой эвтектики -21,2 ° C ^[9] и 23,3% соли по массе. ^[10] Эвтектическая природа соли и воды используется, когда соль разбрасывается по дорогам для облегчения уборки снега или смешивается со льдом для получения низких температур (например, при традиционном производстве мороженого ).
• Этанол-вода имеет необычно смещенную эвтектическую точку, то есть она близка к чистому этанолу, что устанавливает максимальное доказательство, достижимое при фракционной заморозке .
• «Солнечная соль», 60% NaNO ₃ и 40% KNO ₃ , образует эвтектическую смесь расплавленных солей, которая используется для хранения тепловой энергии на солнечных электростанциях . ^[11] Для снижения температуры плавления эвтектики расплавленных солей на солнце используется нитрат кальция в следующей пропорции: 42% Ca (NO ₃ ) ₂ , 43% KNO ₃ и 15% NaNO ₃ .
• Лидокаин и прилокаин - оба являются твердыми веществами при комнатной температуре - образуют эвтектику, которая представляет собой масло с температурой плавления 16 ° C (61 ° F), которое используется в эвтектических смесях препаратов местного анестетика (EMLA).
• Ментол и камфора , твердые при комнатной температуре, образуют эвтектику, которая представляет собой жидкость при комнатной температуре в следующих пропорциях: 8: 2, 7: 3, 6: 4 и 5: 5. Оба вещества являются общими ингредиентами фармацевтических препаратов для немедленного приема. ^[12]
• Минералы могут образовывать эвтектические смеси в магматических породах, вызывая характерные текстуры срастания, проявляемые, например, гранофиром . ^[13]
• Некоторые чернила представляют собой эвтектические смеси, позволяющие струйным принтерам работать при более низких температурах. ^[14]

Другие критические моменты [ править ]

Эвтектоид [ править ]

Когда раствор выше точки превращения является твердым, а не жидким, может происходить аналогичное эвтектоидное превращение. Например, в системе железо-углерод аустенитная фаза может подвергаться эвтектоидному превращению с образованием феррита и цементита , часто в пластинчатых структурах, таких как перлит и бейнит . Эта эвтектоидная точка возникает при 723 ° C (1333 ° F) и примерно 0,8% углерода. ^[15]

Перитектоид [ править ]

Перитектоидное преобразование представляет собой тип изотермической обратимой реакции , которая имеет два твердых фаз , реагирующие друг с другом при охлаждении из двойного, тройного, ..., -ичного сплава , чтобы создать совершенно другую и единственную твердую фазу. ^[16] Реакция играет ключевую роль в том порядке и разложении по квазикристаллическим фазам в нескольких типов сплавов. ^[17] Подобный структурный переход также предсказывается для вращающихся столбчатых кристаллов.${\displaystyle n\!}$

Перитектический [ править ]

Перитектические превращения также похожи на эвтектические реакции. Здесь жидкая и твердая фазы фиксированных соотношений реагируют при фиксированной температуре с образованием единой твердой фазы. Поскольку твердый продукт образуется на границе раздела между двумя реагентами, он может образовывать диффузионный барьер и обычно заставляет такие реакции протекать намного медленнее, чем эвтектические или эвтектоидные превращения. Из-за этого, когда перитектический состав затвердевает, он не показывает пластинчатую структуру, которая наблюдается при эвтектическом затвердевании.

Такое преобразование существует в системе железо-углерод, как видно в верхнем левом углу рисунка. Он напоминает перевернутую эвтектику, в которой δ-фаза соединяется с жидкостью с образованием чистого аустенита при температуре 1495 ° C (2723 ° F) и 0,17% углерода.

При температуре перитектического разложения соединение вместо плавления разлагается на другое твердое соединение и жидкость. Пропорция каждого определяется правилом рычага . На фазовой диаграмме Al-Au , например, можно видеть, что только две фазы плавятся конгруэнтно, AuAl 2 и Au 2 Al , а остальные разлагаются перитектически.

Расчет эвтектики [ править ]

Состав и температуру эвтектики можно рассчитать по энтальпии и энтропии плавления каждого компонента. ^[18]

Свободная энергия Гиббса G зависит от собственного дифференциала:

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

Таким образом, производная G / T при постоянном давлении рассчитывается по следующему уравнению:

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

Химический потенциал рассчитывается, если принять, что активность равна концентрации:${\displaystyle \mu _{i}}$

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

Таким образом, в состоянии равновесия получается как${\displaystyle \mu _{i}=0}$${\displaystyle \mu _{i}^{\circ }}$

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

Использование ^{[ требуется пояснение ]} и интеграция дает

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

Константу интегрирования K можно определить для чистого компонента с температурой плавления и энтальпией плавления :${\displaystyle T^{\circ }}$${\displaystyle H^{\circ }}$

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

Получаем соотношение, определяющее молярную долю как функцию температуры для каждого компонента:

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

Смесь n компонентов описывается системой

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

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

что может быть решено

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

См. Также [ править ]

• Азеотроп , или смесь постоянного кипения
• Депрессия точки замерзания

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

• Смит, Уильям Ф .; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.

Дальнейшее чтение [ править ]

Поищите эвтектику в Викисловаре, бесплатном словаре.

• Аскеланд, Дональд Р .; Прадип П. Фул (2005). Наука и инженерия материалов . Томсон-Инжиниринг. ISBN 978-0-534-55396-8.
• Истерлинг, Эдвард (1992). Фазовые превращения в металлах и сплавах . CRC. ISBN 978-0-7487-5741-1.
• Мортимер, Роберт Г. (2000). Физическая химия . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-508345-4.
• Рид-Хилл, RE; Реза Аббасчян (1992). Принципы физической металлургии . Томсон-Инжиниринг. ISBN 978-0-534-92173-6.
• Садовей, Дональд (2004). «Фазовые равновесия и фазовые диаграммы» (PDF) . 3,091 Введение в химии твердого тела, осень 2004 . MIT Open Courseware. Архивировано из оригинального (PDF) 20 октября 2005 года . Проверено 12 апреля 2006 .