System eutektyczny - Eutectic system

Diagram fazowy dla fikcyjnej dwuskładnikowej mieszaniny chemicznej (z dwoma składnikami oznaczonymi jako A i B ) używany do zobrazowania składu eutektycznego, temperatury i punktu. ( L oznacza stan ciekły.)

Eutektycznej ( / J ù t ɛ k t ɪ K / yoo- TEK -tik ) z greckiego εὐ- ( Eu „dobrze”) i τῆξῐς ( têxis „topienie”) jest niejednorodna mieszanina substancji, która topi się lub krzepnie w jednej temperaturze, która jest niższa niż temperatura topnienia któregokolwiek ze składników. Temperatura ta jest znana jako temperatura eutektyczna i jest najniższą możliwą temperaturą topnienia we wszystkich stosunkach mieszania dla zaangażowanych składników. Na diagramie fazowym temperatura eutektyczna jest widoczna jako punkt eutektyczny (patrz wykres po prawej).

Stosunki mieszanin nieeutektycznych miałyby różne temperatury topnienia dla różnych składników, ponieważ sieć jednego składnika będzie topić się w niższej temperaturze niż druga. I odwrotnie, gdy mieszanina nieeutektyczna stygnie, każdy z jej składników krzepnie (tworzą sieć) w innej temperaturze, aż cała masa będzie stała.

Nie wszystkie stopy binarne mają punkty eutektyczne, ponieważ elektrony walencyjne gatunków składowych nie zawsze są kompatybilne, w dowolnym stosunku mieszania, z utworzeniem nowego typu złączowej sieci krystalicznej. Na przykład, w układzie srebro-złoto, temperatura topnienia ( likwidus ) i temperatura zamarzania ( solidus ) „spotykają się w punktach końcowych czystego pierwiastka osi stosunku atomowego, nieznacznie rozdzielając się w obszarze mieszaniny tej osi”.

Termin eutektyka został ukuty w 1884 roku przez brytyjskiego fizyka i chemika Fredericka Guthrie (1833-1886).

Eutektyczne przejście fazowe

Cztery struktury eutektyczne: A) płytkowa B) pręcikowa C) kulista D) iglasta.

Krzepnięcie eutektyczne definiuje się następująco:

Ten typ reakcji jest reakcją niezmienną, ponieważ jest w równowadze termicznej ; innym sposobem zdefiniowania tego jest zmiana energii swobodnej Gibbsa równa zeru. Namacalnie oznacza to, że płyn i dwa stałe roztwory współistnieją w tym samym czasie i są w równowadze chemicznej . Istnieje również zatrzymanie termiczne na czas trwania zmiany fazy, podczas której temperatura układu nie zmienia się.

Uzyskana makrostruktura ciała stałego z reakcji eutektycznej zależy od kilku czynników, z których najważniejszym jest sposób, w jaki dwa stałe roztwory tworzą zarodki i rosną. Najbardziej powszechną strukturą jest struktura płytkowa , ale inne możliwe struktury obejmują pręcikowate, kuliste i iglaste .

Kompozycje nieeutektyczne

Kompozycje układów eutektycznych, które nie są w składzie eutektycznym, można sklasyfikować jako podeutektyczne lub hipereutektyczne . Kompozycje podeutektyczne to te o mniejszym składzie procentowym gatunków β i większym składzie gatunków α niż skład eutektyczny (E), natomiast roztwory nadeutektyczne charakteryzują się jako te o wyższym składzie gatunków β i niższym składzie gatunków α niż eutektyczne kompozycja. W miarę obniżania się temperatury kompozycji nieeutektycznej, ciekła mieszanina wytrąca jeden składnik mieszaniny przed drugim. W roztworze nadeutektycznym wystąpi faza przedeutektyczna gatunku β, podczas gdy roztwór podeutektyczny będzie miał fazę przedeutektyczną α.

Rodzaje

Stopy

Eutektyczne stopy mają dwa lub więcej materiałów i mają eutektyczny skład. Gdy stop nieeutektyczny krzepnie, jego składniki krzepną w różnych temperaturach, wykazując zakres topnienia plastycznego. I odwrotnie, gdy dobrze wymieszany stop eutektyczny topi się, dzieje się to w jednej ostrej temperaturze. Różne przemiany fazowe zachodzące podczas krzepnięcia konkretnego składu stopu można zrozumieć, rysując pionową linię od fazy ciekłej do fazy stałej na wykresie fazowym dla tego stopu.

Niektóre zastosowania obejmują:

Inni

Przemiana fazy stałej i ciekłej mieszanin etanol-woda
  • Chlorek sodu i woda tworzą mieszaninę eutektyczną, której punkt eutektyczny wynosi -21,2 °C i 23,3% masy soli. Eutektyczna natura soli i wody jest wykorzystywana, gdy sól jest rozprowadzana na drogach, aby wspomóc usuwanie śniegu lub mieszana z lodem w celu uzyskania niskich temperatur (na przykład przy tradycyjnym wytwarzaniu lodów ).
  • Etanol-woda ma niezwykle obciążony punkt eutektyczny, tj. jest zbliżony do czystego etanolu, co wyznacza maksymalny dowód możliwy do uzyskania przez zamrażanie frakcyjne .
  • „Sól słoneczna”, 60% NaNO 3 i 40% KNO 3 , tworzy eutektyczną stopioną mieszankę soli, która służy do magazynowania energii cieplnej w skoncentrowanych elektrowniach słonecznych . W celu obniżenia temperatury topnienia eutektyki w stopionych solach solarnych stosuje się saletrę wapniową w proporcji: 42% Ca(NO 3 ) 2 , 43% KNO 3 i 15% NaNO 3 .
  • Lidokaina i prilokaina Obydwa rodzaje są stałe w temperaturze pokojowej, tworzą eutektyczne, które jest olej o temperaturze 16 ° C (61 ° F) do pomiaru temperatury topnienia, która jest używana w eutektycznej mieszaniny środka miejscowo znieczulającego (EMLA) preparatów.
  • Mentol i kamfora , oba ciała stałe w temperaturze pokojowej, tworzą eutektykę, która jest cieczą w temperaturze pokojowej w następujących proporcjach: 8:2, 7:3, 6:4 i 5:5. Obie substancje są powszechnymi składnikami doraźnych preparatów aptecznych.
  • Minerały mogą tworzyć w skałach magmowych mieszaniny eutektyczne , dające początek charakterystycznym teksturom przerostu , jakie wykazuje np . granofir .
  • Niektóre atramenty są mieszaninami eutektycznymi, dzięki czemu drukarki atramentowe mogą pracować w niższych temperaturach.

Inne punkty krytyczne

Schemat fazy żelazo-węgiel, przedstawiający przemianę eutektoidalną między austenitem (γ) a perlitem.

Eutektoid

Gdy roztwór powyżej punktu transformacji jest stały, a nie ciekły, może wystąpić analogiczna transformacja eutektoidalna. Na przykład w układzie żelazo-węgiel faza austenitu może przejść transformację eutektoidalną, aby wytworzyć ferryt i cementyt , często w strukturach lamelarnych, takich jak perlit i bainit . Ten punkt eutektoidalny występuje w 723°C (1333 °F) i około 0,8% węgla.

Peritektoid

Peritectoid transformacji typu izotermicznej reakcji odwracalnej , który ma dwa stałe fazy reagujące ze sobą w trakcie chłodzenia binarnego, trójskładnikowego, ..., n -ary stopu w celu utworzenia całkowicie odmienny i jedną fazę stałą. Reakcja odgrywa kluczową rolę w porządku i rozkładu dnia quasicrystalline faz w kilku typach stopów. Podobne przejście strukturalne przewiduje się również dla wirujących kryształów kolumnowych.

Perytektyka

Schemat fazowy złoto-aluminium

Przekształcenia perytektyczne są również podobne do reakcji eutektycznych. Tutaj faza ciekła i stała o ustalonych proporcjach reagują w ustalonej temperaturze, dając pojedynczą fazę stałą. Ponieważ stały produkt tworzy się na granicy między dwoma reagentami, może tworzyć barierę dyfuzyjną i ogólnie powoduje, że takie reakcje przebiegają znacznie wolniej niż transformacje eutektyczne lub eutektoidalne. Z tego powodu, gdy kompozycja perytektyczna zestala się, nie wykazuje struktury lamelarnej, która występuje przy zestalaniu eutektycznym.

Taka transformacja zachodzi w układzie żelazo-węgiel, jak widać w lewym górnym rogu rysunku. Przypomina odwróconą eutektykę, w której faza δ łączy się z cieczą w celu wytworzenia czystego austenitu w temperaturze 1495 ° C (2723 ° F) i 0,17% węgla.

W temperaturze rozkładu perytektycznego związek, zamiast topnienia, rozkłada się na inny związek stały i ciecz. Proporcja każdego z nich jest określona przez regułę dźwigni . W Al jako wykresu fazowego, na przykład, można zauważyć, że tylko dwie fazy stopienia kongruentnie, AuAl 2 i Au 2 Al , reszta peritectically rozkładowi.

Obliczenia eutektyczne

Skład i temperaturę eutektyki można obliczyć na podstawie entalpii i entropii fuzji poszczególnych składników.

Energia swobodna Gibbsa G zależy od własnej różnicy:

Zatem pochodna G / T przy stałym ciśnieniu jest obliczana z następującego równania:

Potencjał chemiczny jest obliczany, jeśli przyjmiemy, że aktywność jest równa stężeniu:

W stanie równowagi , przez co otrzymuje się

Wykorzystanie i integracja daje

Stałą całkowania K można wyznaczyć dla czystego składnika o temperaturze topnienia i entalpii topnienia :

Dla każdego składnika otrzymujemy zależność określającą ułamek molowy w funkcji temperatury:

Mieszanina n składników jest opisana przez system

które można rozwiązać przez

Zobacz też

Bibliografia

Bibliografia

  • Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Podstawy Nauki o Materiałach i Inżynierii (4 wyd.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.

Dalsza lektura