Эвтектическая система

Смесь с более низкой температурой плавления, чем ее составляющие Фазовая диаграмма вымышленной бинарной химической смеси (с обозначенными двумя компонентами A и B), используемые для обозначения эвтектического состава, температуры и точки. (L обозначает жидкое состояние.)

A эвтектическая система () от греческого «εύ» (eu = хорошо) и «τήξις» (tēxis = плавление) представляет собой гомогенную смесь веществ, которая плавит или затвердевает при единственной температуре, которая ниже, чем точка плавления любого из компонентов.

Температура эвтектики является самой низкой возможной температурой плавления из всех соотношений смешения для вовлеченных компонентов.

При нагревании смеси с любым другим соотношением и достижении температуры эвтектики сначала расплавляется решетка одного компонента, в то время как температура смеси должна повышаться для (всех) решетки другого компонента ( с) плавиться. 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 - процентное отношение эвтектики (на оси атомного / молекулярного отношения диаграммы) и температура эвтектики (на оси диаграммы).

Не все бинарные сплавы имеют точки эвтектики, потому что валентные электроны компонентов не всегда совместимы, при любом соотношении смешивания, чтобы сформировать новый тип совместная кристаллическая решетка. Например, в системе серебро-золото температура плавления (ликвидус ) и температура замерзания (солидус ) «пересекаются в конечных точках чистого элемента на оси атомных соотношений, при этом слегка разделяясь в область смеси на этой оси ».

Термин эвтектика был введен в обращение в 1884 году британским физиком и химиком Фредериком Гатри (1833–1886).

Содержание

• 1 Эвтектический фазовый переход
• 2 Неэвтектические составы
• 3 Типы
  • 3.1 Сплавы
  • 3.2 Прочие
• 4 Другие критические точки
  • 4.1 Эвтектоид
  • 4.2 Перитектоид
  • 4.3 Перитектоид
• 5 Эвтектоид расчет
• 6 См. также
• 7 Ссылки
  • 7.1 Библиография
• 8 Дополнительная литература

Эвтектический фазовый переход

Четыре эвтектических структуры: A) пластинчатая B) стержнеобразная C) шаровидная D) игольчатая.

Эвтектическое затвердевание определяется следующим образом:

$Жидкость\; \to \; температура\; эвтектики\; охлаждения\; \alpha \; твердый\; раствор\; +\; \beta \; твердый\; раствор\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; text\; \{Liquid\}\}\; \{\backslash \; xrightarrow\; [\{\backslash \; text\; \{охлаждение\}\}]\; \{\; \backslash \; text\; \{эвтектическая\; температура\; e\}\}\}\; \backslash \; alpha\; \backslash ,\; \backslash ,\; \{\backslash \; text\; \{solid\; solution\}\}\; +\; \backslash \; beta\; \backslash ,\; \backslash ,\; \{\backslash \; text\; \{solid\; solution\}\}\}$

Этот тип реакции является реакцией, потому что она находится в тепловое равновесие ; Другой способ определить это - изменение свободной энергии Гиббса равным нулю. Фактически это означает, что жидкий и два твердых раствора сосуществуют одновременно и находятся в химическом равновесии. Также существует термическая остановка на время смены фазы, в течение которого температура системы не изменяется.

Полученная твердая макроструктура из эвтектики реакция зависит от нескольких факторов. Наиболее важным фактором является то, как два твердых раствора зарождаются и растут. Наиболее распространенная структура - это пластинчатая структура, но другие возможные структуры включают стержневидные, глобулярные и игольчатые.

неэвтектические композиции

Композиции эвтектических систем, которые не соответствуют эвтектический состав можно разделить на доэвтектический или заэвтектический. Доэвтектические 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 частиц β, тогда как в доэвтектическом растворе будет проэвтектическая α-фаза.

Типы

Сплавы

Эвтектические сплавы состоит из двух или более материалов и имеет 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 диаграмме состояния этого сплава.

Некоторые области применения включают:

• Реле перегрузки из эвтектического сплава NEMA для электрической защиты трехфазных двигателей для насосов, вентиляторов, конвейеров и другого заводского технологического оборудования.
• Эвтектические сплавы для пайки, состоящие из олова (Sn), свинца (Pb) и иногда серебра (Ag) или золото (Au) - особенно Sn63Pb37 формула сплава для электроники
• Литейные сплавы, такие как алюминий-кремний и чугун (в составе 4,3% углерода в железе с образованием аустенита - цементита эвтектики)
• Кремниевая стружка связывается с позолоченными подложками через кремний-золотую эвтектику с помощью ультразвуковая энергия для чипа. См. эвтектическое соединение.
• пайка, где диффузия может удалить легирующие элементы из соединения, так что эвтектическое плавление возможно только на ранней стадии процесса пайки
• Температурный отклик, например, Металл Вуда и металл Филда для пожарных спринклеров
• Нетоксичные заменители ртути, такие как галинстан
• Экспериментальные стеклообразные металлы, с чрезвычайно высокой прочностью и коррозионной устойчивостью
• Эвтектические сплавы натрия и калия (NaK ) которые являются жидкими при комнатной температуре и используются в качестве хладагента в экспериментальных ядерных реакторах на быстрых нейтронах.

Прочие

Переход твердой фазы в жидкую в смесях этанола и воды

• Хлорид натрия и вода образуют эвтектическую смесь с точкой эвтектики -21,2 ° C и 23,3% соли по массе. Эвтектическая природа соли и воды используется, когда соль разбрасывается по дорогам для помощи уборке 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 фракционным замораживанием.
• «Солнечная соль», 60% NaNO 3 и 40% KNO 3, образует эвтектическую смесь расплавленных солей, которая используется для хранения тепловой энергии в электростанциях с концентрированной солнечной энергией. Для снижения температуры плавления эвтектики солнечных расплавленных солей 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 эвтектическая смесь препаратов местного анестетика (EMLA).
• Ментол и камфора, твердые вещества при комнатной температуре, образуют эвтектику, которая является жидкостью при комнатной температуре в следующих пропорциях: 8: 2, 7: 3, 6: 4 и 5: 5. Оба вещества являются общими ингредиентами в фармацевтических препаратах для немедленного приема.
• Минералы могут образовывать эвтектические смеси в изверженных породах, вызывая образование характерным текстурам срастания, проявляемым, например, гранофиром.
• . Некоторые чернила представляют собой эвтектические смеси, что позволяет струйным принтерам работать при более низких температурах.

Другие критические моменты

Фазовая диаграмма железо-углерод, шоуи Эвтектоидное превращение между аустенитом (γ) и перлитом.

Эвтектоид

Когда раствор выше точки превращения является твердым, а не жидким, может происходить аналогичное эвтектоидное превращение. Например, в системе железо-углерод фаза аустенит может претерпевать эвтектоидное превращение 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.

Перитектоид

Преобразование перитектоида - это тип изотермической обратимой реакция, в которой две твердые фазы взаимодействуют друг с другом при охлаждении бинарной, тройной,..., $n\; \{\backslash \; displaystyle\; n\; \backslash !\}$-арной сплав для создания совершенно другой и единой твердой фазы. Реакция играет ключевую роль в упорядочении и разложении квазикристаллических фаз в нескольких типах сплавов. Подобный структурный переход также предсказывается для вращающихся столбчатых кристаллов.

Перитектический

Фазовая диаграмма золото – алюминий

Перитектические превращения также похожи на эвтектические реакции. Здесь жидкая и твердая фаза в фиксированных пропорциях 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 обнаруживается при эвтектическом затвердевании.

Такая трансформация 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 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 из фаз плавятся конгруэнтно, AuAl 2 и Au2Al, тогда как остальные разлагаются перитектически.

Расчет эвтектики

Состав и температура эвтектики могут быть рассчитаны по энтальпии и энтропии плавления каждого компонента.

Свободная энергия Гиббса G зависит от собственного дифференциала :

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

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

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

Химический потенциал $\mu \; i\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\}$рассчитывается, если мы предполагаем, что активность равна концентрации:

$\mu \; i\; =\; \mu \; i\; \circ \; +\; RT\; ln\; \; aia\; \approx \; \mu \; i\; \circ \; +\; RT\; ln\; \; xi.\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; =\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; +\; RT\; \backslash \; ln\; \{\backslash \; frac\; \{a\_\; \{i\}\}\; \{a\}\}\; \backslash \; приблизительно\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\; \}\; +\; RT\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}.\}$

В состоянии равновесия $\mu \; i\; =\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; =\; 0\}$, таким образом, $\mu \; i\; \circ \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}$получается как

$\mu \; i\; =\; \mu \; i\; \circ \; +\; RT\; ln\; \; xi\; =\; 0\; \Rightarrow \; \mu \; i\; \circ \; =\; -\; RT\; ln\; \; xi.\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; =\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; +\; RT\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}\; =\; 0\; \backslash \; Rightarrow\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; =\; -\; RT\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}.\}$

Использование и интегрирование дает

$(\partial \; \mu \; i\; /\; T\; \partial \; T)\; P\; =\; \partial \; \partial \; T\; (R\; ln\; \; xi)\; \Rightarrow \; R\; ln\; \; xi\; =\; -\; H\; i\; \circ \; T\; +\; K.\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\; \backslash \; mu\; \_\; \{i\}\; /\; T\}\; \{\backslash \; partial\; T\}\}\; \backslash \; right)\; \_\; \{P\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; partial\}\; \{\backslash \; partial\; T\}\}\; \backslash \; left\; (R\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; Rightarrow\; R\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}\; =\; -\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \{T\}\}\; +\; K.\}$

Константа интегрирования K может быть определен для чистого компонента с температурой плавления $T\; \circ \; \{\backslash \; displaystyle\; T\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}$и энтальпией плавления $H\; \circ \; \{\backslash \; displaystyle\; H\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}$:

$xi\; =\; 1\; \Rightarrow \; T\; =\; T\; i\; \circ \; \Rightarrow \; K\; =\; H\; i\; \circ \; T\; i\; \circ .\; \{\backslash \; displaystyle\; x\_\; \{i\}\; =\; 1\; \backslash \; Rightarrow\; T\; =\; T\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; \backslash \; Rightarrow\; K\; =\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \{T\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; \}\}.\}$

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

$R\; ln\; \; xi\; =\; -\; H\; i\; \circ \; T\; +\; H\; i\; \circ \; T\; i\; \circ .\; \{\backslash \; displaystyle\; R\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}\; =\; -\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \{T\}\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \{T\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\}.\}$

Смесь n компонентов описывается системой

$\{ln\; \; xi\; +\; H\; i\; \circ \; RT\; -\; H\; i\; \circ \; RT\; i\; \circ \; =\; 0,\; \sum \; i\; =\; 1\; nxi\; =\; 1.\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; begin\; \{cases\}\; \backslash \; ln\; x\_\; \{i\}\; +\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\; \{RT\}\}\; -\; \{\backslash \; frac\; \{H\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\; \}\; \{RT\_\; \{i\}\; ^\; \{\backslash \; circ\}\}\}\; =\; 0,\; \backslash \backslash \backslash \; sum\; \backslash \; limits\; \_\; \{i\; =\; 1\}\; ^\; \{n\}\; x\_\; \{i\}\; =\; 1.\; \backslash \; End\; \{cases\}\}\}$

, которое может быть решено с помощью

$[Δ x 1 Δ x 2 Δ x 3 ⋮ Δ xn - 1 Δ T] = [1 / x 1 0 0 0 0 - H 1 ∘ RT 2 0 1 / x 2 0 0 0 - H 2 ∘ RT 2 0 0 1 / x 3 0 0 - H 3 ∘ RT 2 ⋮ ⋱ ⋱ ⋱ ⋱ ⋮ 0 0 0 0 1 / xn - 1 - H n - 1 ∘ RT 2 - 1 1 - ∑ i = 1 n - 1 xi - 1 1 - ∑ i = 1 n - 1 xi - 1 1 - ∑ i = 1 n - 1 xi - 1 1 - ∑ i = 1 n - 1 xi - 1 1 - ∑ я = 1 n - 1 xi - H n ∘ RT 2] - 1. [ln ⁡ x 1 + H 1 ∘ RT - H 1 ∘ RT 1 ∘ ln ⁡ x 2 + H 2 ∘ RT - H 2 ∘ RT 2 ∘ ln ⁡ x 3 + H 3 ∘ RT - H 3 ∘ RT 3 ∘ ⋮ ln ⁡ xn - 1 + H n - 1 ∘ RT - H n - 1 ∘ RT n - 1 ∘ ln ⁡ (1 - ∑ i = 1 n - 1 xi) + H n ∘ RT - H n ∘ RT n ∘] {\ displaystyle {\ begin {array} {c} \ left [{\ begin {array} {* {20} c} {\ Delta x_ {1}} \\ {\ Delta x_ {2}} \\ {\ Дельта 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

• Азеотроп или смесь с постоянным кипением
• Понижение температуры замерзания

Ссылки

Библиография

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

Дополнительная литература

Найдите eutectic в Wiktionary, бесплатном словаре.

• Askeland, Donald R.; 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.
• Reed-Hill, R.E.; 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 химию твердого тела, осень 2004 г. Открытые курсы MIT. Архивировано из оригинального (PDF) 20 октября 2005 г. Проверено 12 апреля 2006 г.