Eutektyczny

Eutektyczna (od greckiego εὔτηκτος -eútēktos- Który topi się łatwo) jest mieszaniną dwóch lub większej liczby czystych substancji, które topi się i zestala się w stałej temperaturze równomiernie, w przeciwieństwie do zwykłych mieszanek, w których zmiana temperatury prowadzi się zmianę proporcji stałych do cieczy. W rzeczywistości zachowuje się jak czyste ciało z punktu widzenia fuzji.

Jest to również punkt diagramu fazowego (mieszanina o danej proporcji), dla którego mieszanina ma minimalną temperaturę w fazie ciekłej. Ta temperatura jest specyficzna dla każdej mieszaniny.

Różne rodzaje eutektyki

Na diagramie fazowym The krzepnięcia ma guzek, który dotyka solidus .

Najbardziej znaną eutektyką jest eutektyka wodna + sól  : drogi są brudne w zimie, tak że lód tworzy eutektykę z solą, eutektykę płynną w umiarkowanych ujemnych temperaturach. Jak pokazuje wykres faz wodno-solnych, minimalna temperatura, w której może opaść mieszanina pozostająca w stanie ciekłym, wynosi -21,6  °C . W przypadku niższych temperatur, powszechnych na przykład w Ameryce Północnej, solenie dróg odbywa się za pomocą chlorku wapnia, który ma eutektykę z wodą, -51,1  °C .

To obniżenie temperatury topnienia wyjaśnia zimne oparzenia podczas wyzwania z lodem i solą  : jeśli położysz kostkę lodu na skórze, topi się ona, a temperatura wody nie może być niższa niż 0  ° C.  ; jednak, jeśli zostanie zastosowana sól, płynny eutektyk może osiągnąć niższą temperaturę i spowodować uszkodzenie.

Uzyskane w ten sposób obniżenie temperatury topnienia nazywa się „topieniem eutektycznym”. Zasada ta jest również stosowana w amunicji ze zubożonym uranem, używanej w szczególności przez armię USA podczas wojny w Zatoce Perskiej  : przy uderzeniu, dzięki wysokiej energii kinetycznej głowicy pocisku , uran ulega stopieniu, powodując stopienie żelaza zawartego w ekranowanie, tworzące eutektykę; powoduje to perforację pancerza i wyrzucanie stopionego metalu za pancerz (powodując poważne oparzenia, a nawet śmierć mieszkańców), a także zanieczyszczenie środowiska uranem (toksyczność metali ciężkich ).

Lutowania elementów elektronicznych wykorzystuje właściwości cyny lub ołowiu, cyny, ołowiu, bizmutu eutektyku.

W przypadku odlewnictwa poszukuje się stopów o niskiej temperaturze topnienia, które w wielu przypadkach zbliżają się do składu eutektycznego:

• żeliwo , zbliżone do ledeburytu (Fe 3 C: 2Fe), eutektyczne w 4,3  % m C (16,7% at);
• Alpax , stop aluminium podobny do eutektyki aluminiowo- krzemowej z 12,6  % m Si.

Eutektyki mogą również składać się z kryształów organicznych, takich jak trójskładnikowa eutektyka orto-, para-, meta-nitroanilinowa.

Obliczanie eutektyki

Entalpia swobodna G mogą być zapisywane jako funkcja entalpii H i entropii S (topnienia) przez:

sol=H-TS⇒{H=sol+TS(∂sol∂T)P=-S⇒H=sol-T(∂sol∂T)P{\ displaystyle G = H-TS \ Rightarrow {\ left \ {{\ zacząć {tablica} {l} H = G + TS \\\\ {\ left ({\ frac {\ częściowa G} {\ częściowa T} } \ prawo) _ {P} = - S} \ koniec {tablica}} \ prawo.} \ Strzałka w prawo H = GT \ lewo ({\ frac {\ częściowe G} {\ częściowe T}} \ prawo) _ {P }}

Od tego czasu :

(∂sol/T∂T)P=1T(∂sol∂T)P-1T2sol=-1T2(sol-T(∂sol∂T)P)=-HT2{\ displaystyle \ lewy ({\ frac {\ częściowy G / T} {\ częściowy T}} \ prawy) _ {P} = {\ frac {1} {T}} \ lewy ({\ frac {\ częściowy G } {\ częściowe T}} \ po prawej) _ {P} - {\ frac {1} {T ^ {2}}} G = - {\ frac {1} {T ^ {2}}} \ po lewej ({ GT \ po lewej ({\ frac {\ częściowe G} {\ częściowe T}} \ po prawej) _ {P}} \ po prawej) = - {\ frac {H} {T ^ {2}}}}

Dla każdej składowej I The potencjał chemiczny jest:

μja=μja∘+RTja⁡wja≈μja∘+RTja⁡xja{\ displaystyle \ mu _ {i} = \ mu _ {i} ^ {\ circ} + RT \ ln a_ {i} \ ok \ mu _ {i} ^ {\ circ} + RT \ ln x_ {i} }

gdzie oznacza standardowy potencjał chemiczny składnika, jego aktywność i jego ułamek molowy . μja∘{\ displaystyle \ mu _ {i} ^ {\ circ}}wja{\ styl wyświetlania a_ {i}}xja{\ styl wyświetlania x_ {i}}

W równowadze , która pozwala n- składnikowej eutektyce rozwiązać: μja=0{\ styl wyświetlania \ mu _ {i} = 0}

(∂μja/T∂T)P=∂∂T(Rja⁡xja)⇒Rja⁡xja=-Hja∘T+K{\ displaystyle {\ zacząć {tablica} {l} \ lewo ({\ frac {\ częściowy \ mu _ {i} / T} {\ częściowy T}} \ po prawej) _ {P} = {\ frac {\ częściowy } {\ częściowe T}} \ lewo ({R \ ln x_ {i}} \ prawo) \ Strzałka w prawo R \ ln x_ {i} = - {\ frac {H_ {i} ^ {\ circ}} {T} } + K \\\\\ koniec {tablica}}}

co prowadzi do rozdzielczości następującego układu nieliniowego, którego rozwiązanie daje skład i temperaturę eutektyki:

{ja⁡xja+Hja∘RT-Hja∘RTja∘=0Σja=1niexja=1{\ displaystyle {\ begin {tablica} {l} \ lewo \ {{\ begin {tablica} {* {20} c} {\ ln x_ {i} + {\ frac {H_ {i} ^ {\ circ} } {RT}} - {\ frac {H_ {i} ^ {\ circ}} {RT_ {i} ^ {\ circ}}} = 0} \\ {\ suma \ limity _ {i = 1} ^ { n} {x_ {i} = 1}} \\\ end {tablica}} \ prawo \\\\\ end {tablica}}}

{∀ja<nie⇒ja⁡xja+Hja∘RT-Hja∘RTja∘=0ja⁡(1-Σja=1nie-1xja)+Hnie∘RT-Hnie∘RTnie∘=0{\ displaystyle {\ begin {tablica} {l} \ left \ {{\ begin {tablica} {* {20} c} {\ forall i <n \ Rightarrow \ ln x_ {i} + {\ frac {H_ { i} ^ {\ circ}} {RT}} - {\ frac {H_ {i} ^ {\ circ}} {RT_ {i} ^ {\ circ}}} = 0} \\ {\ ln \ lewo ( {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}} \ po prawej) + {\ frac {H_ {n} ^ {\ circ}} {RT}} - { \ frac {H_ {n} ^ {\ circ}} {RT_ {n} ^ {\ circ}}} = 0} \\\ end {tablica}} \ prawo \\\\\ end {tablica}}}

jest :

[Δx1Δx2Δx3⋮Δxnie-1ΔT]=[1/x10000-H1∘RT201/x2000-H2∘RT2001/x300-H3∘RT2000⋱0-H4∘RT200001/xnie-1-Hnie-1∘RT2-11-Σja=1nie-1xja-11-Σja=1nie-1xja-11-Σja=1nie-1xja-11-Σja=1nie-1xja-11-Σja=1nie-1xja-Hnie∘RT2]-1.[ja⁡x1+H1∘RT-H1∘RT1∘ja⁡x2+H2∘RT-H2∘RT2∘ja⁡x3+H3∘RT-H3∘RT3∘⋮ja⁡xnie-1+Hnie-1∘RT-Hnie-1∘RTnie-1ja∘ja⁡(1-Σja=1nie-1xja)+Hnie∘RT-Hnie∘RTnie∘]{\ displaystyle {\ begin {tablica} {c} \ left [{\ begin {tablica} {* {20} c} {\ Delta x_ {1}} \\ {\ Delta x_ {2}} \\ {\ Delta x_ {3}} \\\ vdots \\ {\ Delta x_ {n-1}} \\ {\ Delta T} \\\ end {tablica}} \ prawo] = \ lewo [{\ begin {tablica} {* {20} c} {1 / x_ {1}} i 0 i 0 i 0 i 0 i {- {\ 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}}}} \\ 0 & 0 & 0 & \ ddots & 0 & {- {\ frac {H_ {4} ^ {\ circ}} {RT ^ {2}}}} \\ 0 i 0 i 0 i 0 i { 1 / x_ {n-1}} i {- {\ frac {H_ {n-1} ^ {\ circ}} {RT ^ {2}}}} \\ {\ frac {-1} {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1 } {x_ {i}}}} & {\ frac {-1} {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}}} & {\ frac {- 1} {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}}} & {\ frac {-1 } {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}}} & {\ frac {-1} {1- \ suma \ limity _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}}} & {- {\ frac {H_ {n} ^ {\ circ}} {RT ^ {2}}}} \\\ end {tablica}} \ prawo] ^ {- 1} \ Lewo [{\ begin {tablica } {* {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-1i} ^ {\ circ}}}} \\ {\ ln \ po lewej ({1- \ suma \ ograniczenia _ {i = 1} ^ {n-1} {x_ {i}}} \ po prawej) + {\ frac {H_ {n } ^ {\ circ}} {RT}} - {\ frac {H_ {n} ^ {\ circ}} {RT_ {n} ^ {\ circ}}}} \\\ end {array}} \ prawo] \ koniec {tablica}}}

Powiązane artykuły

• Azeotrop
• Eutektoid
• Równanie Schrödera-vana Laara
• Ferryt iglasty
• Perytektyka
• Sól

Uwagi i referencje

1. (w) „  Policja ostrzega przed „lodem i solą”, niebezpiecznym wyzwaniem dla nastolatków w sieciach społecznościowych  ” na francetvinfo ,31 stycznia 2017(dostęp 2 lutego 2017 r . ) .
2. Radioaktywna toksyczność uranu jest niska w porównaniu z jego toksycznością fizykochemiczną. Zobacz tutaj
3. (w) International Journal of Modern Physics C , tom. 15, nie. 5., 2004, s. 675-687