Ευτηκτικό σύστημα

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Πήδηση στην πλοήγηση Πήδηση στην αναζήτηση
Ένα διάγραμμα φάσεων για ένα φανταστικό δυαδικό χημικό μείγμα (με δύο συστατικά που συμβολίζονται με Α και Β) που χρησιμοποιείται για να απεικονίζει την ευτηκτική σύσταση και τη θερμοκρασία, δηλαδή το ευτηκτικό σημείο. (όπου L υποδηλώνει την υγρή κατάσταση.)

Ένα ευτηκτικό σύστημα (ευτηκτικό = ευ + τήξις) περιγράφει ένα ομογενές στερεό μείγμα ατομικών ή και χημικών ειδών, τα οποία σχηματίζουν ένα κοινό υπερκρυσταλλικό πλέγμα, όταν επιτυγχάνεται μια μοναδική ατομική αναλογία ανάμεσα στα συστατικά του. Κάθε καθαρό συστατικό διατηρεί τη δική του πλεγματική διάταξη.  Μόνο σε αυτήν την ατομική ή μοριακή αναλογία το απακαλούμενο «ευτηκτικό σύστημα» τήκεται ολόκληρο σε μια ειδική θερμοκρασία, που ονομάζεται «ευτηκτική θερμοκρασία». Κατά τη διάρκεια της τήξης καταστρέφεται το υπερκρυσταλλικό πλέγμα, απελευθερώνοντας τα συστατικά του σε ένα υγρό (πλέον) μείγμα.  Η ευτηκτική θερμοκρασία είναι η μικρότερη δυνατή θερμοκρασία τήξης, τόσο σε σύγκριση με το μείγμα σε οποιαδήποτε άλλη αναλογία ανάμειξης, όσο και σε σύγκριση με τις καθαρές μορφές των συστατικών του μείγματος.

Κατά τη θέρμανση του μείγματος, σε οποιαδήποτε άλλη αναλογία, φθάνοντας στην ευτηκτική θερμοκρασία (δείτε το παρακείμενο διάγραμμα φάσεων), το ένα από τα συστατικά του πλέγματος θα λιώσει πρώτο, ενώ η θερμοκρασία του μείγματος θα πρέπει να αυξηθεί περαιτέρω για (όλα) τα άλλα συστατικά του μείγματος. Αντίθετα, αν ένα μη ευτηκτικό υγρό μείγμα ψυχθεί,  το κάθε μείγμα είναι το συστατικό θα στερεοποιηθεί σε συγκεκριμένη θερμοκρασία, μέχρι όλο το υλικό του μείγματος τελικά να στερεοποιηθεί.

Οι συντεταγμένες που ορίζουν ένα «ευτηκτικό σημείο» στο διάγραμμα φάσεων δίνουν την «ευτηκτική ποσοστιαία αναλογία» (ο άξονας  ατομικής/μοριακής αναλογίας του διαγράμματος) και την «ευτηκτική θερμοκρασία» (ο άξονας θερμοκρασίας διαγράμματος).[1]

Δεν έχουν ευτηκτικά σημεία όλα τα δυαδικά κράματα, επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους των συστατικών ειδών δεν είναι πάντα συμβατά σε κάποια αναλογία ανάμειξης για να σχηματίσουν ένα νέο είδος κοινού υπερκρυσταλλικού πλέγματος. Για παράδειγμα, σε ένα δυαδικό σύστημα αργύρου - χρυσού η θερμοκρασία τήξης (φυσικά και πήξης) « ...συναντιούνται στα τελικά σημεία των καθαρών στοιχείων τον άξονα της ατομικής αναλογίας, ενώ ελαφρώς διαχωρίζονται στην περιοχή ανάμειξης του άξονα.»[2]

Ο όρος «ευτηκτικό (σύστημα)» επινοήθηκε το 1884 από το βρετανό φυσικό και χημικό Φρέντερικ Γκάθρυ (Frederick Guthrie, 1833-1886).[3]

Η ευτηκτική αντίδραση[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τέσσερεις ευτηκτικές δομές: Α) πεταλοειδής Β) ραβδοειδής C) globular D) βελονοειδής.

Η ευτηκτική αντίδραση ορίζεται ως εξής:[4]

Αυτό το είδος της αντίδρασης είναι μια «μη παραμετρική αντίδραση», επειδή βρίσκεται σε θερμική ισορροπία. Ένας άλλος τρόπος για να οριστεί αυτό είναι: Η ελεύθερη ενέργεια Gibbs ισούται με το μηδέν. Πρακτικά, αυτό σημαίνει ότι το υγρό και τα δύο στερεά διαλύματα  συνυπάρχουν ταυτόχρονα και βρίσκονται σε χημική ισορροπία. Υπάρχει επίσης μια λανθάνουσα θερμότητα, κατά τη διάρκεια της αλλαγής φάσης, κατά την οποία η θερμοκρασία του συστήματος δεν αλλάζει.[4]

Η προκύπτουσα στερεά μακροδομή από μια ευτηκτική αντίδραση εξαρτάται από μερικούς παράγοντες. Ο πιο σημαντικός παράγοντας είναι το πώς τα δύο στερεά διαλύματα σχηματίζουν τον αρχικό υπερκρυσταλλικό πυρήνα και πώς οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται. Η πιο κοινή δομή είναι μια πεταλοειδή δομή, ενώ οι άλλες πιθανές δομές συμπεριλαμβάνουν τη ραβδόμορφη, τη σφαιρική και τη βελονοειδή.[5]

Μη ευτηκτικές αναλογίες[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κάθε αναλογία σύνθεσης ευτηκτικών συστημάτων που δεν αποτελλεί ευτηκτική αναλογία μπορούν να ταξινομηθεί ως «υποευτηκτική αναλογία» ή ως «υπερευτηκτική αναλογία», αντίστοιχα.

Οι υποευτηκτικές αναλογίες είναι αυτές με μικρότερη εκατοστιαία αναλογία σε στερεό διάλυμα β και μεγαλύτερη εκατοστιαία αναλογία σε στερεό διάλυμα α, σε σύγκριση με την ευτηκτική αναλογία (Ε), ενώ οι υπερευτηκτικές αναλογίες είναι αυτές με μεγαλύτερη εκατοστιαία αναλογία σε στερεό διάλυμα β και μικρότερη εκατοστιαία αναλογία σε στερεό διάλυμα α, πάλι σε σύγκριση με την ευτηκτική αναλογία. Καθώς η θερμοκρασία μιας μη ευτηκτικής αναλογίας μειώνεται από το υγρό μείγμα θα καθιζάνει το ένα συστατικό πριν από το άλλο. Σε ένα υπερευτηκτικό διάλυμα υπάρχει μια προευτηκτοειδής φάση του στερεού διαλύματος β, ενώ σε ένα υποευτηκτικό διάλυμα υπάρχει μια προευτηκτοειδής φάση του στερεού διαλύματος α.[4]

Τύποι ευτηκτικών συστημάτων[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ευτηκτικά κράματα[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Στα ευτηκτικά κράματα υπάρχουν δυο ή περισσότερα υλικά που έχουν μια ευτηκτική αναλογία. Όταν ένα μη ευτηκτικό κράμα στερεοποιείται, τα συστατικά του στερεοποιούνται σε διαφορετικές θερμοκρασίες, παρουσιάζοντας ένα πλαστικό εύρος τήξης. Αντιστρόφως, όταν ένα καλώς αναμειγμένο κράμα λυώνει, το κάνει σαν να ήταν μια απλή ουσία, παρουσιάζοντας μια οξεία (καμπύλη) θερμοκρασίας τήξης. Οι διάφορες μεταμορφώσεις που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια της στερεοποίησης ενός συγκεκριμένου κράματος μπορούν να γίνουν κατανοητές με το σχεδιασμό μιας κάθετης γραμμής από την υγρή φάση στη στερεή φάση στο διάγραμμα φάσεων του κράματος.

Αναφορές και σημειώσεις[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

  1. Smith & Hashemi 2006, σελίδες 326–327
  2. «Collection of Phase Diagrams». www.crct.polymtl.ca. 
  3. Guthrie, Frederick (1884) "On eutexia," Philosophical Magazine, 5th series, 17 : 462–482. From p. 462: "The main argument of the present communication hinges upon the existence of compound bodies, whose chief characteristic is the lowness of their temperatures of fusion. This property of the bodies may be called Eutexia †, the bodies possessing it eutectic bodies or eutectics (εύ τήκειν)."
  4. 4,0 4,1 4,2 Smith & Hashemi 2006, σελ. 327.
  5. Smith & Hashemi 2006, σελίδες 332–333.