
Un sistema eutéctico o mezcla eutéctica ( / j uː ˈ t ɛ k t ɪ k / yoo- TEK -tik ) [ 1 ] es un tipo de mezcla homogénea que tiene un punto de fusión inferior al de sus componentes. [ 2 ] El punto de fusión más bajo posible para todas las proporciones de mezcla de los componentes se denomina temperatura eutéctica . En un diagrama de fases , la temperatura eutéctica se representa como el punto eutéctico (véase el gráfico). [ 3 ]
Las mezclas no eutécticas presentan diferentes temperaturas de fusión para sus componentes, ya que la red cristalina de cada uno se funde a una temperatura inferior. Por el contrario, a medida que una mezcla no eutéctica se enfría, cada componente se solidifica en una red cristalina a una temperatura distinta, hasta que toda la masa se solidifica. Por lo tanto, una mezcla no eutéctica no tiene un único punto de fusión/congelación en el que cambia de fase, sino una temperatura en la que pasa de estado líquido a semisólido (conocida como liquidus ) y una temperatura inferior en la que pasa de estado semisólido a sólido ( solidus ).
En la práctica, las propiedades eutécticas pueden aprovecharse en procesos como la unión eutéctica , donde los chips de silicio se unen a sustratos chapados en oro mediante ultrasonidos , y las aleaciones eutécticas resultan valiosas en aplicaciones tan diversas como la soldadura blanda, la soldadura fuerte, la fundición de metales, la protección eléctrica, los sistemas de rociadores contra incendios y los sustitutos no tóxicos del mercurio.
El término eutéctico fue acuñado en 1884 por el físico y químico británico Frederick Guthrie (1833-1886). La palabra proviene del griego εὐ - (eû) ' bien ' y τῆξῐς (têxis) ' fusión ' . [ 2 ] Antes de sus estudios, los químicos asumían que "la aleación de punto de fusión mínimo debía tener sus constituyentes en proporciones atómicas simples", pero él demostró que esto no siempre es cierto. [ 4 ]
transición de fase eutéctica

La solidificación eutéctica se define de la siguiente manera: [ 5 ]
Este tipo de reacción es una reacción invariante, ya que se encuentra en equilibrio térmico ; otra forma de definirlo es que el cambio en la energía libre de Gibbs es igual a cero. En términos prácticos, esto significa que el líquido y las dos soluciones sólidas coexisten simultáneamente y se encuentran en equilibrio químico . Además, se produce una pausa térmica durante la duración del cambio de fase, durante la cual la temperatura del sistema permanece constante. [ 5 ]
La macroestructura sólida resultante de una reacción eutéctica depende de varios factores, siendo el más importante la forma en que las dos soluciones sólidas nuclean y crecen. La estructura más común es la laminar , pero también pueden existir estructuras en forma de varilla, globulares y aciculares . [ 6 ] Además, se ha observado una microestructura vermicular en una aleación de alta entropía . [ 7 ]
Composiciones no eutécticas
Las composiciones de sistemas eutécticos que no se encuentran en el punto eutéctico pueden clasificarse como hipoeutécticas o hipereutécticas :
- Las composiciones hipoeutécticas son aquellas con una mayor composición de la especie α y un menor porcentaje de composición de la especie β que la composición eutéctica (E).
- Las composiciones hipereutécticas se caracterizan por tener una mayor proporción de la especie β y una menor proporción de la especie α que la composición eutéctica.
A medida que disminuye la temperatura de una composición no eutéctica, la mezcla líquida precipitará un componente antes que el otro. En una solución hipereutéctica, habrá una fase proeutectoide de la especie β, mientras que una solución hipoeutéctica tendrá una fase proeutéctica α. [ 5 ]
Tipos
Aleaciones
Las aleaciones eutécticas constan de dos o más materiales y presentan una composición eutéctica. Cuando una aleación no eutéctica se solidifica, sus componentes lo hacen a diferentes temperaturas, mostrando un rango de fusión plástica. Por el contrario, cuando una aleación eutéctica bien mezclada se funde, lo hace a una temperatura única y definida. Las diversas transformaciones de fase que ocurren durante la solidificación de una aleación de composición particular pueden comprenderse trazando una línea vertical desde la fase líquida hasta la fase sólida en el diagrama de fases de dicha aleación.
Algunos usos de las aleaciones eutécticas incluyen:
- Relés de sobrecarga de aleación eutéctica NEMA para la protección eléctrica de motores trifásicos para bombas, ventiladores, transportadores y otros equipos de proceso de fábrica. [ 8 ]
- Aleaciones eutécticas para soldadura , tanto aleaciones tradicionales compuestas de plomo (Pb) y estaño (Sn), a veces con plata (Ag) u oro (Au) adicionales —especialmente la fórmula de aleación Sn 63 Pb 37 y Sn 62 Pb 36 Ag 2 para electrónica— como aleaciones de soldadura sin plomo más nuevas, en particular las compuestas de estaño, plata y cobre (Cu), como Sn 96.5 Ag 3.5 .
- Aleaciones de fundición, como el aluminio-silicio y el hierro fundido (con una composición de 4,3% de carbono en el hierro, que produce un eutéctico austenita - cementita ).
- Los chips de silicio se unen mediante un proceso eutéctico a sustratos chapados en oro, a través de una aleación eutéctica de silicio-oro, mediante la aplicación de energía ultrasónica al chip.
- En la soldadura fuerte , la difusión puede eliminar los elementos de aleación de la unión, de modo que la fusión eutéctica solo es posible al principio del proceso de soldadura fuerte.
- Respuesta a la temperatura, por ejemplo, el metal de Wood y el metal de Field para rociadores contra incendios.
- Sustitutos no tóxicos del mercurio , como el galinstan
- Metales vítreos experimentales , con resistencia y corrosión extremadamente altas .
- Aleaciones eutécticas de sodio y potasio ( NaK ) que son líquidas a temperatura ambiente y se utilizan como refrigerante en reactores nucleares experimentales de neutrones rápidos .
Otros

- Las sales y el agua forman sistemas eutécticos. El perclorato de magnesio tiene un punto eutéctico de −64 °C (−83 °F) . [ 9 ] El cloruro de sodio y el agua forman una mezcla eutéctica cuyo punto eutéctico es de −21,2 °C [ 10 ] y 23,3 % de sal en masa. [ 11 ] La naturaleza eutéctica de la sal y el agua se aprovecha cuando se esparce sal en las carreteras para facilitar la remoción de nieve , o se mezcla con hielo para producir bajas temperaturas (por ejemplo, en la elaboración tradicional de helados ).
- La mezcla etanol-agua tiene un punto eutéctico inusualmente sesgado, es decir, está cerca del etanol puro, lo que determina el grado alcohólico máximo que se puede obtener mediante la congelación fraccionada .
- La "sal solar", 60% NaNO 3 y 40% KNO 3 , forma una mezcla eutéctica de sales fundidas que se utiliza para el almacenamiento de energía térmica en centrales solares concentradas . [ 12 ] Para reducir el punto de fusión eutéctico en las sales fundidas solares, se utiliza nitrato de calcio en la siguiente proporción: 42% Ca(NO 3 ) 2 , 43% KNO 3 y 15% NaNO 3 .
- La lidocaína y la prilocaína , ambas sólidas a temperatura ambiente, forman un eutéctico que es un aceite con un punto de fusión de 16 °C (61 °F) que se utiliza en las preparaciones de mezcla eutéctica de anestésicos locales (EMLA).
- El mentol y el alcanfor , ambos sólidos a temperatura ambiente, forman un eutéctico que es líquido a temperatura ambiente en las siguientes proporciones: 8:2, 7:3, 6:4 y 5:5. Ambas sustancias son ingredientes comunes en las preparaciones extemporáneas de farmacia. [ 13 ]
- Los minerales pueden formar mezclas eutécticas en rocas ígneas , dando lugar a texturas de intercrecimiento características exhibidas, por ejemplo, por el granófiro . [ 14 ]
- Algunas tintas son mezclas eutécticas, lo que permite que las impresoras de inyección de tinta funcionen a temperaturas más bajas. [ 15 ]
- El cloruro de colina produce mezclas eutécticas con muchos productos naturales como el ácido cítrico , el ácido málico y los azúcares . Estas mezclas líquidas pueden utilizarse, por ejemplo, para obtener extractos antioxidantes y antidiabéticos de productos naturales . [ 16 ]
Mecanismos de fortalecimiento
Aleaciones
El mecanismo principal de fortalecimiento de la estructura eutéctica en metales es el fortalecimiento compuesto (véase mecanismos de fortalecimiento de materiales ). Este mecanismo de deformación funciona mediante la transferencia de carga entre las dos fases constituyentes, donde la fase más flexible transfiere la tensión a la fase más rígida. [ 17 ] Al aprovechar la resistencia de la fase rígida y la ductilidad de la fase flexible, aumenta la tenacidad general del material. A medida que la composición varía hacia formaciones hipoeutécticas o hipereutécticas, el mecanismo de transferencia de carga se vuelve más complejo, ya que existe una transferencia de carga entre la fase eutéctica y la fase secundaria, así como una transferencia de carga dentro de la propia fase eutéctica.
Un segundo mecanismo de fortalecimiento ajustable de las estructuras eutécticas es el espaciado de la fase secundaria. Al cambiar el espaciado de la fase secundaria, también cambia la fracción de contacto entre las dos fases a través de límites de fase compartidos. Al disminuir el espaciado de la fase eutéctica, creando una estructura eutéctica fina, se comparte más área superficial entre las dos fases constituyentes, lo que resulta en una transferencia de carga más efectiva. [ 18 ] A microescala, el área de límite adicional actúa como una barrera para las dislocaciones fortaleciendo aún más el material. Como resultado de este mecanismo de fortalecimiento, las estructuras eutécticas gruesas tienden a ser menos rígidas pero más dúctiles, mientras que las estructuras eutécticas finas son más rígidas pero más frágiles. [ 18 ] El espaciado de la fase eutéctica se puede controlar durante el procesamiento, ya que está directamente relacionado con la velocidad de enfriamiento durante la solidificación de la estructura eutéctica. Por ejemplo, para una estructura eutéctica lamelar simple, el espaciado mínimo de las lamelas es: [ 19 ]
Dónde eses la energía superficial del límite de dos fases, es el volumen molar de la fase eutéctica, es la temperatura de solidificación de la fase eutéctica, es la entalpía de formación de la fase eutéctica, y es el subenfriamiento del material. Por lo tanto, al modificar el subenfriamiento y, por extensión, la velocidad de enfriamiento, se controla el espaciado mínimo alcanzable de la fase secundaria.
Strengthening metallic eutectic phases to resist deformation at high temperatures (see creep deformation) is more convoluted as the primary deformation mechanism changes depending on the level of stress applied. At high temperatures where deformation is dominated by dislocation movement, the strengthening from load transfer and secondary phase spacing remain as they continue to resist dislocation motion. At lower strains where Nabarro-Herring creep is dominant, the shape and size of the eutectic phase structure plays a significant role in material deformation as it affects the available boundary area for vacancy diffusion to occur.[20]
Other critical points

Eutectoid
When the solution above the transformation point is solid, rather than liquid, an analogous eutectoid transformation can occur. For instance, in the iron-carbon system, the austenite phase can undergo a eutectoid transformation to produce ferrite and cementite, often in lamellar structures such as pearlite and bainite. This eutectoid point occurs at 723 °C (1,333 °F) and 0.76 wt% carbon.[21]
Peritectoid
A peritectoid transformation is a type of isothermalreversible reaction that has two solid phases reacting with each other upon cooling of a binary, ternary, ..., n-ary alloy to create a completely different and single solid phase.[22] The reaction plays a key role in the order and decomposition of quasicrystalline phases in several alloy types.[23] A similar structural transition is also predicted for rotating columnar crystals.
Peritectic

Peritectic transformations are also similar to eutectic reactions. Here, a liquid and solid phase of fixed proportions react at a fixed temperature to yield a single solid phase. Since the solid product forms at the interface between the two reactants, it can form a diffusion barrier and generally causes such reactions to proceed much more slowly than eutectic or eutectoid transformations. Because of this, when a peritectic composition solidifies it does not show the lamellar structure that is found with eutectic solidification.
Dicha transformación existe en el sistema hierro-carbono, como se observa cerca de la esquina superior izquierda de la figura. Se asemeja a un eutéctico invertido, donde la fase δ se combina con el líquido para producir austenita pura a 1495 °C (2723 °F) y 0,17 % de carbono.
A la temperatura de descomposición peritéctica, el compuesto, en lugar de fundirse, se descompone en otro compuesto sólido y un líquido. La proporción de cada uno viene determinada por la regla de la palanca . En el diagrama de fases Al-Au , por ejemplo, se observa que solo dos de las fases se funden congruentemente, AuAl₂ y Au₂Al , mientras que el resto se descomponen peritécticamente.
"Mala solución sólida"
No todos los sistemas con punto de fusión mínimo son eutécticos. La alternativa de "solución sólida pobre" se puede ilustrar comparando los sistemas comunes de metales preciosos Cu-Ag y Cu-Au. El Cu-Ag, por ejemplo, https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Ag-Cu.php , es un verdadero sistema eutéctico. El punto de fusión eutéctico es de 780 °C, con límites de solubilidad sólida en purezas de 80 y 912 en peso, y eutéctico a 719. Dado que el Cu-Ag es un verdadero eutéctico, cualquier plata con pureza entre 80 y 912 alcanzará la línea de solidificación y, por lo tanto, se fundirá al menos parcialmente, exactamente a 780 °C. La aleación eutéctica con pureza de 719 alcanzará la línea de liquidación y, por lo tanto, se fundirá completamente a esa temperatura exacta sin ningún aumento adicional de temperatura hasta que toda la aleación se haya fundido. Cualquier plata con una pureza entre 80 y 912, pero no exactamente 719, también alcanzará la línea de solidificación a exactamente 780 °C, pero se fundirá parcialmente. Dejará un residuo sólido con una pureza de exactamente 912 o exactamente 80, pero nunca una combinación de ambas. Se fundirá a temperatura constante sin un aumento adicional de la temperatura hasta que la cantidad exacta de aleación eutéctica (pureza 719) se haya fundido para dividir la aleación en fundido eutéctico y residuo de solución sólida. Al seguir calentando, el residuo de solución sólida se disuelve en el fundido y cambia su composición hasta que se alcanza la línea de liquidus y todo el residuo se ha disuelto. La fuente Cu-Au, por ejemplo, https://himikatus.ru/art/phase-diagr1/Au-Cu.php , muestra un punto de fusión mínimo a 910 °C y se da como 44 átomos. % Cu, which converts to about 20 weight percent Cu - about 800 fineness of gold. But this is not a true eutectic. 800 fine gold melts at 910 °C, to a melt of the same composition, and the whole alloy will melt at the same temperature. But the differences happen away from the minimum composition. Unlike silver with fineness other than 719 (which melts partly at exactly 780 °C through a wide fineness range), gold with fineness other than 800 will reach solidus and start partial melting at a temperature different from and higher than 910 °C, depending on the alloy fineness. The partial melting does cause some composition changes - the liquid will be closer in fineness towards 800 than the remaining solid, but the liquid will not have fineness of exactly 800 and the fineness of the remaining solid will depend on the fineness of the liquid. The underlying reason is that for an eutectic system like Cu-Ag, the solubility in liquid phase is good but solubility in solid phase is limited. Therefore when a silver-copper alloy is frozen, it actually separates into crystals of 912 fineness silver and 80 fineness silver - both are saturated and always have the same composition at the freezing point of 780 °C. Thus the alloy just below 780 °C consists of two types of crystals of exactly the same composition regardless of the total alloy composition, only the relative amount of each type of crystals differs. Therefore they always melt at 780 °C until one or other type of crystals, or both, will be exhausted. In contrast, in Cu-Au system the components are miscible at the melting point in all compositions even in solid. There can be crystals of any composition, which will melt at different temperatures depending on composition. However, Cu-Au system is a "poor" solid solution. There is a substantial misfit between the atoms in solid which, however, near the melting point is overcome by entropy of thermal motion mixing the atoms. That misfit, however, disfavours the Cu-Au solution relative to phases in which the atoms are better fitted, such as the melt, and causes the melting point to fall below the melting point of components.
Eutectic calculation
The composition and temperature of a eutectic can be calculated from enthalpy and entropy of fusion of each components.[24]
The Gibbs free energy G depends on its own differential:
Thus, the G/T derivative at constant pressure is calculated by the following equation:
The chemical potential is calculated if we assume that the activity is equal to the concentration:
At the equilibrium, , thus is obtained as
Using and integrating gives
The integration constant K may be determined for a pure component with a melting temperature and an enthalpy of fusion :
Obtenemos una relación que determina la fracción molar en función de la temperatura para cada componente:
La mezcla de n componentes se describe mediante el sistema
que se puede resolver mediante
Véase también
- Azeótropo o mezcla de ebullición constante
- Descenso del punto de congelación
- aleación fusible
Referencias
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El argumento principal de la presente comunicación se basa en la existencia de cuerpos compuestos, cuya característica principal es la baja temperatura de fusión. Esta propiedad de los cuerpos puede llamarse eutexia, y los cuerpos que la poseen son cuerpos eutécticos o eutécticos (
εὖ τήκειν
).
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- Materials science
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