Eutektikum

Eutektikum je tuhá směs dvou látek, jejichž krystaly se vytvářely při tuhnutí společně. Čisté eutektikum vzniká v takovém mísícím poměru obou složek, při kterém je teplota tuhnutí směsi nejnižší. Pokud je mísící poměr odlišný, vzniká směs podeutektická, u které je tuhá fáze tvořena směsí eutektika a krystalů jedné složky, nebo směs nadeutektická, u které je tuhá fáze tvořena směsí eutektika a krystalů druhé složky. Aby dvě látky vůbec mohly tvořit eutektikum, musí být splněny tyto podmínky:

• látky jsou v pevném skupenství nerozpustné nebo alespoň částečně nerozpustné
• látky jsou v kapalném skupenství rozpustné
• jejich teploty tání jsou dostatečně blízké
• eutektická teplota (=eutektický bod) je nižší než teploty tání obou samostatných složek.

Směsi, které některé z těchto podmínek nesplňují netvoří eutektickou směs, ale jiné soustavy, například peritektickou směs nebo tuhý roztok.

Vznik eutektika

Vlastnosti takové směsi dvou látek silně závisí na tom, jaké fyzikální procesy se v ní odehrávají při tuhnutí. Tyto procesy lze poměrně snadno zevnějšku vysledovat na takzvaných křivkách tuhnutí, což jsou závislosti poklesu teploty na čase při tuhnutí směsi, na kterých jsou u tuhnutí směsí vidět různé teplotní zlomy. Přímo lze pak výsledky těchto procesů pozorovat speciálními mikroskopy, kterými se typicky v metalurgii zkoumají krystaly v řezech slitin kovů.

Čistá látka krystalizuje při zcela konkrétní hodnotě teploty tuhnutí a odevzdává přitom svoje latentní teplo tuhnutí, takže teplota po nějaký čas zůstává neměnná a teprve potom začne klesat. Oproti tomu u směsi látek dochází ke krystalizaci v určitém rozmezí teplot.

Pokud je směs podeutektická nebo nadeutektická, první začne krystalizovat látka ve vyšší než eutektické koncentraci.

Struktura směsi tedy vypadá tak, že v tekuté fázi rostou pevné krystaly látky s vyšší koncentrací a její koncentrace se tak postupně snižuje. Navenek má směs těstovitý charakter. Typicky ho můžeme pozorovat například u nápoje ledová tříšť, což je směs ledu a cukru, nebo u chování tuhnoucí pájky (slitina cínu a olova, případně dalších kovů) při pájení, pokud s pájeným spojem v těstovitém stavu pohneme.

Když v roztoku díky krystalizaci první složky koncentrace obou složek dosáhnou eutektické hodnoty, zastaví se pokles teploty neboť i druhá složka začne odevzdávat své latentní teplo a společně s první krystalizovat. Právě takto společně krystalizovaná struktura se nazývá eutektikum a například u ztuhlých slitin kovů ji poznáme pod mikroskopem podle velmi drobných vzájemně promíchaných krystalků obvykle plochého nebo zrnitého tvaru. Teprve po dokončené krystalizaci eutektika je směs v plně tuhém stavu a teplota začne opět s časem klesat. Protože eutektikum má nejnižší teplotu tuhnutí, vytváří se v nad nebo podeutektických směsích vždy až druhotně. Předchází mu prvotní vytváření krystalů složky směsi s vyšší koncentrací.

Je-li směs přesně v eutektickém poměru, začne z tekuté fáze přímo (prvotně) krystalizovat eutektikum a krystalizuje až do plného ztuhnutí směsi.

Pokud provedeme řadu měření křivek tuhnutí od čisté první látky přes směsi se zvyšující se koncentrací látky druhé včetně koncentrace eutektické až k čisté látce druhé a zaznamenáme body zlomu a teplotu tuhnutí druhé složky, můžeme zkonstruovat takzvaný fázový diagram směsi obou látek.

Fázový diagram eutektické směsi

Fázový diagram slitiny cín - olovo

Fázový diagram vyjadřuje fázi (skupenství) látek v závislosti na teplotě. U eutektických směsí má v tomto diagramu křivka rozhraní mezi kapalným a pevným skupenstvím typický vzhled připomínající písmeno V, kde takzvaný eutektický bod (bod s nejnižší teplotou tání) leží na ose teploty nejníže, níže než teploty tání obou čistých složek. Pokud alespoň jedna ze složek směsi je kov, nazýváme takovou soustavu namísto obecnějšího pojmu směs pojmem slitina.

Jednotlivé oblasti na uvedeném příkladu fázového diagramu vyjadřují tento stav slitiny:

1. Oblast, kde je slitina v kapalném skupenství (křivka ve tvaru širokého V ohraničující tuto oblast zespoda se nazývá křivka liquidu)
2. Atomy olova jsou plně rozpuštěny v krystalové mřížce cínu
3. Kapalná slitina, ve které se tvoří pevné krystalky tuhého roztoku olova v cínu
4. Kapalná slitina, ve které se tvoří pevné krystalky tuhého roztoku cínu v olovu
5. Atomy cínu jsou plně rozpuštěny v krystalové mřížce olova
6. Obě látky jsou v pevném stavu ve formě vzájemně promíchaných krystalků (křivka typicky ve tvaru obráceného U nad touto oblastí se nazývá křivka solidu)

Použití eutektik

Eutektické směsi se nejčastěji používají právě kvůli své vlastnosti, že jejich teplota tání je výrazně nižší než teploty tání jednotlivých složek. V metalurgii dává díky jemným vzájemně promíchaným krystalkům eutektická fáze slitině navíc zvláštní mechanické vlastnosti.

Využití v metalurgii

Velmi časté je využití v metalurgii, kde se směsi kovů nazývají slitiny, tedy v tomto případě eutektické slitiny. Typickým příkladem je třeba spojování kovů pájením. Pájka je právě eutektická slitina (například cínu a olova). Dosahuje se tak u ní teploty tání 183 °C, ačkoliv teplota tání samotného cínu je 232 °C a teplota tání olova 328 °C.

Využití mimo metalurgii

Nejznámější použití eutektické směsi mimo metalurgii je solení silnic v zimním období. Voda má teplotu tání 0 °C, sůl neboli chlorid sodný ji má 801 °C. Nicméně po smíchání ve vhodném hmotnostním poměru (23,3% soli) klesne teplota tání směsi až na -21,2 °C, tedy osolená voda tuhne až při takto nízké teplotě. Při solení silnic se ovšem ani zdaleka nedosahuje tohoto eutektického poměru soli, proto teplota, do které prakticky solení funguje je cca -6 °C.

Využití ovšem nalézají eutektické směsi i v mnoha jiných oborech lidské činnosti. Například ve sklářství se do čistého křemenného skla, které má velmi vysokou teplotu tání přidávají látky na její snížení jako vápník, sodík, olovo atd.