Solidne rozwiązanie - Solid solution

Stały roztwór opisano rodzinę materiałów, które mają zakres kompozycji (na przykład x B 1-X ) i jedną strukturę krystaliczną . Wiele przykładów można znaleźć w metalurgii , geologii i chemii ciała stałego . Słowo „rozwiązanie” jest używane do opisania dokładnego mieszania składników na poziomie atomowym i odróżnia te jednorodne materiały od fizycznych mieszanin składników.

Definicja IUPAC

Solidny, w którym komponenty są kompatybilne i tworzą unikalną fazę.

Uwaga 1 : Definicja „kryształ zawierający drugi składnik, który pasuje do i
jest rozmieszczony w sieci kryształu macierzystego” podana w odn. nie jest ogólna,
a zatem nie jest zalecana.

Uwaga 2 : Wyrażenie to ma być stosowane do opisania fazy stałej zawierającej
więcej niż jedną substancję, gdy dla wygody jedną (lub więcej) z substancji,
zwanych rozpuszczalnikami, traktuje się inaczej niż inne substancje, zwane rozpuszczonymi.

Uwaga 3 : Jeden lub kilka składników może być makrocząsteczkami . Niektóre
inne składniki mogą wtedy działać jako plastyfikatory, tj. jako molekularnie zdyspergowane
substancje, które obniżają temperaturę zeszklenia, w której amorficzna
faza polimeru przechodzi ze stanu szklistego do gumowatego.

Uwaga 4 : W preparatach farmaceutycznych pojęcie roztworu stałego jest często
stosowane w przypadku mieszanin leku i polimeru .

Uwaga 5 : Liczba cząsteczek leku, które zachowują się jak rozpuszczalnik (plastyfikator)
polimerów, jest niewielka.

Ogólnie rzecz biorąc, jeśli dwa związki są izostrukturalne, wówczas między końcowymi elementami (znanymi również jako rodzice) będzie istnieć stały roztwór. Na przykład chlorek sodu i chlorek potasu mają tę samą sześcienną strukturę krystaliczną, więc możliwe jest wytworzenie czystego związku o dowolnym stosunku sodu do potasu (Na 1-x K x )Cl przez rozpuszczenie tego stosunku NaCl i KCl w wodzie, a następnie odparowanie roztworu. Członek tej rodziny jest sprzedawany pod marką Lo Salt, która jest (Na 0,33 K 0,66 )Cl, dlatego zawiera 66% mniej sodu niż zwykła sól kuchenna (NaCl). Czyste minerały nazywane są halitem i sylwitem , ich fizyczna mieszanina nazywana jest sylwinitem .

Ponieważ minerały są naturalnymi materiałami, mają skłonność do dużych różnic w składzie. W wielu przypadkach próbki są członkami rodziny roztworów stałych, a geolodzy uważają, że bardziej pomocne jest omówienie składu rodziny niż pojedynczych próbek. Oliwin jest opisana wzorem (Mg, Fe) 2 SiO 4 , która jest równoważna (Mg 1 x Fe x ) 2 SiO 4 . Stosunek magnezu do żelaza różni się pomiędzy dwoma elementami serii roztworów stałych: forsterytem (element końcowy Mg: Mg 2 SiO 4 ) i fajalitem (element końcowy Fe: Fe 2 SiO 4 ), ale stosunek ten nie jest zwykle określony. Przy coraz bardziej złożonych kompozycjach notacja geologiczna staje się znacznie łatwiejsza w zarządzaniu niż notacja chemiczna.

Diagramy fazowe

Rys. 1 Binarny diagram fazowy przedstawiający roztwory stałe w pełnym zakresie względnych stężeń.

Na diagramie fazowym roztwór stały jest reprezentowany przez obszar, często oznaczony typem struktury, który obejmuje zakresy składu i temperatury/ciśnienia. Tam, gdzie elementy końcowe nie są izostrukturalne, prawdopodobnie będą istniały dwa zakresy rozwiązań stałych o różnych strukturach dyktowanych przez rodziców. W tym przypadku zakresy mogą zachodzić na siebie, a materiały w tym obszarze mogą mieć albo strukturę, albo może występować luka w mieszalności w stanie stałym, co wskazuje, że próby wytworzenia materiałów o takim składzie spowodują powstanie mieszanin. W obszarach diagramu fazowego, które nie są pokryte roztworem stałym, mogą występować fazy liniowe, są to związki o znanej strukturze krystalicznej i ustalonej stechiometrii. Tam, gdzie faza krystaliczna składa się z dwóch (nienaładowanych) cząsteczek organicznych, faza liniowa jest powszechnie znana jako kokryształ . W metalurgii stopy o ustalonym składzie określane są jako związki międzymetaliczne . Stałe rozwiązanie może istnieć, gdy dwa zaangażowane pierwiastki (zwykle metale ) znajdują się blisko siebie w układzie okresowym , związek międzymetaliczny zwykle powstaje, gdy dwa zaangażowane metale nie znajdują się blisko siebie w układzie okresowym.

Detale

Substancja rozpuszczona może włączać się do sieci krystalicznej rozpuszczalnika przez podstawienie , przez zastąpienie cząstki rozpuszczalnika w sieci, lub śródmiąższowo , przez dopasowanie do przestrzeni między cząstkami rozpuszczalnika. Oba te typy roztworów stałych wpływają na właściwości materiału poprzez zniekształcanie sieci krystalicznej i zakłócanie jednorodności fizycznej i elektrycznej materiału rozpuszczalnika. Tam, gdzie promienie atomowe atomu substancji rozpuszczonej są większe niż atom rozpuszczalnika, zastępuje on strukturę krystaliczną ( komórkę elementarną ) często rozszerza się, aby ją pomieścić, oznacza to, że skład materiału w roztworze stałym można obliczyć z objętości komórki elementarnej a związek znany jako prawo Vegarda .

Niektóre mieszaniny z łatwością utworzą stałe roztwory w zakresie stężeń, podczas gdy inne mieszaniny w ogóle nie utworzą stałych roztworów. Skłonność dowolnych dwóch substancji do tworzenia roztworu stałego jest skomplikowaną materią obejmującą właściwości chemiczne , krystalograficzne i kwantowe omawianych substancji. Substytucyjne roztwory stałe, zgodnie z zasadami Hume-Rothery , mogą tworzyć się, jeśli substancja rozpuszczona i rozpuszczalnik mają:

stałe rozwiązanie miesza się z innymi, tworząc nowe rozwiązanie

Diagram fazowy na fig. 1 wyświetla stopu dwóch metali, który tworzy stały roztwór na wszystkich względnych stężeń obu gatunków. W tym przypadku czysta faza każdego pierwiastka ma taką samą strukturę krystaliczną, a podobne właściwości dwóch pierwiastków pozwalają na bezstronną substytucję w pełnym zakresie względnych stężeń.

Roztwory stałe mają ważne zastosowania komercyjne i przemysłowe, ponieważ takie mieszaniny często mają lepsze właściwości niż czyste materiały. Wiele stopów metali to rozwiązania stałe. Nawet niewielkie ilości substancji rozpuszczonej mogą wpływać na właściwości elektryczne i fizyczne rozpuszczalnika.

Rys. 2 Ten binarny diagram fazowy pokazuje dwa stałe rozwiązania: i .

Dwuskładnikowy diagram fazowy na ryc. 2 przedstawia fazy mieszaniny dwóch substancji w różnych stężeniach, oraz . Region oznaczony „ ” jest roztworem stałym, pełniącym rolę substancji rozpuszczonej w matrycy . Na drugim końcu skali stężeń obszar oznaczony „ ” jest również roztworem stałym, działającym jako substancja rozpuszczona w matrycy . Duży obszar stały pomiędzy roztworami i stałymi, oznaczony „ + ”, nie jest roztworem stałym. Zamiast tego badanie mikrostruktury mieszaniny w tym zakresie ujawniłoby dwie fazy — roztwór stały w i roztwór stały w — utworzyłyby oddzielne fazy, być może blaszki lub ziarna .

Podanie

Na diagramie fazowym, w trzech różnych stężeniach, materiał będzie stały aż do podgrzania do temperatury topnienia , a następnie (po dodaniu ciepła topnienia ) stanie się płynny w tej samej temperaturze:

  • niestopowa skrajna lewica
  • czysta skrajna prawica
  • zanurzenie w środku ( kompozycja eutektyczna ).

W innych proporcjach materiał wejdzie w fazę papkowatą lub pastowatą, aż rozgrzeje się do całkowitego stopienia.

Mieszanina w punkcie zanurzenia diagramu nazywana jest stopem eutektycznym . Sformułowane w tym momencie mieszanki ołowiowo-cyny (mieszanina 37/63) są przydatne podczas lutowania elementów elektronicznych, zwłaszcza jeśli odbywa się to ręcznie, ponieważ faza stała jest szybko wprowadzana podczas stygnięcia lutowia. W przeciwieństwie do tego, gdy do lutowania szwów karoserii samochodowych stosowano mieszaniny ołowiu i cyny, stan pastowaty umożliwiał uformowanie kształtu za pomocą drewnianej łopatki lub narzędzia, tak więc stosowano stosunek ołowiu do cyny 70-30. (Ołów jest usuwany z takich zastosowań ze względu na jego toksyczność i wynikające z tego trudności w recyklingu urządzeń i komponentów, które zawierają ołów).

Wyłączenie

Kiedy stały roztwór staje się niestabilny – na przykład z powodu niższej temperatury – następuje uwolnienie i dwie fazy rozdzielają się na odrębne, mikroskopijne lub megaskopowe lamele . Wynika to głównie z różnicy w wielkości kationów. Kationy, które mają dużą różnicę w promieniach, prawdopodobnie nie będą łatwo zastępować.

Weźmy na przykład alkaliczne minerały skaleniowe , których końcowymi składnikamialbit , NaAlSi 3 O 8 i mikroklin , KAlSi 3 O 8 . W wysokich temperaturach Na + i K + łatwo zastępują się nawzajem i tak minerały utworzą stały roztwór, jednak w niskich temperaturach albit może zastąpić tylko niewielką ilość K + i to samo dotyczy Na + w mikroklinie. Prowadzi to do wykluczenia, w którym rozdzielą się na dwie oddzielne fazy. W przypadku alkalicznych minerałów skalenia cienkie białe warstwy albitu będą naprzemiennie zmieniać się w typowo różowy mikroklin, co daje teksturę pertytu .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne