Твердый раствор описывает семейство материалов , которые имеют ряд композиций (например) A х B 1-х и одну кристаллическую структуру . Многие примеры можно найти в металлургии , геологии и химии твердого тела . Слово «раствор» используется для описания тщательного перемешивания компонентов на атомарном уровне и отличает эти однородные материалы от физических смесей компонентов.
Примечание 1 : определение «кристалл, содержащий вторую составляющую, которая вписывается в
решетку основного кристалла и распределяется в ней», данное в ссылках, [1] [2] , не является общим
и, таким образом, не рекомендуется.
Примечание 2 : Выражение должно использоваться для описания твердой фазы, содержащей
более одного вещества, когда для удобства одно (или несколько) веществ,
называемых растворителем, обрабатывается иначе, чем другие вещества, называемые растворенными веществами.
Примечание 3 : один или несколько компонентов могут быть макромолекулами . Некоторые из
других компонентов могут затем действовать как пластификаторы, то есть как молекулярно-диспергированные
вещества, которые снижают температуру стеклования, при которой аморфная
фаза полимера преобразуется между стеклообразным и эластичным состояниями.
Примечание 4 : В фармацевтических препаратах понятие твердого раствора часто
применяется к смесям лекарственного средства и полимера .
полимеров, невелико. [3]
В общем, если два соединения изоструктурны, то между концевыми элементами (также известными как родительские) будет существовать твердый раствор. Так , например хлорид натрия и хлорид калия имеют одинаковую кубическую кристаллическую структуру , так что можно сделать чистое соединение с любым соотношением натрия к калию (Na 1-х К й ) Cl путем растворения , что соотношение NaCl и KCl в воде , а затем выпаривание раствора. Член этого семейства продается под торговой маркой Lo Salt, которая представляет собой (Na 0,33 K 0,66 ) Cl, поэтому он содержит на 66% меньше натрия, чем обычная поваренная соль (NaCl). Чистые минералы называются галитом и сильвином , физическая смесь этих двух называется сильвинитом .
Поскольку минералы являются натуральными материалами, их состав может сильно варьироваться. Во многих случаях образцы являются членами семейства твердых растворов, и геологи считают более полезным обсудить состав семейства, чем отдельный образец. Оливин описывается формулой (Mg, Fe) 2 SiO 4 , которая эквивалентна (Mg 1-x Fe x ) 2 SiO 4 . Отношение магния к железу варьируется между двумя концевыми элементами ряда твердых растворов: форстеритом (концевой элемент Mg: Mg 2 SiO 4 ) и фаялит (концевой элемент Fe: Fe 2 SiO 4 ) [4], но соотношение в оливине не является нормально определяется. Со все более сложным составом геологическая система обозначений становится значительно проще в использовании, чем химическая.
Фазовые диаграммы
На фазовой диаграмме твердый раствор представлен областью, часто обозначаемой типом структуры, которая охватывает диапазоны состава и температуры / давления. Если концевые элементы не являются изоструктурными, вероятно, будут два диапазона твердых растворов с различными структурами, продиктованными родителями. В этом случае диапазоны могут перекрываться, и материалы в этой области могут иметь любую структуру или может существовать разрыв в смешиваемости в твердом состоянии, указывающий на то, что попытки создать материалы с этим составом приведут к смесям. В областях на диаграмме состояния, которые не покрыты твердым раствором, могут быть линейные фазы, это соединения с известной кристаллической структурой и заданной стехиометрией. Если кристаллическая фаза состоит из двух (незаряженных) органических молекул, линейная фаза обычно известна как сокристалл . В металлургии сплавы с заданным составом относят к интерметаллидам . Твердый раствор может существовать, когда два вовлеченных элемента (обычно металлы ) находятся близко друг к другу в периодической таблице , интерметаллическое соединение обычно возникает, когда два вовлеченных металла не находятся рядом друг с другом в периодической таблице. [5]
Подробности
Растворенное вещество может включаться в кристаллическую решетку растворителя замещающим образом , заменяя частицу растворителя в решетке, или промежуточно , помещаясь в пространство между частицами растворителя. Оба этих типа твердых растворов влияют на свойства материала, искажая кристаллическую решетку и нарушая физическую и электрическую однородность материала растворителя. [6] Если атомные радиусы растворенного атома больше, чем атома растворителя, он заменяет кристаллическую структуру ( элементарная ячейка ), часто расширяется, чтобы вместить ее, это означает, что состав материала в твердом растворе может быть рассчитан из единицы Объем ячейки - соотношение, известное как закон Вегарда .
Некоторые смеси легко образуют твердые растворы в диапазоне концентраций, в то время как другие смеси вообще не образуют твердых растворов. Склонность любых двух веществ к образованию твердого раствора - сложный вопрос, включающий химические , кристаллографические и квантовые свойства рассматриваемых веществ. Замещающие твердые растворы в соответствии с правилами Юма-Розери могут образовываться, если растворенное вещество и растворитель имеют:
- Подобные атомные радиусы (разница 15% или меньше)
- Та же кристаллическая структура
- Подобные электроотрицательности
- Подобная валентность
твердый раствор смешивается с другими, образуя новый раствор
Фазовая диаграмма на рисе. 1 отображает сплав двух металлов , который образует твердый раствор при всех относительных концентрациях двух видов. В этом случае чистая фаза каждого элемента имеет одну и ту же кристаллическую структуру, и аналогичные свойства двух элементов допускают несмещенное замещение во всем диапазоне относительных концентраций.
Твердые растворы имеют важное коммерческое и промышленное применение, поскольку такие смеси часто имеют превосходные свойства по сравнению с чистыми материалами. Многие металлические сплавы представляют собой твердые растворы. Даже небольшое количество растворенного вещества может повлиять на электрические и физические свойства растворителя.
На бинарной фазовой диаграмме на рис.2 показаны фазы смеси двух веществ в различных концентрациях: а также . Регион с пометкой ""твердый раствор, с действуя как растворенное вещество в матрице . На другом конце шкалы концентрации находится область с надписью ""тоже твердый раствор, с действуя как растворенное вещество в матрице . Большая сплошная область между а также твердые растворы, помеченные " + ", не является твердым раствором. Вместо этого изучение микроструктуры смеси в этом диапазоне выявит две фазы - твердый раствор.-в- и твердый раствор -в-образует отдельные фазы, возможно, ламели или зерна .
Заявление
На фазовой диаграмме при трех различных концентрациях материал будет твердым, пока не нагреется до температуры плавления , а затем (после добавления теплоты плавления ) станет жидким при той же температуре:
- беспримесные крайние левые
- беспримесные крайне правые
- провал в центре ( эвтектический состав).
При других пропорциях материал перейдет в кашеобразную или пастообразную фазу, пока не нагреется до полного расплавления.
Смесь в точке падения диаграммы называется эвтектическим сплавом. Смеси свинца и олова, приготовленные на этом этапе (смесь 37/63), полезны при пайке электронных компонентов, особенно если это делается вручную, поскольку твердая фаза быстро входит в состав при остывании припоя. Напротив, когда смеси свинца и олова использовались для пайки швов в кузовах автомобилей, пастообразное состояние позволяло формировать форму деревянной лопаткой или инструментом, поэтому использовалось соотношение свинца к олову 70-30. (Свинец удаляется из таких применений из-за его токсичности и, как следствие, трудностей с утилизацией устройств и компонентов, содержащих свинец.)
Exsolution
Когда твердый раствор становится нестабильным, например, из-за более низкой температуры, происходит его распад, и две фазы разделяются на отдельные микроскопические или мегамагнитные ламели . Это в основном вызвано разницей в размере катионов. Катионы, которые имеют большую разницу в радиусах, вряд ли легко заменятся. [7]
Возьмем, к примеру, минералы щелочного полевого шпата , конечными членами которых являются альбит NaAlSi 3 O 8 и микроклин KAlSi 3 O 8 . При высоких температурах Na + и K + легко замещают друг друга, поэтому минералы образуют твердый раствор, однако при низких температурах альбит может заменять только небольшое количество K +, и то же самое относится к Na + в микроклине. Это приводит к распаду, где они разделятся на две отдельные фазы. В случае минералов щелочного полевого шпата тонкие белые слои альбита будут чередоваться с типично розовым микроклином [7], что приводит к текстуре пертита .
Смотрите также
- Упрочнение твердого раствора
Рекомендации
- ^ Алан Д. Макнот; Эндрю Р. Уилкинсон, ред. (1997). Сборник химической терминологии: Рекомендации ИЮПАК (2-е изд.). Blackwell Science. ISBN 0865426848.
- ^ Сборник аналитической номенклатуры («Оранжевая книга») . Оксфорд: Blackwell Science. 1998.ISBN. 0865426155.
- ^ Верт, Мишель; Дои, Йошихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Гесс, Майкл; Ходж, Филипп; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргарита; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология для биорелированных полимеров и приложений (Рекомендации IUPAC 2012 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377–410. DOI : 10.1351 / PAC-REC-10-12-04 . S2CID 98107080 .
- ^ Боневиц, Рональд Л. (2008). Камни и минералы: полное наглядное руководство . Penguin Random House. п. 91. ISBN 978-1-4053-2831-9.
- ^ Коттрелл, Алан Ховард (1967). Введение в металлургию . Институт материалов. ISBN 0-8448-0767-2.
- ^ Каллистер-младший, Уильям Д. (2006). Материаловедение и инженерия: Введение (7-е изд.). Джон Вили и сыновья. ISBN 0-471-35446-5.
- ^ a b Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. p91-92. ISBN 978-0-19-510691-6
- Чен, Цзин; Сюй, Чжи-цинь; Chen, ZZ .; Ли, Т.Ф. И Чен, ФГ. (Декабрь 2005 г.). «Текстура распада паргасита и ильменита в клинопироксене из Hujialing Garnet-Pyroxenite, Su-lu UHP Terrane, Центральный Китай: геодинамическое значение» (PDF) . Европейский журнал минералогии . 17 (6): 895–903. Bibcode : 2005EJMin..17..895C . DOI : 10.1127 / 0935-1221 / 2005 / 0017-0895 . Архивировано из оригинального (PDF) 9 мая 2006 года.
- Петерсен, У. "Введение в рудную микроскопию II; минеральный парагенезис" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 11 апреля 2006 года.
Внешние ссылки
- Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Надежные решения»