Твердый раствор

редактировать

Химический раствор в твердой форме; кристаллическая структура растворителя которого не изменяется растворенным веществом

рис. 1 Бинарная фазовая диаграмма, отображающая твердые растворы во всем диапазоне относительных концентраций. ИЮПАК определение Твердое вещество, в котором компоненты совместимы и образуют уникальную фазу.

Примечание 1: определение «кристалл, содержащий вторую составляющую, которая вписывается и. распределяется в решетке основного кристалла», данное в ссылках, 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) из веществ,. называется растворителем, обрабатываются 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 превращается из стеклообразного в каучукообразное состояния.

Примечание 4: В фармацевтических препаратах понятие твердого раствора часто. применяется к смесям лекарственного средства и полимера.

Примечание 5: количество молекул лекарственного средства, которые действительно действуют как растворитель (пластификатор). полимеров, невелико.

A твердый раствор представляет собой твердое - состояние раствор одного или нескольких растворенных веществ в растворителе. Такая многокомпонентная система считается раствором, а не соединением, когда кристаллическая структура растворителя остается неизменной при добавлении растворенных веществ, и когда химические компоненты остаются в одном однородная фаза. Это часто случается, когда два задействованных элемента (обычно металлы ) находятся близко друг к другу в периодической таблице ; и наоборот, химическое соединение обычно возникает, когда два вовлеченных металла не находятся рядом друг с другом в периодической таблице.

Твердый раствор необходимо отличать от механических смесей порошкообразных твердых веществ, таких как две соли, сахар и соль и т.д. Механические смеси имеют полную или частичную разрыв смешиваемости в твердом состоянии. Примеры твердых растворов включают кристаллизованные соли из их жидкой смеси, металлические сплавы и влажные твердые вещества. В случае металлических сплавов часто встречаются интерметаллические соединения.

Содержание

1 Подробности
2 Применение
3 Exsolution
4 См. Также
5 Ссылки
6 Внешние ссылки

Подробности

Растворенное вещество может включать в кристаллическую решетку растворителя замещающим образом, заменяя частицу растворителя в решетке, или междоузлия, 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.

Некоторые смеси легко образуют твердые растворы в диапазоне концентраций, тогда 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:

одинаковые атомные радиусы (разница 15% или меньше)
Такая же кристаллическая структура
Сходная электроотрицательность
Сходная валентность

твердый раствор смешивается с другими с образованием нового раствора

Фаза диаграмма на фиг. 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 обладают превосходными свойствами 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.

Фиг. 2 На этой бинарной фазовой диаграмме показаны два твердых раствора:

α {\ displaystyle \ alpha}

\ alpha

β {\ displaystyle \ beta}

\ beta

Бинарная фазовая диаграмма на рис. 2 показаны фазы смеси двух веществ в различных концентрациях, $A {\ displaystyle A}$ $A$ и $B {\ displaystyle B}$ $B$ . Область, обозначенная « $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ », представляет собой твердый раствор, в котором $B {\ displaystyle B}$ $B$ действует как растворенное вещество в матрице $А {\ displaystyle A}$ $A$ . На другом конце шкалы концентраций область, обозначенная « $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ », также является твердым раствором с $A {\ displaystyle A}$ $A$ действует как растворенное вещество в матрице $B {\ displaystyle B}$ $B$ . Большая сплошная область между твердыми растворами $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ и $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ , обозначенная « $α { \ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ + $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ ", не является твердым решением. Вместо этого исследование микроструктуры смеси в этом диапазоне выявит две фазы - твердый раствор $A {\ displaystyle A}$ $A$ -in- $B {\ displaystyle B}$ $B$ и твердый раствор $B {\ displaystyle B}$ $B$ -in- $A {\ displaystyle A}$ $A$ образуют отдельные фазы, возможно пластинки или зерна.

Применение

На фазовой диаграмме при трех различных концентрациях материал будет твердым до тех пор, пока не нагреется до своей точки плавления, а затем (после добавления теплоты плавления ) станут жидкими при той же температуре:

нелегированный крайний левый
нелегированный крайний правый
провал в центре (эвтектический состав).

При других пропорциях материал перейдет в кашицеобразную или пастообразную фазу, пока не нагреется до полного расплавления.

Смесь в точке падения на диаграмме 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 охлаждении припоя. Напротив, когда смеси свинца и олова использовались для пайки швов в кузовах автомобилей, пастообразное состояние позволяло формировать форму с помощью деревянной лопатки или инструмента, поэтому использовалось соотношение свинца и олова 70-30. (Свинец удаляется из таких приложений из-за его токсичности и, как следствие, трудностей с переработкой устройств и компонентов, содержащих свинец.)

Exsolution

Когда твердый раствор становится нестабильным - например, из-за более низкой температуры - происходит распад, и две фазы разделяются на отдельные микроскопические или мегамагнитные ламели. В основном это вызвано разницей в размере катионов. Катионы с большой разницей в радиусах вряд ли легко заменятся.

Возьмем, например, щелочные полевой шпат минералы, концевые элементы представляют собой альбит, NaAlSi 3O8и микроклин, KAlSi 3O8. При высоких температурах Na и K легко замещают друг друга, и поэтому минералы образуют твердый раствор, однако при низких температурах альбит может замещать 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, что приводит к текстуре пертита.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Пакет преподавания и обучения DoITPoMS - «Надежные решения»