Fast lösning - Solid solution

En fast lösning beskriver en familj av material som har en mängd kompositioner (t.ex. A _x B _{1 − x} ) och en enda kristallstruktur . Många exempel kan hittas inom metallurgi , geologi och solid-state kemi . Ordet "lösning" används för att beskriva den intima blandningen av komponenter på atomnivå och skiljer dessa homogena material från fysiska blandningar av komponenter.

I allmänhet om två föreningar är isostrukturella kommer det att finnas en fast lösning mellan ändelementen (även känd som föräldrar). Till exempel har natriumklorid och kaliumklorid samma kubiska kristallstruktur så det är möjligt att göra en ren förening med valfritt förhållande mellan natrium och kalium (Na _1-x K _x ) Cl genom att lösa upp förhållandet NaCl och KCl i vatten och sedan avdunstar lösningen. En medlem av denna familj säljs under varumärket Lo Salt som är (Na _0,33 K _0,66 ) Cl, varför det innehåller 66% mindre natrium än normalt bordsalt (NaCl). De rena mineralerna kallas halit och sylvit , en fysisk blandning av de två kallas sylvinit .

Eftersom mineraler är naturmaterial är de utsatta för stora variationer i sammansättning. I många fall är exemplar medlemmar i en solid lösningsfamilj och geologer tycker att det är mer användbart att diskutera familjens sammansättning än ett individuellt exemplar. Olivin beskrivs av formeln (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ , som är ekvivalent med (Mg _1-x Fe _x ) ₂ SiO ₄ . Förhållandet mellan magnesium och järn varierar mellan de två slutmedlemmarna i serien med fasta lösningar: forsterit (Mg-slutmedlem: Mg ₂ SiO ₄ ) och fayalit (Fe-slutmedlem: Fe ₂ SiO ₄ ) men förhållandet i olivin definieras normalt inte. Med allt mer komplexa kompositioner blir den geologiska notationen betydligt lättare att hantera än den kemiska notationen.

Fasdiagram

Fig. 1 Ett binärt fasdiagram som visar fasta lösningar över hela intervallet av relativa koncentrationer.

På ett fasdiagram representeras en fast lösning av ett område, ofta märkt med strukturtypen, som täcker sammansättnings- och temperatur/tryckintervall. När slutmedlemmarna inte är isostrukturella finns det troligtvis två fasta lösningsområden med olika strukturer som dikteras av föräldrarna. I detta fall kan intervallerna överlappa varandra och materialen i denna region kan ha antingen struktur, eller så kan det finnas ett blandningsgap i fast tillstånd som indikerar att försök att generera material med denna komposition kommer att resultera i blandningar. I områden på ett fasdiagram som inte täcks av en fast lösning kanske det finns linjefaser, det här är föreningar med en känd kristallstruktur och uppsatt stökiometri. Där den kristallina fasen består av två (icke-laddade) organiska molekyler är linjefasen allmänt känd som en cocrystal . I metallurgi kallas legeringar med en sammansatt sammansättning som intermetalliska föreningar. En solid lösning kommer sannolikt att existera när de två elementen (vanligtvis metaller ) som är inblandade ligger nära varandra i det periodiska systemet , en intermetallisk förening uppstår i allmänhet när två inblandade metaller inte är nära varandra i det periodiska systemet.

Detaljer

Det lösta ämnet kan införliva i lösningsmedels kristallgittret substitutionally , genom att ersätta ett lösningsmedel partikel i gittret, eller interstitiellt , genom att passa in i utrymmet mellan lösningsmedels partiklar. Båda dessa typer av fast lösning påverkar materialets egenskaper genom att deformera kristallgitteret och störa den fysiska och elektriska homogeniteten hos lösningsmedelsmaterialet. När atomradierna för den lösta atomen är större än lösningsmedelsatomen som den ersätter kristallstrukturen ( enhetscellen ) ofta expanderar för att rymma den, betyder det att sammansättningen av ett material i en fast lösning kan beräknas utifrån enhetscellvolymen a förhållande som kallas Vegards lag .

Vissa blandningar kommer lätt att bilda fasta lösningar över ett antal koncentrationer, medan andra blandningar inte kommer att bilda fasta lösningar alls. Benägenheten för två ämnen att bilda en fast lösning är en komplicerad fråga som involverar de kemiska , kristallografiska och kvantegenskaperna hos ämnena i fråga. Substitutionella fasta lösningar, i enlighet med Hume-Rothery-reglerna , kan bildas om lösningsmedlet och lösningsmedlet har:

• Liknande atomradier (15% eller mindre skillnad)
• Samma kristallstruktur
• Liknande elektronegativiteter
• Liknande valens

en fast lösning blandas med andra för att bilda en ny lösning

Den fasdiagrammet i fig. 1 visar en legerings av två metaller, som bildar en fast lösning vid alla relativa koncentrationerna av de två arterna. I detta fall är den rena fasen för varje element av samma kristallstruktur, och de liknande egenskaperna hos de två elementen möjliggör opartisk substitution genom hela intervallet av relativa koncentrationer.

Fasta lösningar har viktiga kommersiella och industriella tillämpningar, eftersom sådana blandningar ofta har överlägsna egenskaper än rena material. Många metalllegeringar är fasta lösningar. Även små mängder lösningsmedel kan påverka de elektriska och fysikaliska egenskaperna hos lösningsmedlet.

Fig. 2 Detta binära fasdiagram visar två fasta lösningar: och .${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

Det binära fasdiagrammet i fig. 2 visar faserna i en blandning av två ämnen i varierande koncentrationer och . Regionen märkt " " är en fast lösning, som fungerar som löst ämne i en matris av . I andra änden av koncentrationsskalan är området märkt " " också en fast lösning, som fungerar som löst ämne i en matris av . Det stora fasta området mellan lösningarna och fasta lösningar, märkt " + ", är inte en fast lösning. Istället skulle en undersökning av mikrostrukturen i en blandning i detta område avslöja två faser - fast lösning -in- och fast lösning -in- skulle bilda separata faser, kanske lameller eller korn . ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$${\ displaystyle A}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle A}$

Ansökan

I fasdiagrammet, vid tre olika koncentrationer, kommer materialet att vara fast tills det värms upp till dess smältpunkt och sedan (efter tillsats av smältvärmen ) bli flytande vid samma temperatur:

• den olegerade extrema vänstern
• den olegerade extremhögern
• doppet i mitten (den eutektiska kompositionen).

I andra proportioner kommer materialet att gå in i en grötig eller pastaaktig fas tills det värms upp för att bli helt smält.

Blandningen vid diagrammets dopppunkt kallas en eutektisk legering. Bly-tennblandningar formulerade vid den punkten (37/63 blandning) är användbara vid lödning av elektroniska komponenter, särskilt om de görs manuellt, eftersom den fasta fasen snabbt går in när lodet kyls. När bly-tenn-blandningar användes för att löda sömmar i bilkarosser, gjorde ett pasty-tillstånd det möjligt att bilda en form med en träspad eller ett verktyg, så ett förhållande mellan 70-30 bly till tenn användes. (Bly tas bort från sådana applikationer på grund av dess toxicitet och därmed svårigheter att återvinna enheter och komponenter som innehåller bly.)

Exsolution

När en fast lösning blir instabil - till exempel på grund av en lägre temperatur - sker exsolution och de två faserna separeras i olika mikroskopiska till megaskopiska lameller . Detta beror främst på skillnad i katjonstorlek. Katjoner som har stor skillnad i radier kommer sannolikt inte lätt att ersätta.

Ta alkali fältspat mineraler till exempel, vars ände medlemmar är albit , NaAlSi ₃ O ₈ och Mikroklin , Kalsi ₃ O ₈ . Vid höga temperaturer ersätter Na ⁺ och K ⁺ lätt varandra och så kommer mineralerna att bilda en fast lösning, men vid låga temperaturer kan albit bara ersätta en liten mängd K ⁺ och samma gäller för Na ⁺ i mikroklinien. Detta leder till exsolution där de kommer att separeras i två separata faser. När det gäller alkalifältspatmineralerna kommer tunna vita albitskikt att växla mellan typiskt rosa mikroklin, vilket resulterar i en perititstruktur .

Se även

• Solid lösning förstärkning

Referenser

externa länkar

• DoITPoMS paket för undervisning och lärande - "Solida lösningar"