Твердый раствор

Твердый раствор ( термин, широко используемый для металлов) представляет собой гомогенную смесь двух разных типов атомов, находящихся в твердом состоянии и имеющих единую кристаллическую структуру . ^{[ 1 ]} Множество примеров можно найти в металлургии , геологии и химии твердого тела . Слово «раствор» используется для описания тщательного смешивания компонентов на атомном уровне и отличает эти однородные материалы от физических смесей компонентов. Два термина в основном связаны с твердыми растворами - растворители и растворенные вещества, в зависимости от относительного содержания атомных частиц.

Обычно, если два соединения изоструктурны , между концевыми членами (также известными как родительские) будет существовать твердый раствор. Например, хлорид натрия и хлорид калия имеют одинаковую кубическую кристаллическую структуру, поэтому можно получить чистое соединение с любым соотношением натрия и калия (Na _1-x K _x )Cl, растворив это 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, следовательно, она содержит на 66% меньше натрия, чем обычная поваренная соль (NaCl). Чистые минералы называются галитом и сильвитом ; физическая смесь этих двух веществ называется сильвинитом .

Поскольку минералы являются природными материалами, их состав подвержен большим изменениям. Во многих случаях образцы являются членами семейства твердых растворов, и геологам более полезно обсуждать состав семейства, чем отдельный образец. Оливин описывается формулой (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ , что эквивалентно (Mg _1−x Fe _x ) ₂ SiO ₄ . Соотношение магния и железа варьируется между двумя крайними членами ряда твердых растворов: форстеритом (концевой элемент Mg: Mg ₂ SiO ₄ ) и фаялитом (конечный член Fe: Fe ₂ SiO ₄ ). ^{[ 2 ]} но соотношение в оливине обычно не определяется. По мере усложнения состава геологические обозначения становятся значительно проще в использовании, чем химические.

Номенклатура

Определение твердого раствора, данное ИЮПАК, — это «твердое вещество, компоненты которого совместимы и образуют уникальную фазу». ^{[ 3 ]}

Определение «кристалл, содержащий вторую составляющую, которая вписывается в решетку основного кристалла и распределяется в ней», данное в ссылках. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} не является общим и поэтому не рекомендуется.

Это выражение следует использовать для описания твердой фазы, содержащей более одного вещества, когда для удобства с одним (или несколькими) веществами, называемыми растворителями, обращаются иначе, чем с другими веществами, называемыми растворенными веществами.

Один или несколько компонентов могут быть макромолекулами . Некоторые из других компонентов могут тогда действовать как пластификаторы, т. е. как молекулярно-дисперсные вещества, снижающие температуру стеклования, при которой аморфная фаза полимера переходит из стеклообразного в каучукоподобное состояние.

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

Число молекул лекарств, которые ведут себя как растворитель (пластификатор) полимеров, невелико. ^{[ 6 ]}

Фазовые диаграммы

На фазовой диаграмме твердый раствор представлен областью, часто обозначаемой типом структуры, которая охватывает диапазоны состава и температуры/давления. Если конечные члены не изоструктурны, вероятно, будут существовать два диапазона твердых растворов с разными структурами, определяемыми родительскими элементами. В этом случае диапазоны могут перекрываться и материалы в этой области могут иметь либо структуру, либо может существовать разрыв смешиваемости в твердом состоянии, что указывает на то, что попытки создания материалов с таким составом приведут к смесям. На участках диаграммы состояния, не покрытых твердым раствором, могут находиться линейчатые 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 заданного состава называют интерметаллидами . Твердый раствор, вероятно, существует, когда два элемента (обычно металлы вовлеченные расположены близко друг к другу в таблице Менделеева , интерметаллическое соединение обычно образуется, когда два вовлеченных металла не находятся рядом друг с другом в таблице Менделеева. ^{[ 7 ]}

Подробности

Растворенное вещество может включаться в кристаллическую решетку растворителя путем замещения , замещая частицу растворителя в решетке, или междоузлием , 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. ^{[ 8 ]} Если атомный радиус атома растворенного вещества больше атома растворителя, он заменяет кристаллическую структуру ( элементарная ячейка ), часто расширяется, чтобы вместить ее, это означает, что состав материала в твердом растворе можно рассчитать по объему элементарной ячейки a. зависимость, известная как закон Вегарда . ^{[ 9 ]}

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. Твердые растворы замещения, в соответствии с правилами Юма-Розери , могут образовываться, если растворенное вещество и растворитель имеют:

Похожие атомные радиусы (разница 15% или менее)
Та же кристаллическая структура
Подобные электроотрицательности
Аналогичная валентность

твердый раствор смешивается с другими, образуя новый раствор

Фазовая диаграмма на приведенной выше диаграмме отображает сплав двух металлов, который образует твердый раствор при всех относительных концентрациях двух металлов. В этом случае чистая фаза каждого элемента имеет одинаковую кристаллическую структуру, а схожие свойства двух элементов позволяют осуществлять объективное замещение во всем диапазоне относительных концентраций. Твердый раствор псевдобинарных систем в сложных системах с тремя или более компонентами может потребовать более сложного представления фазовой диаграммы с более чем одной сольвусной кривой, нарисованной, соответствующей различным равновесным химическим условиям. ^{[ 10 ]}

Твердые растворы имеют важное коммерческое и промышленное применение, поскольку такие смеси часто имеют превосходящие свойства по сравнению с чистыми материалами. Многие металлические сплавы представляют собой твердые растворы. Даже небольшие количества растворенного вещества могут повлиять на электрические и физические свойства растворителя.

Бинарная фазовая диаграмма на приведенной выше диаграмме показывает фазы смеси двух веществ в различных концентрациях. $A$ и $B$ . Регион с надписью " $\alpha$ «является надежным решением, с $B$ действует как растворенное вещество в матрице $A$ . На другом конце шкалы концентрации находится регион с надписью « $\beta$ " также является надежным решением, с $A$ действует как растворенное вещество в матрице $B$ . Большая сплошная область между $\alpha$ и $\beta$ твердые растворы с надписью « $\alpha$ + $\beta$ ", не является твердым раствором. Вместо этого исследование микроструктуры смеси в этом диапазоне выявило бы две фазы - твердый раствор. $A$ -в- $B$ и твердый раствор $B$ -в- $A$ образовывали бы отдельные фазы, возможно, пластинки или зерна .

Приложение

На фазовой диаграмме при трех различных концентрациях материал будет твердым, пока не нагреется до точки плавления , а затем (после добавления тепла плавления ) станет жидким при той же температуре:

беспримесный крайний левый
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. Свинцово-оловянные смеси, приготовленные на этом этапе (смесь 37/63), полезны при пайке электронных компонентов, особенно если это делается вручную, поскольку твердая фаза быстро проникает по мере остывания припоя. Напротив, когда смеси свинца и олова использовались для пайки швов автомобильных кузовов, пастообразное состояние позволяло придать форму деревянной лопаткой или инструментом, поэтому использовалось соотношение свинца и олова 70–30. (Свинец удаляется из таких применений из-за его токсичности и, как следствие, трудностей с переработкой устройств и компонентов, содержащих свинец.)

Растворение

Когда твердый раствор становится нестабильным — например, из-за более низкой температуры — происходит распад, и две фазы разделяются на отдельные микроскопические или мегаскопические ламели . В основном это вызвано разницей в размерах катионов. Катионы с большой разницей в радиусах вряд ли легко заместятся. ^{[ 11 ]}

щелочного полевого шпата минералы Например, , конечными членами которых являются альбит NaAlSi ₃ O ₈ и микроклин KAlSi ₃ O ₈ . При высоких температурах Na ⁺ и К ⁺ легко замещают друг друга, поэтому минералы образуют твердый раствор, однако при низких температурах альбит может заменить лишь небольшое количество К. ⁺ и то же самое относится и к Na ⁺ в микроклине. Это приводит к распаду, при котором они разделяются на две отдельные фазы. В случае щелочных минералов полевого шпата тонкие слои белого альбита чередуются между типично розовым микроклином и ^{[ 11 ]} В результате получается пертитовая текстура.

См. также

Укрепление твердым раствором

Примечания

^ Аббашян, Реза; Рид-Хилл, Роберт Э. (11 декабря 2008 г.). Физические принципы металлургии . Cengage Обучение. ISBN 978-0-495-08254-5 .
^ Боневиц, Рональд Л. (2008). Камни и минералы: полное визуальное руководство . Случайный дом пингвинов. п. 91. ИСБН 978-1-4053-2831-9 .
^ «Терминология биородственных полимеров и их применение (Рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . iupac.org . п. 395 . Проверено 4 ноября 2022 г.
^ Алан Д. Макнот; Эндрю Р. Уилкинсон, ред. (1997). Сборник химической терминологии: Рекомендации ИЮПАК (2-е изд.). Блэквелл Наука. ISBN 0865426848 .
^ Сборник аналитической номенклатуры («Оранжевая книга») . Оксфорд: Блэквелл Сайенс. 1998. ISBN 0865426155 .
^ Верт, Мишель; Дои, Ёсихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Хесс, Майкл; Ходж, Филип; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргарита; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология биородственных полимеров и их применение (Рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377–410. doi : 10.1351/PAC-REC-10-12-04 . S2CID 98107080 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2015 г. Проверено 25 июля 2013 г.
^ 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 Уайли и сыновья. ISBN 0-471-35446-5 .
^ Аксон, HJ; Хьюм-Ротери, Уильям (22 апреля 1948 г.). «Шаги решетки твердых растворов различных элементов в алюминии». Труды Королевского общества А. 193 (1032): 1–24. Бибкод : 1948РСПСА.193....1А . дои : 10.1098/rspa.1948.0030 . S2CID 96915827 .
^ Ананд, Шашват; Вулвертон, Крис; Снайдер, Джефф (2022). «Термодинамические рекомендации по максимальной растворимости». Химия материалов . 34 (4): 1638–1648. doi : 10.1021/acs.chemmater.1c03715 . S2CID 246516386 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр91–92. ISBN 978-0-19-510691-6

Ссылки

Чен, Цзин; Сюй, Чжи-цинь; Чен, ZZ.; Ли, ТФ. И Чен, ФЮ. (декабрь 2005 г.). «Текстура распада паргасита и ильменита в клинопироксене из гранат-пироксенита Хуцзялин, террейн Су-лу UHP, Центральный Китай: геодинамическое значение» (PDF) . Европейский журнал минералогии . 17 (6): 895–903. Бибкод : 2005EJMin..17..895C . дои : 10.1127/0935-1221/2005/0017-0895 . Архивировано из оригинала (PDF) 9 мая 2006 г.
Петерсен, У. «Введение в микроскопию руды II; парагенезис минералов» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 11 апреля 2006 г.

Внешние ссылки

Пакет обучения и обучения DoITPoMS — «Надежные решения»

[1] Аббашян, Реза; Рид-Хилл, Роберт Э. (11 декабря 2008 г.). Физические принципы металлургии . Cengage Обучение. ISBN 978-0-495-08254-5 .

[2] Боневиц, Рональд Л. (2008). Камни и минералы: полное визуальное руководство . Случайный дом пингвинов. п. 91. ИСБН 978-1-4053-2831-9 .

[3] «Терминология биородственных полимеров и их применение (Рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . iupac.org . п. 395 . Проверено 4 ноября 2022 г.

[4] Алан Д. Макнот; Эндрю Р. Уилкинсон, ред. (1997). Сборник химической терминологии: Рекомендации ИЮПАК (2-е изд.). Блэквелл Наука. ISBN 0865426848 .

[5] Сборник аналитической номенклатуры («Оранжевая книга») . Оксфорд: Блэквелл Сайенс. 1998. ISBN 0865426155 .

[6] Верт, Мишель; Дои, Ёсихару; Хеллвич, Карл-Хайнц; Хесс, Майкл; Ходж, Филип; Кубиса, Пшемыслав; Ринаудо, Маргарита; Шуэ, Франсуа (2012). «Терминология биородственных полимеров и их применение (Рекомендации ИЮПАК 2012 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 84 (2): 377–410. doi : 10.1351/PAC-REC-10-12-04 . S2CID 98107080 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2015 г. Проверено 25 июля 2013 г.

[7] Коттрелл, Алан Ховард (1967). Введение в металлургию . Институт материалов. ISBN 0-8448-0767-2 .

[8] Каллистер-младший, Уильям Д. (2006). Материаловедение и инженерия: Введение (7-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-35446-5 .

[9] Аксон, HJ; Хьюм-Ротери, Уильям (22 апреля 1948 г.). «Шаги решетки твердых растворов различных элементов в алюминии». Труды Королевского общества А. 193 (1032): 1–24. Бибкод : 1948РСПСА.193....1А . дои : 10.1098/rspa.1948.0030 . S2CID 96915827 .

[10] Ананд, Шашват; Вулвертон, Крис; Снайдер, Джефф (2022). «Термодинамические рекомендации по максимальной растворимости». Химия материалов . 34 (4): 1638–1648. doi : 10.1021/acs.chemmater.1c03715 . S2CID 246516386 .

[test-11] Перейти обратно: ^а ^б Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр91–92. ISBN 978-0-19-510691-6

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

v т и Химические растворы
Решение	Идеальное решение Водный раствор Твердый раствор Буферный раствор Флори-Хаггинс Смесь Приостановка Коллоид Фазовая диаграмма Разделение фаз Эвтектическая точка Сплав Насыщенность Пересыщение Серийное разбавление Разбавление (уравнение) Очевидные молярные свойства Разрыв смешиваемости
Концентрация и соответствующие количества	Молярная концентрация Массовая концентрация Числовая концентрация Объемная концентрация Нормальность Моляльность Мольная доля Массовая доля Изотопное изобилие Соотношение смешивания Тройной сюжет
Растворимость	Равновесие растворимости Общее количество растворенных твердых веществ сольватация Сольватная оболочка Энтальпия раствора Решетчатая энергия Закон Рауля Закон Генри Таблица растворимости (данные) Таблица растворимости Смешиваемость
Растворитель	( Категория ) Константа диссоциации кислоты Протонный растворитель Полярный апротонный растворитель Неорганический неводный растворитель сольватация Список информации о кипячении и замерзании растворителей Коэффициент распределения Полярность гидрофобный гидрофильный Липофильный Амфифил Лионий ион Лиат-ион