Szilárd megoldás - Solid solution

A szilárd oldat olyan anyagcsaládot ír le, amely különböző összetételű (pl. A _x B _{1 − x} ) és egykristályos szerkezetű . Számos példa található a kohászatban , a geológiában és a szilárdtest-kémiában . A "megoldás" szó az összetevők intim keverésének atomszinten történő leírására szolgál, és megkülönbözteti ezeket a homogén anyagokat az összetevők fizikai keverékeitől .

Általában, ha két vegyület izostrukturális, akkor a végtagok (más néven szülők) között szilárd oldat lesz. Például a nátrium-klorid és a kálium-klorid azonos köbös kristályszerkezettel rendelkezik, így tiszta vegyületet lehet előállítani bármilyen nátrium / kálium arányban (Na _1-x K _x ) Cl úgy, hogy ezt a NaCl és KCl arányt vízben feloldjuk. elpárologtatva az oldatot. Ennek a családnak egy tagja Lo Salt márkanéven kerül forgalomba, ami (Na _0,33 K _0,66 ) Cl, ezért 66% -kal kevesebb nátriumot tartalmaz, mint a normál konyhasó (NaCl). A tiszta ásványok nevezik halite és szilvit egy fizikai elegyet a két nevezik sylvinite .

Mivel az ásványok természetes anyagok, hajlamosak az összetételükben nagy eltérésekre. Sok esetben a minták egy szilárd megoldás család tagjai, és a geológusok hasznosabbnak tartják a család összetételének megvitatását, mint egy egyedi mintát. Az olivint a (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ képlet írja le , amely egyenértékű (Mg _{1 − x} Fe _x ) ₂ SiO ₄ . A magnézium és a vas aránya a szilárd oldat sorozat két végtagja között változik: forsterit (Mg-végtag: Mg ₂ SiO ₄ ) és fayalit (Fe-endmember: Fe ₂ SiO ₄ ), de az olivin arányát általában nem határozzák meg. Az egyre összetettebb összetételeknél a geológiai jelölés lényegesen könnyebben kezelhető, mint a kémiai jelölés.

Fázisdiagramok

1. ábra Bináris fázisdiagram, amely szilárd oldatokat jelenít meg a relatív koncentrációk teljes tartományában.

A fázisdiagramon a szilárd oldatot egy olyan terület jelöli, amelyet gyakran a szerkezet típusával jelölnek, és amely lefedi az összetétel és a hőmérséklet/nyomás tartományokat. Ahol a végtagok nem izostrukturálisak, ott valószínűleg két szilárd megoldási tartomány létezik, amelyek szerkezete a szülők által diktált. Ebben az esetben a tartományok átfedhetik egymást, és ezen a területen az anyagok vagy szerkezetűek lehetnek, vagy szilárd halmazállapotú elegyedési rés jelezheti, hogy az ilyen összetételű anyagok előállítására irányuló kísérletek keverékeket eredményeznek. A fázisdiagram azon területein, amelyeket nem fed le szilárd oldat, esetleg vonalfázisok, ezek ismert kristályszerkezetű és halmazállapotú sztöchiometriás vegyületek. Ahol a kristályos fázis két (nem töltött) szerves molekulából áll, a vonalfázist általában kokkristálynak nevezik . A kohászatban meghatározott összetételű ötvözeteket fémközi vegyületeknek neveznek . Szilárd megoldás valószínű, ha a két érintett elem (általában fémek ) közel vannak a periódusos rendszerben , egy intermetallikus vegyület általában akkor keletkezik, ha két érintett fém nincs közel a periódusos rendszerhez.

Részletek

Az oldott anyag beépülhet az oldószer kristályrácsába szubsztituált módon , egy oldószer részecske helyettesítésével a rácsban, vagy intersticiálisan , az illesztő részecskék közötti térbe illeszkedve. Mindkét típusú szilárd oldat befolyásolja az anyag tulajdonságait a kristályrács torzításával és az oldószer fizikai és elektromos homogenitásának megzavarásával. Amennyiben az atomrádiuszok az oldott anyag atom nagyobb, mint az oldószer atom helyettesíti a kristály szerkezete ( elemi cella ) gyakran kitágul befogadására, ez azt jelenti, hogy a kompozíció egy anyagot egy szilárd oldat lehet kiszámítani az egységcella térfogata egy összefüggés ismert Vegard törvénye .

Néhány keverék könnyen oldatokat képez bizonyos koncentrációtartományokban, míg más keverékek egyáltalán nem képeznek szilárd oldatokat. Bármely két anyag szilárd oldatra való hajlama bonyolult kérdés, amely magában foglalja a szóban forgó anyagok kémiai , kristálytani és kvantumtulajdonságait . A Hume-Rothery szabályokkal összhangban helyettesítő szilárd oldatok keletkezhetnek, ha az oldott anyag és az oldószer:

• Hasonló atomsugarak (15% vagy kisebb különbség)
• Ugyanaz a kristályszerkezet
• Hasonló elektronegativitások
• Hasonló valencia

a szilárd oldat másokkal elegyedve új oldatot képez

A fázisdiagram az ábra. 1 jelenít ötvözetből két fém, amely szilárd oldatot képez minden relatív koncentrációi a két faj. Ebben az esetben az egyes elemek tiszta fázisa azonos kristályszerkezettel rendelkezik, és a két elem hasonló tulajdonságai lehetővé teszik az elfogulatlan helyettesítést a relatív koncentrációk teljes tartományában.

A szilárd megoldásoknak fontos kereskedelmi és ipari alkalmazásuk van, mivel az ilyen keverékek gyakran jobb tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a tiszta anyagok. Sok fémötvözet szilárd megoldás. Még kis mennyiségű oldott anyag is befolyásolhatja az oldószer elektromos és fizikai tulajdonságait.

2. ábra Ez a bináris fázisdiagram két szilárd megoldást mutat: és .${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

A 2. ábra bináris fázisdiagramja két anyag keverékének fázisait mutatja különböző koncentrációban, és . A " " jelzésű régió szilárd oldat, amely oldott anyagként működik a (z) mátrixában . A koncentrációs skála másik végén a " " feliratú régió szintén szilárd oldat, amely oldott anyagként működik a (z) mátrixában . A szilárd és a szilárd oldatok közötti nagy , " + " jelzésű régió nem szilárd oldat. Ehelyett egy vizsgálata mikroszerkezete keverék ebben a tartományban lenne feltárni két fázis-szilárd oldat -in- és szilárd oldatot -in- képezné külön fázis, talán lamella vagy szemcsék . ${\ 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}$

Alkalmazás

A fázisdiagramban három különböző koncentrációban az anyag szilárd lesz, amíg fel nem melegszik az olvadáspontjáig , majd ( az olvasztási hő hozzáadása után ) folyékony lesz ugyanazon a hőmérsékleten:

• az ötvözetlen szélsőbaloldal
• az ötvözetlen szélsőjobb
• a mártás középen (az eutektikus kompozíció).

Más arányokban az anyag pépes vagy pépes fázisba lép, amíg teljesen fel nem olvad.

A diagram merülési pontján lévő keveréket eutektikus ötvözetnek nevezzük . Az ekkor megformált ólom-ón keverékek (37/63 keverék) hasznosak az elektronikus alkatrészek forrasztásakor, különösen ha manuálisan végezzük, mivel a szilárd fázis gyorsan belép a forrasztás lehűlésekor. Ezzel szemben, amikor ólom-ón keverékeket használtak a karosszériák varratainak forrasztására, a pasztaszerű állapot lehetővé tette az alak kialakítását falapáttal vagy szerszámmal, ezért 70-30 ólom-ón arányt használtunk. (Az ólmot eltávolítják az ilyen alkalmazásokból, mivel mérgezőek, és ebből adódóan nehézségekbe ütközik az ólmot tartalmazó eszközök és alkatrészek újrahasznosítása.)

Feloldás

Amikor egy szilárd oldat instabillá válik - például alacsonyabb hőmérséklet hatására -, akkor feloldódás következik be, és a két fázis különálló mikroszkopikus és megascopos lamellákra oszlik szét . Ezt elsősorban a kationok méretének különbsége okozza. Azok a kationok, amelyeknek sugara nagyban különbözik, valószínűleg nem helyettesítik könnyen.

Vegyük az alkáli földpát ásványok például, melynek végén tagjai vannak albit , NaAlSi ₃ O ₈ és mikroklin , Kalsi ₃ O ₈ . Magas hőmérsékleten a Na ⁺ és a K ⁺ könnyen helyettesítik egymást, és így az ásványok szilárd oldatot képeznek, alacsony hőmérsékleten azonban az albit csak kis mennyiségű K ⁺ -ot képes helyettesíteni, és ugyanez vonatkozik a mikrovonalon lévő Na ^{+ -ra} is. Ez feloldáshoz vezet, ahol két külön fázisra szakadnak. Az alkáli földpát ásványok esetében vékony fehér albit rétegek váltakoznak tipikusan rózsaszín mikroklin között, ami perthites textúrát eredményez.

Lásd még

• Szilárd oldaterősítés

Hivatkozások

Külső linkek

• DoITPoMS tanítási és tanulási csomag - „Szilárd megoldások”