Kiinteä liuos

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 14. maaliskuuta 2013 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 11 muokkausta .

Kiinteät liuokset ovat koostumukseltaan vaihtelevia faaseja, joissa eri alkuaineiden atomit sijaitsevat yhteisessä kidehilassa .

Luokitus

Ne voivat olla epäjärjestyksessä (satunnaisella atomien järjestelyllä), osittain tai kokonaan järjestyneitä. Järjestys määritetään kokeellisesti pääasiassa röntgenrakenneanalyysillä .

Kyky muodostaa kiinteitä liuoksia on luontaista kaikille kiteisille kiintoaineille . Useimmissa tapauksissa sitä rajoittavat kapeat pitoisuusrajat, mutta tunnetaan järjestelmiä, joissa on jatkuva sarja kiinteitä liuoksia (esim. Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). Pohjimmiltaan kaikki puhtaina pidetyt kiteiset aineet ovat kiinteitä liuoksia , joissa on hyvin pieni määrä epäpuhtauksia.

Kiinteitä ratkaisuja on kolmenlaisia:

korvaavat kiinteät liuokset ;
kiinteät interstitiaaliliuokset ;
kiinteiden ratkaisujen vähentäminen .

Hume-Rotheryn puoliempiiristen sääntöjen [1] mukaan jatkuva sarja korvaavia kiinteitä liuoksia metallijärjestelmissä muodostuu vain niistä alkuaineista , joiden atomisäteet ovat ensinnäkin kooltaan lähellä toisiaan (enintään 15 %). ja toiseksi, eivät ole liian kaukana toisistaan sähkökemiallisessa jännitesarjassa . Tässä tapauksessa elementeillä on oltava samantyyppinen kidehila. Puolijohteisiin ja dielektrikoihin perustuvissa kiinteissä liuoksissa "löyhämpien" kidehilojen vuoksi korvaavien kiinteiden liuosten muodostuminen on mahdollista jopa suuremmalla atomisäteiden erolla.

Jos komponenttien atomit eroavat merkittävästi kooltaan tai elektronirakenteelta, on mahdollista viedä yhden alkuaineen atomeja toisen elementin muodostaman hilan väliin. Tällaisia kiinteitä liuoksia muodostuu usein, kun ei-metalleja ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) liuotetaan metalleihin [2] .

Kiinteät vähennysliuokset , jotka syntyvät tyhjien paikkojen ilmaantumisen vuoksi kidehilassa, muodostuvat, kun jokin komponenteista liukenee kemialliseen yhdisteeseen ja ovat tyypillisiä ei-stoikiometrisille yhdisteille.

Luonnolliset mineraalit ovat usein kiinteitä liuoksia (katso kiteiden isomorfismi ). Kiinteiden liuosten muodostuminen alkuaineiden ja yhdisteiden seostamisen aikana on erittäin tärkeää metalliseosten, puolijohteiden , keramiikan ja ferriittien tuotannossa .

Kiinteät ratkaisut ovat kaikkien tärkeimpien rakenne- ja ruostumattomien terästen , pronssien , messinkien , alumiinin ja erittäin lujien magnesiumseosten perusta. Kiinteiden liuosten ominaisuuksia säätelevät niiden koostumus, lämpö tai termomekaaninen käsittely. Seostetut puolijohteet ja monet ferrosähköiset materiaalit, jotka ovat modernin puolijohdeelektroniikan perusta , ovat myös kiinteitä ratkaisuja.

Kun kiinteät liuokset hajoavat, seokset saavat uusia ominaisuuksia. Arvokkaimmat ominaisuudet ovat seokset, joiden epähomogeenisuus on erittäin hieno - ns. saostuskovettuminen eli vanhenevat kiinteät liuokset. Saostuman kovettumista voidaan havaita myös yhdisteisiin perustuvien kiinteiden liuosten, esimerkiksi ei-stoikiometristen spinellien , hajoamisen aikana .

Tavallinen ratkaisumalli

Säännöllisen liuosmallin avulla voidaan tutkia todellisten kiinteiden liuosten ominaisuuksia.
Tämä malli on tiukempi kuin ihanteellisten ratkaisujen malli.

Malli perustuu seuraaviin likiarvoihin:

Kvasikemiallinen approksimaatio. Tämän likiarvon mukaan atomien välinen vuorovaikutus ei riipu liuoksen koostumuksesta. Tämä johtaa siihen, että sidoksen pituus on myös riippumaton koostumuksesta. On helppo varmistaa, että tässä tapauksessa sekoitustilavuus on nolla ja sekoitusentalpia osuu yhteen sekoituksen sisäisen energian kanssa. Sisäenergian potentiaalista osaa laskettaessa vain lähimmät naapurit ovat yleensä rajoitettuja.
Atomien jakautumista pidetään satunnaisena. Atomien välistä vuorovaikutusta pidetään pienenä, eikä se voi vaikuttaa niiden jakautumiseen. Siksi säännöllisen ratkaisun konfiguraatioentropia on sama kuin ideaalisen ratkaisun entropia. Tämän approksimoinnin pätevyys todellisissa ratkaisuissa kasvaa lämpötilan noustessa.

Harkitse säännöllisen liuoksen muodostumista esimerkkinä, jossa kaksi näytettä sekoitetaan tyypin A ja B atomeilla. Näytteiden potentiaalienergia:

E=P_{AA}E_{AA}+P_{BB}E_{BB}

missä on atomien välisten sidosten lukumäärä ja niiden energia näytteessä A. $P_{AA},E_{AA}$

Sekoituksen jälkeen:

E=P_{AA}E_{AA}+P_{BB}E_{BB}+P_{AB}E_{AB}

Jos on koordinaationumero, niin sidosten lukumäärälle voidaan kirjoittaa seuraavat lausekkeet: $z$

P_{AA}=(zN_{A}-P_{AB})/2,P_{BB}=(zN_{B}-P_{AB})/2,

missä on A-tyypin atomien lukumäärä. $N_A$

Korvauksen jälkeen saamme E:n:

E=zN_{A}E_{AA}/2+zN_{B}E_{BB}/2+P_{AB}(E_{AB}-(E_{AA}+E_{BB})/2 )

jossa viimeinen termi kuvaa energian muutosta sekoituksen aikana.

Käyttämällä sitä tosiasiaa, että liuoksen atomit ovat jakautuneet satunnaisesti, löydämme . Jokaisella atomilla B on naapureita. Keskimääräisen A-atomien lukumäärän B-atomin ympärillä tulisi olla verrannollinen A-atomien pitoisuuteen järjestelmässä. $P_{AB}$ $z$

Sitten meillä on:

n=zX_{A}

AB-liitäntöjen määrä:

{\displaystyle P_{AB}=nN_{B}=zX_{A}N_{B}=zNX_{A}X_{B))

missä . $N=N_{A}+N_{B}$

Lopuksi meillä on lauseke säännöllisen liuoksen sekoituspotentiaalille:

\Delta E=(E_{AB}-zN(E_{AB}-(E_{AA}+E_{BB})/2X_{A}X_{B})

Katso myös

Kirjallisuus

Indenbaum G. V. Chemical Encyclopedic Dictionary. Ch. toim. I. L. Knunyants. - Moskova: Neuvostoliiton tietosanakirja, 1983. - 792 s.
Khachaturyan A. G. Vaihemuunnosten teoria ja kiinteiden liuosten rakenne. - Moskova: Metallurgia, 1974.
V. Hume-Rothery. Johdatus fyysiseen metallurgiaan. — Per. englannista. V. M. Glazov ja S. N. Gorin. - Moskova: Metallurgia, 1965. - 203 s.
J. D. Nopeasti. Metallien vuorovaikutus kaasujen kanssa. — Per. englannista. L. P. Emelianenko ja A. I. Rogov, toim. L. A. Shvartsman. - Moskova: Metallurgia, 1975. - 350 s.