Solutie solida

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită la 14 martie 2013; verificările necesită 11 modificări .

Soluțiile solide sunt faze de compoziție variabilă în care atomii diferitelor elemente sunt localizați într-o rețea cristalină comună .

Clasificare

Ele pot fi dezordonate (cu un aranjament aleator de atomi), parțial sau complet ordonate. Ordonarea este determinată experimental în principal prin analiza structurală cu raze X.

Capacitatea de a forma soluții solide este inerentă tuturor solidelor cristaline . În cele mai multe cazuri, este limitat de limite de concentrație înguste, dar sunt cunoscute sisteme cu o serie continuă de soluții solide (de exemplu, Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). În esență, toate substanțele cristaline care sunt considerate pure sunt soluții solide cu o cantitate foarte mică de impurități.

Există trei tipuri de soluții solide:

soluții solide de substituție ;
soluții solide de interstițial ;
scăderea soluțiilor solide .

Conform regulilor semiempirice ale lui Hume-Rothery [1] , o serie continuă de soluții solide substituționale în sistemele metalice este formată numai din acele elemente care, în primul rând, au raze atomice apropiate ca mărime (diferând cu cel mult 15%) și, în al doilea rând, nu sunt prea îndepărtate în seria electrochimică de tensiuni . În acest caz, elementele trebuie să aibă același tip de rețea cristalină. În soluțiile solide bazate pe semiconductori și dielectrici, datorită rețelelor cristaline mai „slăbite”, formarea soluțiilor solide substituționale este posibilă chiar și cu o diferență mai mare a razelor atomice.

Dacă atomii componentelor diferă semnificativ în dimensiune sau structură electronică, este posibil să se introducă atomi ai unui element în interstițiile rețelei formate de alt element. Astfel de soluții solide se formează adesea atunci când nemetale ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) sunt dizolvate în metale [2] .

Soluțiile solide de scădere , care apar din cauza apariției locurilor libere în rețeaua cristalină, se formează atunci când unul dintre componente este dizolvat într-un compus chimic și sunt caracteristice compușilor nestoichiometrici.

Mineralele naturale sunt adesea soluții solide (vezi Izomorfismul în cristale ). Formarea soluțiilor solide în timpul alierei elementelor și compușilor este de mare importanță în producția de aliaje, semiconductori , ceramică și ferite .

Soluțiile solide stau la baza tuturor celor mai importante oțeluri structurale și inoxidabile , bronzuri , alame , aliaje de aluminiu și magneziu de înaltă rezistență. Proprietățile soluțiilor solide sunt reglementate de compoziția lor, de tratamentul termic sau termomecanic. Semiconductori dopați și multe feroelectrice , care stau la baza electronicii moderne cu stare solidă , sunt, de asemenea, soluții solide.

Pe măsură ce soluțiile solide se descompun, aliajele capătă noi proprietăți. Cele mai valoroase calități sunt aliajele cu o neomogenitate foarte fină - așa-numitele soluții solide de întărire prin precipitare, sau îmbătrânire. Întărirea prin precipitații poate fi observată și în timpul descompunerii soluțiilor solide pe bază de compuși, de exemplu, spinele nestoichiometrice .

Model de soluție obișnuită

Modelul obișnuit al soluției poate fi folosit pentru a studia proprietățile soluțiilor solide reale.
Acest model este mai riguros decât modelul soluțiilor ideale.

Modelul se bazează pe următoarele aproximări:

Aproximare cvasi-chimică. Conform acestei aproximări, interacțiunea dintre atomi nu depinde de compoziția soluției. Acest lucru duce la faptul că lungimea legăturii este, de asemenea, independentă de compoziție. Este ușor de verificat că în acest caz volumul de amestecare este zero și entalpia de amestecare coincide cu energia internă de amestecare. La calcularea părții potențiale a energiei interne, de regulă, numai cei mai apropiați vecini sunt limitați.
Distribuția atomilor este considerată aleatorie. Interacțiunea dintre atomi este considerată mică și nu poate afecta distribuția lor. Prin urmare, entropia configurațională a unei soluții obișnuite coincide cu cea a uneia ideale. Valabilitatea acestei aproximări în soluții reale crește odată cu creșterea temperaturii.

Luați în considerare formarea unei soluții obișnuite folosind exemplul amestecării a două probe cu atomi de tip A și B. Energia potențială a probelor:

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

unde este numărul de legături dintre atomi și energia lor din proba A. $P_{AA},E_{AA}$

După amestecare:

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

Dacă este numărul de coordonare, atunci se pot scrie următoarele expresii pentru numărul de legături: $z$

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

unde este numărul de atomi de tip A. $N / A$

După înlocuire, obținem pentru E:

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

unde ultimul termen descrie modificarea energiei în timpul amestecării.

Folosind faptul că atomii din soluție sunt distribuiți aleatoriu, găsim . Fiecare atom B are vecini. Numărul mediu de atomi A în jurul unui atom B ar trebui să fie proporțional cu concentrația de atomi A din sistem. $P_{AB}$ $z$

Atunci noi avem:

n=zX_{A}

Număr de conexiuni AB:

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

unde . $N=N_{A}+N_{B}$

În cele din urmă, avem o expresie pentru energia potențială de amestecare a unei soluții obișnuite:

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

Vezi și

Literatură

Indenbaum G. V. Dicţionar enciclopedic chimic. Ch. ed. I. L. Knunyants. - Moscova: Enciclopedia Sovietică, 1983. - 792 p.
Khachaturyan A. G. Teoria transformărilor de fază și structura soluțiilor solide. - Moscova: Metalurgie, 1974.
V. Hume-Rothery. Introducere în metalurgia fizică. — Trans. din engleza. V. M. Glazov și S. N. Gorin. - Moscova: Metalurgie, 1965. - 203 p.
J. D. Rapid. Interacțiunea metalelor cu gazele. — Trans. din engleza. L. P. Emelianenko și A. I. Rogov, ed. L. A. Shvartsman. - Moscova: Metalurgie, 1975. - 350 p.