Fast lösning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 14 mars 2013; kontroller kräver 11 redigeringar .

Fasta lösningar  är faser med varierande sammansättning där atomer av olika grundämnen finns i ett gemensamt kristallgitter .

Klassificering

De kan vara oordnade (med ett slumpmässigt arrangemang av atomer), delvis eller helt ordnade. Ordningen bestäms experimentellt främst genom röntgenstrukturanalys .

Förmågan att bilda fasta lösningar är inneboende i alla kristallina fasta ämnen . I de flesta fall är det begränsat av snäva koncentrationsgränser, men system med en kontinuerlig serie av fasta lösningar är kända (till exempel Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). I huvudsak är alla kristallina ämnen som anses rena fasta lösningar med en mycket liten mängd föroreningar.

Det finns tre typer av solida lösningar:

Enligt Hume-Rotherys semi-empiriska regler [1] bildas en kontinuerlig serie av substitutionella fasta lösningar i metalliska system endast av de grundämnen som för det första har atomradier nära i storlek (som skiljer inte mer än 15 %) och för det andra är de inte alltför långt ifrån varandra i den elektrokemiska serie av spänningar . I detta fall måste elementen ha samma typ av kristallgitter. I fasta lösningar baserade på halvledare och dielektrika, på grund av mer "lösa" kristallgitter, är bildningen av substitutionella fasta lösningar möjlig även med en större skillnad i atomradier.

Om komponenternas atomer skiljer sig avsevärt i storlek eller elektronisk struktur, är det möjligt att introducera atomer av ett element i mellanrummen i gittret som bildas av ett annat element. Sådana fasta lösningar bildas ofta när icke-metaller ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) löses i metaller [2] .

Fasta subtraktionslösningar , som uppstår på grund av uppkomsten av lediga platser i kristallgittret, bildas när en av komponenterna löses i en kemisk förening och är karakteristiska för icke-stökiometriska föreningar.

Naturliga mineraler är ofta fasta lösningar (se Isomorfism i kristaller ). Bildandet av fasta lösningar vid legering av grundämnen och föreningar är av stor betydelse vid tillverkning av legeringar, halvledare , keramik och ferriter .

Fasta lösningar är grunden för alla de viktigaste strukturella och rostfria stålen , brons , mässing , aluminium och magnesiumlegeringar med hög hållfasthet. Fasta lösningars egenskaper regleras av deras sammansättning, termiska eller termomekaniska behandling. Dopade halvledare och många ferroelektriska ämnen , som är grunden för modern solid state-elektronik , är också solida lösningar.

När fasta lösningar bryts ned får legeringar nya egenskaper. De mest värdefulla egenskaperna är legeringar med en mycket fin inhomogenitet - den så kallade fällningshärdningen, eller åldrande fasta lösningar. Nederbördshärdning kan också observeras under sönderdelningen av fasta lösningar baserade på föreningar, till exempel icke-stökiometriska spineller .

Vanlig lösningsmodell

Den vanliga lösningsmodellen kan användas för att studera egenskaperna hos riktiga fasta lösningar.
Denna modell är mer rigorös än modellen med idealiska lösningar.

Modellen är baserad på följande uppskattningar:

  1. Kvasikemisk approximation. Enligt denna approximation är interaktionen mellan atomer inte beroende av lösningens sammansättning. Detta leder till att bindningslängden också är oberoende av sammansättningen. Det är lätt att verifiera att i detta fall är blandningsvolymen noll och blandningsentalpin sammanfaller med blandningens inre energi. Vid beräkning av den potentiella delen av den interna energin är som regel endast de närmaste grannarna begränsade.
  2. Fördelningen av atomer anses vara slumpmässig. Interaktionen mellan atomer anses vara liten och kan inte påverka deras fördelning. Därför sammanfaller konfigurationsentropin för en vanlig lösning med den för en idealisk. Giltigheten av denna approximation i verkliga lösningar ökar med ökande temperatur.

Överväg bildandet av en vanlig lösning med exemplet att blanda två prover med atomer av typ A och B. Potentiell energi för proverna:

,

var  är antalet bindningar mellan atomer och deras energi i prov A.

Efter blandning:

Om  är koordinationsnumret, kan följande uttryck skrivas för antalet obligationer:

var  är antalet typ A-atomer.

Efter byte får vi för E:

,

där den sista termen beskriver förändringen i energi under blandning.

Med hjälp av det faktum att atomerna i lösningen är slumpmässigt fördelade, finner vi . Varje atom B har grannar. Det genomsnittliga antalet A-atomer runt en B-atom bör vara proportionellt mot koncentrationen av A-atomer i systemet.

Då har vi:

Antal AB-anslutningar:

,

var .

Slutligen har vi ett uttryck för den potentiella energin för blandning av en vanlig lösning:

Anteckningar

  1. ↑ Hume-Rothery, 1965 .
  2. ↑ Hume-Rothery, 1965 , sid. 92-94.

Se även

Litteratur