Tuhý roztok

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 14. března 2013; kontroly vyžadují 11 úprav .

Pevné roztoky jsou fáze různého složení, ve kterých jsou atomy různých prvků umístěny ve společné krystalové mřížce .

Klasifikace

Mohou být neuspořádané (s náhodným uspořádáním atomů), částečně nebo úplně uspořádané. Pořadí je určeno experimentálně především rentgenovou strukturní analýzou .

Schopnost tvořit pevné roztoky je vlastní všem krystalickým pevným látkám . Ve většině případů je limitován úzkými koncentračními limity, ale jsou známy systémy se souvislou řadou pevných roztoků (například Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). V podstatě všechny krystalické látky, které jsou považovány za čisté, jsou pevné roztoky s velmi malým množstvím nečistot.

Existují tři typy pevných roztoků:

substituční tuhé roztoky ;
tuhé roztoky intersticiálních ;
odčítání pevná řešení .

Podle Hume-Rotheryho semiempirických pravidel [1] je souvislá řada substitučních pevných roztoků v kovových systémech tvořena pouze těmi prvky , které mají za prvé atomové poloměry blízké velikosti (liší se maximálně o 15 %). a za druhé, nejsou příliš daleko od sebe v elektrochemické řadě napětí . V tomto případě musí mít prvky stejný typ krystalové mřížky. V pevných roztocích na bázi polovodičů a dielektrik je díky více „volným“ krystalovým mřížkám možný vznik substitučních pevných roztoků i při větším rozdílu atomových poloměrů.

Pokud se atomy složek výrazně liší velikostí nebo elektronovou strukturou, je možné zavést atomy jednoho prvku do mezer mřížky tvořené jiným prvkem. Takové pevné roztoky často vznikají, když se nekovy ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) rozpouštějí v kovech [2] .

Subtrakční pevné roztoky , které vznikají v důsledku výskytu prázdných míst v krystalové mřížce, se tvoří, když je jedna ze složek rozpuštěna v chemické sloučenině a jsou charakteristické pro nestechiometrické sloučeniny.

Přírodní minerály jsou často pevné roztoky (viz izomorfismus v krystalech ). Vznik pevných roztoků při legování prvků a sloučenin má velký význam při výrobě slitin, polovodičů , keramiky a feritů .

Pevná řešení jsou základem všech nejdůležitějších konstrukčních a nerezových ocelí , bronzů , mosazí , hliníku a slitin hořčíku s vysokou pevností. Vlastnosti pevných roztoků jsou regulovány jejich složením, tepelným nebo termomechanickým zpracováním. Solidním řešením jsou také dopované polovodiče a mnoho feroelektrik , které jsou základem moderní polovodičové elektroniky .

Jak se pevné roztoky rozkládají, slitiny získávají nové vlastnosti. Nejcennějšími vlastnostmi jsou slitiny s velmi jemnou nehomogenitou - tzv. precipitačním vytvrzováním, neboli stárnutím tuhých roztoků. Precipitační kalení lze také pozorovat při rozkladu pevných roztoků na bázi sloučenin, např. nestechiometrických spinelů .

Model běžného řešení

Model regulárního roztoku lze použít ke studiu vlastností skutečných pevných roztoků.
Tento model je přísnější než model ideálních řešení.

Model je založen na následujících aproximacích:

Kvazichemická aproximace. Podle této aproximace interakce mezi atomy nezávisí na složení roztoku. To vede k tomu, že délka vazby je také nezávislá na složení. Je snadné ověřit, že v tomto případě je objem míchání nulový a entalpie míchání se shoduje s vnitřní energií míchání. Při výpočtu potenciální části vnitřní energie jsou zpravidla omezeni pouze nejbližší sousedé.
Rozložení atomů je považováno za náhodné. Interakce mezi atomy je považována za malou a nemůže ovlivnit jejich distribuci. Proto se konfigurační entropie regulérního řešení shoduje s tou ideální. Platnost této aproximace v reálných řešeních roste s rostoucí teplotou.

Uvažujme vznik regulárního roztoku na příkladu smíchání dvou vzorků s atomy typu A a B. Potenciální energie vzorků:

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

kde je počet vazeb mezi atomy a jejich energie ve vzorku A. $P_{AA},E_{AA}$

Po smíchání:

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

Pokud je koordinační číslo, pak lze pro počet vazeb napsat následující výrazy: $z$

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

kde je počet atomů typu A. $N_A$

Po substituci dostaneme za E:

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

kde poslední výraz popisuje změnu energie během míchání.

S využitím skutečnosti, že atomy v roztoku jsou náhodně rozmístěny, zjistíme . Každý atom B má sousedy. Průměrný počet atomů A kolem atomu B by měl být úměrný koncentraci atomů A v systému. $P_{AB}$ $z$

Pak máme:

n=zX_{A}

Počet připojení AB:

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

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

Nakonec máme výraz pro potenciální energii smíchání regulárního roztoku:

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

Viz také

Literatura

Indenbaum G. V. Chemický encyklopedický slovník. Ch. vyd. I. L. Knunyants. - Moskva: Sovětská encyklopedie, 1983. - 792 s.
Chačaturjan A. G. Teorie fázových přeměn a struktura pevných roztoků. - Moskva: Metalurgie, 1974.
V. Hume-Rothery. Úvod do fyzikální metalurgie. — Per. z angličtiny. V. M. Glazov a S. N. Gorin. - Moskva: Metalurgie, 1965. - 203 s.
J. D. Fast. Interakce kovů s plyny. — Per. z angličtiny. L. P. Emelianenko a A. I. Rogov, ed. L. A. Shvartsman. - Moskva: Metalurgie, 1975. - 350 s.