Fast opløsning

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 14. marts 2013; checks kræver 11 redigeringer .

Faste opløsninger er faser med variabel sammensætning, hvor atomer af forskellige grundstoffer er placeret i et fælles krystalgitter .

Klassifikation

De kan være uordnede (med et tilfældigt arrangement af atomer), delvist eller fuldstændigt ordnet. Rækkefølgen bestemmes eksperimentelt hovedsageligt ved røntgenstrukturanalyse .

Evnen til at danne faste opløsninger er iboende i alle krystallinske faste stoffer . I de fleste tilfælde er det begrænset af snævre koncentrationsgrænser, men der kendes systemer med en kontinuerlig række af faste opløsninger (f.eks. Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). I det væsentlige er alle krystallinske stoffer, der anses for rene, faste opløsninger med en meget lille mængde urenheder.

Der er tre typer faste løsninger:

substitutionsfaste opløsninger ;
faste opløsninger af interstitiel ;
subtraktion faste løsninger .

Ifølge Hume-Rotherys semi-empiriske regler [1] dannes en kontinuerlig række af substituerende faste opløsninger i metalliske systemer kun af de grundstoffer , der for det første har atomare radier tæt på størrelse (ikke mere end 15 %) og for det andet er de ikke for langt fra hinanden i den elektrokemiske serie af spændinger . I dette tilfælde skal elementerne have samme type krystalgitter. I faste opløsninger baseret på halvledere og dielektrika er dannelsen af substituerende faste opløsninger på grund af mere "løse" krystalgitre mulig selv med en større forskel i atomare radier.

Hvis komponenternes atomer adskiller sig væsentligt i størrelse eller elektronisk struktur, er det muligt at indføre atomer af et element i mellemrummene i gitteret dannet af et andet element. Sådanne faste opløsninger dannes ofte, når ikke-metaller ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) opløses i metaller [2] .

Subtraktionsfaste opløsninger , som opstår på grund af forekomsten af ledige steder i krystalgitteret, dannes, når en af komponenterne er opløst i en kemisk forbindelse og er karakteristiske for ikke-støkiometriske forbindelser.

Naturlige mineraler er ofte faste opløsninger (se Isomorfisme i krystaller ). Dannelsen af faste opløsninger under legering af grundstoffer og forbindelser er af stor betydning ved fremstilling af legeringer, halvledere , keramik og ferriter .

Solide løsninger er grundlaget for alle de vigtigste strukturelle og rustfrie stål , bronzer , messing , aluminium og magnesiumlegeringer af høj styrke. Faste opløsningers egenskaber reguleres af deres sammensætning, termiske eller termomekaniske behandling. Doterede halvledere og mange ferroelektriske stoffer, som er grundlaget for moderne solid-state elektronik , er også solide løsninger.

Efterhånden som faste opløsninger nedbrydes, får legeringer nye egenskaber. De mest værdifulde kvaliteter er legeringer med en meget fin inhomogenitet - den såkaldte udfældningshærdning eller ældningsfaste opløsninger. Udfældningshærdning kan også observeres under nedbrydning af faste opløsninger baseret på forbindelser, for eksempel ikke-støkiometriske spineller .

Almindelig løsningsmodel

Den almindelige løsningsmodel kan bruges til at studere egenskaberne af rigtige faste løsninger.
Denne model er mere stringent end modellen med ideelle løsninger.

Modellen er baseret på følgende tilnærmelser:

Kvasikemisk tilnærmelse. Ifølge denne tilnærmelse afhænger interaktionen mellem atomer ikke af opløsningens sammensætning. Dette fører til, at bindingslængden også er uafhængig af sammensætningen. Det er let at verificere, at i dette tilfælde er blandingsvolumenet nul, og blandingens entalpi falder sammen med blandingens indre energi. Ved beregning af den potentielle del af den interne energi er det som regel kun de nærmeste naboer, der er begrænset.
Fordelingen af atomer betragtes som tilfældig. Interaktionen mellem atomer anses for lille og kan ikke påvirke deres fordeling. Derfor falder konfigurationsentropien af en regulær løsning sammen med den for en ideel. Gyldigheden af denne tilnærmelse i virkelige løsninger stiger med stigende temperatur.

Overvej dannelsen af en regulær opløsning ved at bruge eksemplet med at blande to prøver med atomer af type A og B. Prøvernes potentielle energi:

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

hvor er antallet af bindinger mellem atomer og deres energi i prøve A. $P_{AA},E_{AA}$

Efter blanding:

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

Hvis er koordinationsnummeret, kan følgende udtryk skrives for antallet af obligationer: $z$

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

hvor er antallet af type A-atomer. $N_A$

Efter udskiftning får vi for E:

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

hvor det sidste led beskriver ændringen i energi under blanding.

Ved at bruge det faktum, at atomerne i opløsningen er tilfældigt fordelt, finder vi . Hvert atom B har naboer. Det gennemsnitlige antal A-atomer omkring et B-atom skal være proportionalt med koncentrationen af A-atomer i systemet. $P_{AB}$ $z$

Så har vi:

n=zX_{A}

Antal AB-forbindelser:

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

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

Endelig har vi et udtryk for den potentielle energi ved blanding af en almindelig løsning:

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

Se også

Litteratur

Indenbaum G. V. Kemisk Encyklopædisk Ordbog. Ch. udg. I. L. Knunyants. - Moskva: Soviet Encyclopedia, 1983. - 792 s.
Khachaturyan A. G. Teori om fasetransformationer og strukturen af faste opløsninger. - Moskva: Metallurgi, 1974.
V. Hume-Rothery. Introduktion til fysisk metallurgi. — Trans. fra engelsk. V. M. Glazov og S. N. Gorin. - Moskva: Metallurgi, 1965. - 203 s.
J.D. Hurtigt. Interaktion mellem metaller og gasser. — Trans. fra engelsk. L.P. Emelianenko og A.I. Rogov, red. L. A. Shvartsman. - Moskva: Metallurgi, 1975. - 350 s.