고체 용액

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고체 용액은 다양한 구성(예: AB_x1−x)과 단일 결정 구조를 가진 재료군을 설명한다.많은 예들은 야금, 지질학, 고체 화학에서 찾을 수 있다."솔루션"이라는 단어는 원자 수준에서 성분의 친밀한 혼합을 묘사하고 이러한 동질적 물질과 성분의 물리적 혼합물을 구별하기 위해 사용된다.

일반적으로 두 화합물이 등구조적이라면 최종 구성원들 사이에 고체 용액이 존재할 것이다(부모라고도 한다).예를 들어 염화나트륨과 염화칼륨은 입방결정 구조가 같기 때문에 NaCl과 KCl의 비율을 물에 녹인 다음 용액을 증발시켜 나트륨 대 칼륨(NaK_1-xx)Cl의 비율의 순화합물을 만드는 것이 가능하다.이 계열의 멤버는 Lo Salt라는 브랜드로 판매되고 있는데, 이 때문에 일반 식탁용 소금(NaK_0.330.66)보다 나트륨 함량이 66%나 적다.순수한 미네랄은 할라이트(halite)와 실비나이트(sylvite)라고 불리며, 이 두 미네랄의 물리적 혼합물을 실비나이트(silvinite)라고 한다.

미네랄은 천연 물질이기 때문에 구성에서 큰 변화를 일으키기 쉽다.많은 경우에 표본은 견고한 용액 가족의 구성원이며 지질학자들은 개별 표본보다 가족의 구성을 논의하는 것이 더 도움이 된다고 생각한다.올리빈은 (MgFe_1−xx)₂SiO에₄ 해당하는 공식 (Mg, Fe)₂SiO로₄ 설명된다.마그네슘 대 철의 비율은 고형 용액 시리즈의 두 최종 성분인 포스테라이트(Mg-end 멤버: Mg-end₂₄ 멤버: Mg-end 멤버: Mg-end 멤버)와 페이얄라이트(Fe-end 멤버:FeSiO₂₄)^[1] 그러나 올리빈에서의 비율은 일반적으로 정의되지 않는다.점점 더 복잡한 구성으로 지질학적 표기법은 화학적 표기법보다 관리하기가 훨씬 쉬워진다.

명명법

솔리드 솔루션의 IUPAC 정의는 "구성 요소가 호환되고 고유한 단계를 형성하는 솔리드"이다.

ref에 제시된 "주최 결정의 격자에 적합하고 분배되는 두 번째 성분을 포함하는 결정"은 일반적이지 않기 때문에 권장되지 않는다.^[2][3]

이 표현은 용매라고 하는 하나(또는 그 이상)의 물질을 용매라고 하는 다른 물질과 다르게 취급할 때 둘 이상의 물질을 포함하는 고체상을 설명하기 위해 사용된다.

그 성분들 중 하나 또는 몇몇은 고분자일 수 있다.다른 성분들 중 일부는 가소제 역할을 할 수 있다. 즉, 폴리머의 비정상이 유리 상태와 고무 상태 사이에서 전환되는 유리 변환 온도를 낮추는 분자적으로 분산된 물질이다.

의약품 조제에서는 약물과 폴리머의 혼합물의 경우 고체 용액의 개념이 적용되는 경우가 많다.

중합체의 용매(플라스틱제) 역할을 하는 약물 분자의 수는 적다.^[4]

위상 도표

위상 다이어그램에서 고체 용액은 구성 및 온도/압력 범위를 포함하는 구조 유형으로 라벨이 붙어 있는 영역으로 표시된다.최종 구성원이 이등 구조물이 아닌 경우 부모에 의해 지시된 서로 다른 구조를 가진 두 개의 견고한 솔루션 범위가 있을 가능성이 있다.이 경우 범위가 중복되고 이 영역의 재료가 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 또는 이 구성으로 재료를 생성하려고 하면 혼합물이 발생한다는 것을 나타내는 솔리드 스테이트의 오사성 갭이 있을 수 있다.고체 용액으로 덮이지 않는 위상 다이어그램의 영역에서는 선 페이즈(line phase)가 알려진 결정 구조와 스토이치측정법을 갖는 화합물이다.결정 단계가 두 개의 (무충전) 유기 분자로 구성된 경우, 라인 단계는 일반적으로 코크리스탈이라고 알려져 있다.야금에서 정해진 조성을 가진 합금을 금속간 화합물이라고 한다.고체 용액은 관련된 두 원소(일반적으로 금속)가 주기율표에 서로 가까이 있을 때 존재할 가능성이 높으며, 금속간 화합물은 일반적으로 주기율표상 서로 가까이 있지 않을 때 발생한다.^[5]

세부 사항

용액은 용제 입자 사이의 공간에 장착하여 격자의 용제 입자를 대체하거나 중간으로 대체하여 용제 결정 격자에 통합할 수 있다.이 두 가지 유형의 고체 용액은 결정 격자를 왜곡하고 용매 물질의 물리적, 전기적 동질성을 교란시킴으로써 물질의 특성에 영향을 미친다.^[6]용해 원자의 원자 반지름이 결정 구조(단위 세포)를 대체하는 용해 원자보다 큰 경우, 이를 수용하기 위해 종종 확장되는 경우, 이는 고체 용액의 물질의 구성이 베가르드의 법칙으로 알려진 관계를 단위 세포 체적으로부터 계산할 수 있다는 것을 의미한다.

일부 혼합물은 다양한 농도에 걸쳐 쉽게 고체 용액을 형성하는 반면, 다른 혼합물은 전혀 고체 용액을 형성하지 않는다.어떤 두 가지 물질이 고체 용액을 형성하는 경향은 해당 물질의 화학적, 결정학적, 양자적 성질을 수반하는 복잡한 문제다.용액과 용제가 다음을 포함하는 경우, Hume-Rothery 규칙에 따라 대체 고체 용액이 형성될 수 있다.

• 유사 원자 반지름(15% 이하 차이)
• 동일결정구조
• 유사한 전기적응도
• 유사용량

단단한 용액이 다른 용액과 섞여서 새로운 용액을 만들다.

위의 다이어그램의 위상 다이어그램은 두 종의 모든 상대적 농도에서 고체 용액을 형성하는 두 금속의 합금을 표시한다.이 경우 각 원소의 순수 위상은 동일한 결정 구조로 되어 있으며, 두 원소의 유사한 성질은 상대 농도의 전체 범위를 통하여 편향되지 않은 치환을 가능하게 한다.3개 이상의 구성요소를 가진 복잡한 시스템에서 의사-이진 시스템의 고형 솔루션은 서로 다른 평형 화학 조건에 해당하는 둘 이상의 솔버 곡선을 그리는 위상 다이어그램을 보다 많이 표현해야 할 수 있다.^[7]

고체 용액은 중요한 상업적, 산업적 용도를 가지고 있는데, 그러한 혼합물은 종종 순수 물질보다 우수한 성질을 가지고 있기 때문이다.많은 금속 합금은 고체 용액이다.소량의 용해제라도 용제의 전기적, 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

위의 다이어그램의 이항 위상 다이어그램은 $다양$한 농도의 두 물질 혼합의 위상$,$ 즉 A ${\displaystyle A}$과 B$${\$displaystyle B}$을(를)${\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha$ $\}$이라고 표시된 $영역$은 B ${\displaystyle B}$이(가) $A{\displaystyle }$ ${\displaystyle A}$의 행렬에서 용액 역할을 하는 고체$$ 솔루션이며$,$ 농도 척도의 다른 쪽 끝에는 "${\displaystyle }$ ${\displaystyle$ $\bta$ $}"$라고 표시된 영역도 $솔{\displaystyle }$ 역할을$$ 하는 견고한 솔루션이다.$B{\displaystyle }$ ${\displaystyle B}$ 행렬에 ute$.$$\alpha {\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$과(와) $\beta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \beta }$ 고체$$ 솔루션 사이의 큰 고체 영역은 "${\displaystyle }$ ${\displaystyle \alpha }$ $$+ $\beta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \beta$}"$$로 표시된 고체 솔루션이 아니다.대신, 이 범위의 혼합물의 미세 구조를 검사하면 고체 $솔루션{\displaystyle }$ A ${\displaystyle A}$ $$ ${\displaystyle B}$ 및 고체$$ $솔루션{\displaystyle }$ B ${\displaystyle B}$ $$ ${\displaystyle A}$의 두 단계가 라멜라 또는 곡물처럼 별도의 단계를 형성될$$ 수 있다.

적용

위상 다이어그램에서 세 가지 농도에서 이 물질은 용해 지점까지 가열될 때까지 고체 상태로 유지되며, 그 후 (융합의 열을 추가한 후) 같은 온도에서 액체가 된다.

• 무관심한 극좌파
• 무소불위의 극우파
• 중앙의 딥(지구적 구성)

다른 비율로, 이 물질은 완전히 녹을 때까지 따뜻해질 때까지 흐물흐물한 또는 페이스트 상태로 들어갈 것이다.

다이어그램의 딥 포인트에 있는 혼합물을 에우텍틱 합금이라고 한다.그 지점에서 조제된 납-틴 혼합물(37/63 혼합물)은 납땜 시 유용하며, 특히 납땜이 식을 때 고체상(solid phase)이 빠르게 들어가기 때문에 특히 수동으로 조제할 경우 유용하다.이와는 대조적으로 자동차 차체에서 납-금 혼합물을 솔더로 납-금강 혼합물을 사용할 때 페이스트 상태가 나무 노들 또는 공구로 형상을 형성할 수 있도록 하여 70-30 납-금강 비율을 사용하였다.(납은 독성과 그에 따른 납을 포함하는 기기 및 구성품 재활용의 어려움 때문에 그러한 용도에서 제거되고 있다.)

엑솔루션

예를 들어 낮은 온도로 인해 고체 용액이 불안정해지면 용액이 발생하고 두 단계가 뚜렷한 극소량 라멜레로 분리된다.이것은 주로 양이온 크기의 차이 때문에 발생한다.반지름의 차이가 큰 양이온들은 쉽게 대체될 것 같지 않다.^[8]

알칼리 장석 광물을 예로 들어보자. 이 광물의 최종 부재는 NaAlSiO와₃₈ KAlSiO의₃₈ 마이크로클라인이다.고온에서 Na와⁺ K는⁺ 서로 쉽게 대체하므로 광물들이 견고한 용액을 형성할 것이지만 저온에서는 소량의 K만⁺ 대체할 수 있고 마이크로클라인에서도 Na에게⁺ 동일하게 적용된다.이것은 그들이 두 개의 분리된 단계로 분리되는 해체로 이어진다.알칼리 장석 광물의 경우 ^[8]얇은 흰색 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크리 알크

참고 항목

• 솔리드 솔루션 강화

메모들

참조

외부 링크

• DoITPoMS 교육 및 학습 패키지—"솔리드 솔루션"