محلول جامد جانشینی

محلول جامد جانشینی

در محلول جامد جانشینی (Substitutional Solid Solution)، اتم های محلول در ساختار بلوری اتم حلال جایگزین اتم های حلال می شود. برای مثال اتم های نقره می توانند جایگزین اتم های طلا شوند بدون این که ساختار بلوری طلا (fcc) تغییر کند و اتم های طلا می توانند جایگزین اتم های نقره در شبکه بلوری fcc نقره شوند. همه آلیاژ های سیستم نقره - طلا دارای یک ساختار بلوری fcc هستند، که در آن اتم های نقره و طلا به طور اتفاقی در سر تا سر شبکه بلوری توزیع شده اند. این سیستم یک سری پیوسته از محلول های جامد را می سازد.

عوامل موثر بر حلالیت کامل در حالت جامد

عوامل متعددی وجود دارند که میزان حلالیت در سیستم های آلیاژی را کنترل می کنند. این عوامل عبارتند از:

1- ساختار بلوری:

هرگز دو عنصر نمی توانند در حالت جامد دارای حلالیت کامل باشند، مگر این که دارای ساختار بلوری مشابه باشند.

2- اندازه نسبی:

تشکیل محلول جامد هنگامی میسر است که اختلاف شعاع اتمی دو عنصر کمتر از 15% باشد. اگر اختلاف شعاع بیش از 8% و کمتر از 15% باشد، سیستم آلیاژی معمولا آلیاژی با حداقل نقطه ذوب (مینیمم) را نشان می دهد. اگر اختلاف شعاع اتمی بیش از 15% باشد، تشکیل محلول جامد بسیار محدود است. برای مثال نقره و سرب هر دو داراری شبکه fcc هستند و اختلاف شعاع اتمی آن ها حدود 20% است. حلالیت سرب در نقره جامد در حدود 0.1% است. آنتیموان و بیسموت در هر نسبتی به طور کامل در یکدیگر حل می شوند. این دو عنصر دارای شبکه بلوری یکسان هستند و اختلاف شعاع اتمی آن ها حدود 7% است. با وجود این حلالیت آنتیموان در آلومینیم fcc کمتر از 0.1% است، اگر چه فاکتور اندازه نسبی این دو عنصر حدود 2% است.

3- تمایل شیمیایی (افینیته شیمیایی):

هر چه میل ترکیبی شیمیایی دو عنصر بیشتر باشد، محدودیت بیشتری در تشکیل محلول های جامد آن دو عنصر وجود دارد و تمایل آن ها برای تشکیل ترکیب بیشتر است. معمولا هر قدر دو عنصر در جدول تناوبی از یکدیگر دورتر باشند، تمایل آن دو برای تشکیل ترکیب با یکدیگر بیشتر است.

4- ظرفیت نسبی:

اگر ظرفیت اتم محلول و فلز حلال یکسان نباشد، تعداد الکترون در هر اتم (که نسبت الکترون نامیده می شود) تغییر می کند. ساختار های بلوری به کاهش نسبت الکترون بیشتر حساس هستند تا به افزایش آن. به عبارت دیگر یک فلز با ظرفیت کمتر تمایل به حل کردن بیشتر یک فلز با ظرفیت بالاتر دارد و بر عکس. برای مثال در سیستم آلیاژی Al-Ni، هر دو جزء دارای شبکه fcc هستند و اختلاف شعاع اتمی آن ها حدود 14% است. با وجود این، نیکل ظرفیت کمتری از Al دارد و مطابق با عامل نسبی، نیکل جامد 5% آلومینیم را در خود حل می کند، اما آلومینیم با ظرفیت بالاتر فقط 0.04% نیکل را در خود حل می کند. 

با در نظر گرفتن چهار عامل فوق می توان میزان حلالیت یک فلز در فلز دیگر را تخمین زد. قابل ذکر است که عامل اندازه نسبی نا مطلوب به تنهایی برای محدود کردن میزان حلالیت به مبزان کم کافی است. اگر عامل اندازه نسبی مطلوب باشد سه عامل دیگر برای تصمیم گیری در مورد میزان حلالیت در حالت جامد باید در نظر گرفته شود. ساختار یک محلول جامد در اصل همان ساختار شبکه بلوری فلز حلال با تغییرات جزئی در پارامتر شبکه آن است. اگر اتم محلول بزرگتر از اتم حلال باشد، یک انبساط و اگر اتم محلول کوچکتر باشد، یک انقباض در شبکه ایجاد می شود.

منابع و پیوندها