Roztwory stałe - Polski Serwis Naukowy

Roztwór stały – ciało stałe, które jest jednorodną pod względem fizycznym fazą krystaliczną, zawierającą dwa lub więcej składników, np. dwa lub więcej rodzajów jonów metali w sieci krystalicznej. Taką fazę nazywa się roztworem stałym, jeżeli po dodaniu substancji rozpuszczonych do dominującego składnika (rozpuszczalnika) typ struktury krystalicznej nie zmienia się, a parametry sieci zmieniają się stopniowo, wraz ze wzrostem stężenia substancji rozpuszczonych.

Oliwiny – grupa minerałów zaliczana do krzemianów. Mają zazwyczaj barwę zieloną w odcieniach, ale też brązową, czarną a wyjątkowo są białe lub bezbarwne.
Narzędzie to urządzenie służące do bezpośredniego oddziaływania w procesie pracy na przedmiot pracy stanowiące wyposażenie człowieka lub maszyny. Większość prostych narzędzi jest maszynami prostymi. Narzędzie pozwala wykonać to, czego przeciętny człowiek nie byłby w stanie wykonać "gołymi rękami", lub ułatwia to, co może wykonać sam. Narzędziami posługują się też niektóre gatunki zwierząt.

Badania struktury roztworów stałych oraz przemian, który ulegają, wchodzą w zakres:

metaloznawstwa (roztwory w sieciach krystalicznych z wiązaniami metalicznymi)

mineralogii (roztwory stałe w kryształach z wiązaniami jonowymi)

Rodzaje roztworów stałych

Roztwory stałe: różnowęzłowy i międzywęzłowy

Wyodrębnia się roztwory stałe:

pierwszego rodzaju (substytucyjne, podstawieniowe, różnowęzłowe)

drugiego rodzaju (addycyjne, międzywęzłowe, śródwęzłowe)

trzeciego rodzaju (pustowęzłowe, deficytowe; stopy substrakcyjne)

Roztwory pierwszego rodzaju

Roztwory pierwszego rodzaju powstają wówczas, gdy składniki rozpuszczone są izomorficzne z rozpuszczalnikiem (osnową) – mają budowę podobną w takim stopniu, że może powstać jedna faza krystaliczna o zmiennym składzie chemicznym. Wspólna krystalizacja dwóch substancji A i B w całym zakresie ich stężeń (tworzenie roztworów stałych ciągłych) jest możliwe tylko w przypadku, gdy spełnione są tzw. reguły Hume'a i Rothery'ego – oba składniki mają:

Alotropia - zjawisko występowania różnych odmian tego samego pierwiastka chemicznego różniących się właściwościami fizycznymi i chemicznymi. Odmiany alotropowe pierwiastka mogą różnić się między sobą budową kryształów lub liczbą atomów w cząsteczce.
Elektroujemność to miara tendencji do przyciągania elektronów przez atomy danego pierwiastka, gdy tworzy on związek chemiczny z atomami innego pierwiastka. Bardziej elektroujemny pierwiastek "ściąga" do siebie elektrony tworzące wiązanie z atomem mniej elektroujemnym, co prowadzi do polaryzacji wiązania. W skrajnym przypadku, gdy elektroujemności obu pierwiastków bardzo się różnią (np. sód i chlor), dochodzi do pełnego przeskoku elektronów na bardziej elektroujemny atom, co prowadzi do powstania wiązania jonowego.

taką samą strukturę krystaliczna

podobne promienie atomowe/jonowe (różnica < 15%)

podobną elektroujemność

podobną wartościowość

Parametry sieci krystalicznej roztworu (np. wymiary komórki elementarnej) zmieniają się stopniowo wraz ze wzrostem zawartości A w B lub B w A.

Ziarna utwardzone dyspersyjnie

Przesycanie na wykresie fazowym

Roztwór stały pustowęzłowy (III rodzaju}

Jeżeli wymienione kryteria Hume'a i Rothery'ego nie są spełnione, ze wzrostem udziału obcych atomów w węzłach sieci bardzo szybko rosą naprężenia wiązań. Dochodzi do sytuacji, w której dalszy wzrost stężenia nie jest możliwy w danych warunkach – powstaje roztwór stały graniczny (nasycony).

Ferryt – stop żelaza z węglem będący międzywęzłowym roztworem stałym węgla lub innych pierwiastków w odmianie alotropowej α żelaza (α-Fe). Tworzy sieć krystaliczną typu sieci wewnętrznie centrowanej A2[1]. Ferryt charakteryzuje niska zawartość węgla, w temperaturze pokojowej maksymalnie 0,008%, a w temperaturze przemiany austenitycznej (723 °C), 0,02%[2]. W obecności węgla tworzy węglik żelaza Fe3C - cementyt. Stop ferrytu i cementytu nosi nazwę perlitu [1].
Beryl (Be, łac. beryllium) – pierwiastek chemiczny, metal należący do drugiej grupy głównej układu okresowego. Jedynym stabilnym izotopem jest 9Be. Został odkryty przez Louisa Vauquelina w 1798 r.

Wzajemna rozpuszczalność często ulega zmianom wraz ze zmianami temperatury. W czasie chłodzenia roztworów, otrzymanych w wysokiej temperaturze, może być osiągany stan nasycenia (granica termodynamicznej trwałości fazy). W czasie dalszego chłodzenia składnik rozpuszczony może:

wydzielać się z roztworu, tworząc drobne kryształy nowej fazy, wewnątrz ziaren rozpuszczalnika lub na ich powierzchni (zarodkowanie, utwardzanie dyspersyjne, przemiana fazowa dyfuzyjna)

pozostawać w sieci krystalicznej rozpuszczalnika, powodując jej znaczne zdefektowanie (przesycone roztwory stałe).

W sieciach roztworów stałych I rzędu mogą powstawać różne rodzaje faz międzymetalicznych („związków międzymetalicznych”) – ziarna lub fragmenty ziarna (domeny) o takim rozmieszczeniu składników roztworu, które umożliwia osiągnięcie niższej energii swobodnej. Produktami przemian porządek–nieporządek mogą być różne rodzaje faz międzymetalicznych, oznaczanych literami alfabetu greckiego, np. fazy:

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (przewodnictwo właściwe) może być zmieniana w szerokim zakresie (np. 10-8 do 106 S/m (simensa na metr)) poprzez domieszkowanie, ogrzewanie, oświetlenie badź inne czynniki. Przewodnictwo typowego półprzewodnika plasuje się między przewodnictwem metali i dielektryków.
Polimorfizm (różnopostaciowość) – zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej substancji. Występuje ono wtedy, gdy ta sama substancja może występować w dwóch lub nawet kilku formach krystalicznych.

typu nadstruktury (domeny lokalnego uporządkowania składników)

Lavesa (jony uporządkowane zgodnie z zasadą największego upakowania kul o różnych wymiarach)

Hume'a Rothery'ego (fazy β, γ i ε, o określonym „stężeniu elektronowym”, czyli stosunku liczby elektronów do liczby atomów równym odpowiednio: 21/14, 21/13 i 21/12)

Struktura otrzymanych stopów (np. liczba faz, wielkość i kształt ziaren, ich wzajemne rozmieszczenie, liczba defektów sieci krystalicznej) zależą od szybkości chłodzenia. Jest to podstawą procesów obróbki cieplnej (np. obróbka cieplna stopów żelaza.

Nikiel (Ni, łac. niccolum) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych w układzie okresowym. Został odkryty w roku 1751 przez Cronstedta. W 1804 otrzymano go po raz pierwszy w stanie czystym. Przed naszą erą był używany w stopach z miedzią i cynkiem.
Cyprian Kamil Norwid, właściwie Cyprian Ksawery Gerard Walenty Norwid herbu Topór (ur. 24 września 1821 w Laskowie-Głuchach, zm. 23 maja 1883 w Paryżu) – polski poeta, prozaik, dramatopisarz, eseista, grafik, rzeźbiarz, malarz i filozof.

Roztwory drugiego rodzaju

Roztwory drugiego rodzaju (addycyjne, międzywęzłowe, śródwęzłowe) powstają w przypadku braku izomorfizmu oraz wtedy, gdy wielkość przestrzeni międzywęzłowych, tzw. luk, umożliwia ulokowanie w nich atomów lub jonów substancji rozpuszczonej. Takie roztwory powstają np. w czasie procesów obróbki cieplno–chemicznej stopów żelaza, tj. nawęglanie lub azotowanie.

Korozja elektrochemiczna- jest to korozja spowodowana działaniem substancji chemicznych, gdy reakcjom chemicznym towarzyszy przepływ prądu, np. reakcja metalu z elektrolitem. Najczęściej występuje w przypadku, gdy metal (żelazo, cynk) jest narażony na kontakt z elektrolitami w obecności pierwiastków o większym potencjale standardowym. W takiej sytuacji powstaje ogniwo galwaniczne, w którym pierwiastek bardziej szlachetny (o większym potencjale standardowym) jest katodą, a metal mniej szlachetny anodą. Rolę katody pełnią najczęściej domieszki innych metali, jak również ziarenka grafitu. W miarę rozpuszczania się metalu coraz więcej domieszek zagęszcza się na powierzchni, liczba mikroogniw wzrasta i proces korozji przybiera na sile.
Albit (skaleń sodowy) – minerał z gromady krzemianów zaliczany do grupy zwanej plagioklazami jak i skaleni alkalicznych. Należy do minerałów pospolitych. Nazwa pochodzi od łacińskiego albus - biały.

Roztwory trzeciego rodzaju

W roztworach trzeciego rodzaju (pustowęzłowe, deficytowe; stopy substrakcyjne) rolę rozpuszczalnika odgrywa uporządkowany roztwór stały („nadstruktura”), którego chemiczny skład zależy od liczby pustych węzłów sieci; w przypadku stopów metali rozpuszczalnikiem jest tzw. faza międzymetaliczna (nazywana również „związkiem międzymetalicznym”), którego chemiczny skład zmienia się w wąskim zakresie.

Prehistoria, prahistoria (łac. pre - przedrostek oznaczający uprzedniość, "przed", "wcześniej") to najdłuższy okres dziejów ludzkości - od pojawienia się człowieka na Ziemi do powstania pisma. Badanie tego okresu możliwe jest jedynie metodami archeologicznymi. Na terenach Afryki zaczyna się około 5 mln lat temu razem z pojawieniem się pierwszych człowiekowatych, na terenie Europy około 1 mln lat temu, natomiast na innych terenach z momentem pojawienia się tam człowieka. Dzieli się na sześć podstawowych epok - daty w nawiasach nakładają się na siebie, ze względu na to, że na różnych terenach epoki te zaczynały się i kończyły w różnym czasie:
Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o odporności na działanie sił punktowych (skupionych). Efektami oddziaływania sił skupionych mogą być odkształcenia powierzchni, zgniecenie jej lub zarysowanie. Twardość materiału mierzy się za pomocą sklerometru i mikrotwardościomierza. Twardość jest istotną charakterystyką materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego z typu tych materiałów utworzono odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości.

Od mechanizmu powstawania roztworu stałego zależy osiągalne stężenie substancji rozpuszczanej oraz właściwości materiału, np. mechaniczne i elektryczne. W przypadku metali od rodzaju sieci krystalicznej i stopnia jej zdefektowania zależą mechaniczne właściwości stopów, np. wytrzymałość, twardość, kruchość, sprężystość, plastyczność.

Stopy cynku – stopy metali, w których głównym składnikiem jest cynk oraz zawierające dodatki aluminium, miedzi i manganu. Stopy cynku są tanim substytutem miedzi stopowej. W porównaniu do niej stopy cynku posiadają gorsze własności wytrzymałościowe i są mniej odporne na korozję. Ze względu na to stosowane są tylko przy konstrukcjach i elementach mniej odpowiedzialnych.
Luwr (fr. Louvre, Musée du Louvre) – dawny pałac królewski w Paryżu, obecnie muzeum sztuki. Jedno z największych muzeów na świecie, najczęściej odwiedzana placówka tego typu na świecie. Stanowi jeden z ważniejszych punktów orientacyjnych Paryża, położony jest przy prawym brzegu Sekwany w obrębie Pierwszej Dzielnicy. W kompleksie budynków o całkowitej powierzchni wynoszącej 60,600 metrów kwadratowych znajdują się zbiory liczące około 35,000 dzieł sztuki od czasów najdawniejszych po połowę wieku XIX, dzieła światowego dziedzictwa o największej sławie takie jak np. stela z kodeksem Hammurabiego, Nike z Samotraki, Mona Lisa pędzla Leonarda.

Możliwości modyfikowania elektrycznych właściwości materiałów są wykorzystywane w czasie wytwarzania półprzewodników (zmiany przewodnictwa wskutek domieszkowania).

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)