Введение

Твердый раствор, термин, широко используемый для металлов, представляет собой однородную смесь двух различных типов атомов в твердом состоянии, обладающую единой кристаллической структурой. Многие примеры можно найти в металлургии, геологии и химии твердого тела. Термин "раствор" используется для описания тесного смешивания компонентов на атомном уровне и отличает эти однородные материалы от физических смесей компонентов. С твердыми растворами в основном связаны два термина – растворитель и растворенное вещество, в зависимости от относительного содержания атомных видов. В общем случае, если два соединения изоструктурны, то между их конечными членами (также известными как родительские соединения) будет существовать твердый раствор. Например, хлорид натрия и хлорид калия имеют одинаковую кубическую кристаллическую структуру, поэтому можно получить чистое соединение с любым соотношением натрия к калию (Na₁₋ₓKₓ)Cl, растворив это соотношение NaCl и KCl в воде, а затем испарив раствор. Продукт, относящийся к этому семейству, продается под торговой маркой Lo Salt, который имеет состав (Na₀.₃₃K₀.₆₆)Cl и содержит на 66% меньше натрия, чем обычная поваренная соль (NaCl). Чистые минералы называются галит и сильвит, а физическая смесь этих двух – сильвинитом. Поскольку минералы являются природными материалами, их состав может значительно варьироваться. Во многих случаях образцы являются представителями семейства твердых растворов, и геологам представляется более полезным обсуждать состав семейства, чем состав отдельного образца. Оливин описывается формулой (Mg, Fe)₂SiO₄, что эквивалентно (Mg₁₋ₓFeₓ)₂SiO₄. Соотношение магния к железу варьируется между двумя конечными членами ряда твердых растворов: форстеритом (Mg-содержащий конечный член: Mg₂SiO₄) и фаялитом (Fe-содержащий конечный член: Fe₂SiO₄), однако соотношение в оливине обычно не определено. С увеличением сложности состава геологическая нотация становится значительно более удобной в использовании, чем химическая.

Номенклатура

IUPAC определяет твердый раствор как "твердое вещество, в котором компоненты совместимы и образуют единую фазу". Определение "кристалл, содержащий вторую составляющую, которая внедряется и распределяется в кристаллической решетке кристалла-хозяина", приведенное в ссылках, не является универсальным и, следовательно, не рекомендуется к использованию. Данное выражение следует применять для описания твердой фазы, содержащей более одного вещества, когда, для удобства, одно (или несколько) веществ, называемых растворителем, рассматривается иначе, чем остальные вещества, называемые растворенными веществами. Одним или несколькими компонентами могут быть макромолекулы. Некоторые из других компонентов могут выступать в роли пластификаторов, то есть молекулярно дисперсных веществ, снижающих температуру стеклования, при которой аморфная фаза полимера переходит из стекловидного в резиноподобное состояние. В фармацевтических препаратах концепция твердого раствора часто применяется к смесям лекарственного вещества и полимера. Число молекул лекарственного вещества, которые фактически действуют как растворитель (пластификатор) полимеров, невелико.

Фазовые диаграммы

На фазовой диаграмме твердый раствор представлен областью, часто обозначенной типом структуры, охватывающей диапазоны составов и температур/давлений. Если конечные компоненты не изоструктурны, то, скорее всего, будут существовать два диапазона твердых растворов с различными структурами, определяемыми исходными компонентами. В этом случае эти диапазоны могут перекрываться, и материалы в этой области могут обладать любой из этих структур, либо же может наблюдаться щель в растворимости в твердом состоянии, указывающая на то, что попытки получить материалы с данным составом приведут к образованию смесей. В областях фазовой диаграммы, не занятых твердым раствором, могут присутствовать линейные фазы – соединения с известной кристаллической структурой и фиксированной стехиометрией. Если кристаллическая фаза состоит из двух (незаряженных) органических молекул, такая линейная фаза обычно называется кокристаллом. В металлургии сплавы с заданным составом называют интерметаллическими соединениями. Твердый раствор, как правило, образуется, когда два вовлеченных элемента (обычно металлы) расположены близко друг к другу в периодической таблице, а интерметаллические соединения обычно возникают, когда два металла находятся далеко друг от друга в периодической таблице.

Вывод

Когда твердый раствор становится нестабильным — например, из-за понижения температуры — происходит экзолюция, и две фазы разделяются на отдельные микроскопические и мегаскопические ламели. Это в основном вызвано разницей в размерах катионов. Катионы с большой разницей в ионных радиусах не склонны к легкой взаимной замене. Примером служат минералы щелочных полевых шпатов, конечными членами ряда которых являются альбит, NaAlSi3O8, и микроклин, KAlSi3O8. При высоких температурах ионы Na+ и K+ легко замещают друг друга, поэтому минералы образуют твердый раствор, однако при низких температурах альбит может заместить лишь небольшое количество ионов K+, и то же самое справедливо для ионов Na+ в микроклине. Это приводит к экзолюции, в результате которой они разделяются на две отдельные фазы. В случае минералов щелочных полевых шпатов тонкие белые слои альбита чередуются с типично розовым микроклином, формируя пертитовую текстуру.