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大明金 鋼鐵小百科(8)

2019-06-25/大明金日誌
大明金 鋼鐵小百科(8)

大明金 鋼鐵小百科(8)

今 日 介 紹

固體溶液

提到溶液,你的大腦里浮現的是什麼?一杯食鹽水?一瓶飲料?還是一罐可樂?它們無一例外都是液體。
不過,如果告訴你,鋼鐵和寶石也是「溶液」,你會相信嗎?真的,它們確實是「溶液」,只不過是「固體溶液」。
  固溶體是怎麼形成的?
只要兩種固體間達到分子或原子水平上的混合,它們也能形成「溶液」。這種在分子或原子水平上均勻混合的固體混合物稱作固體溶液,簡稱固溶體。固溶體這個名字起得很形象,我們可以將固溶體理解為一種固體溶質溶解在另一種固體溶液當中。那這個過程是如何實現的呢?
首先,像金屬、金屬氧化物、陶瓷這類物質都是以晶體形式存在的,所謂晶體就是構成它們的原子或分子,以一種有規律的、整齊的方式堆砌在一起所形成的物質。
當所有參與堆砌的組分只是一種單質或者是一種化合物的時候,該晶體就是純凈物。如果這時候有另外一種物質參與進來,佔據了原有原子所在位置,並且不破壞原有的結構,那這就是固溶體。原來的組分就相當於溶劑,外來的組分就相當於溶質。
和溶液一樣固溶體中溶質在溶劑中的溶解也是存在溶解度的當一個較大的原子取代原有的原子由於空間有限,它會擠壓周圍的原子;當一個較小的原子取代原有的原子,周圍的原子就會朝裏面壓縮。無論是擠壓還是壓縮,都會產生一個應力場,造成晶格結構偏離原有的狀態,這時我們就說晶體結構發生畸變了。
外來原子佔據的位置越多晶體畸變越嚴重當溶質原子達到一定數量時它就無法再穩定地存在於晶體結構中最終以另一種狀態析出形成第二相這個過程就好比往水中加鹽加入的鹽比較少鹽就能全部溶解如果一直不停地加鹽就會從水中析出沉澱在水底
影響固溶體溶解度的因素很多包括元素價態原子尺寸晶體結構等物理化學因素兩者的性質越是接近溶解度就越大甚至可以相互無限溶解就如同水和酒精能夠任意比例相互溶解如果兩者性質相差太大,就無法形成固溶體就如同水和油互不相溶
 
  鋼鐵:應用最廣泛的固溶體
合金是一種很常見的材料很多合金都是固溶體比如黃銅是銅和鋅的固溶體白銅是銅和鎳的固溶體鋼鐵是鐵和碳的固溶體而其中鋼鐵則是其中應用得最多一種合金
鋼鐵雖然也是固溶體但是和前面所述的那種固溶體的類型卻不太相同首先我們得知道金屬原子的堆積方式有多種但是因為把原子可以看作是一顆均勻半徑的球體在它們堆積形成晶體之後原子與原子之間無論如何都會有間隙存在也就是存在原子無法佔據空間
可以想見晶體中原子間隙空間都比較窄如果外來的原子半徑足夠小那麼它就有機會擠進這個狹小的空間並在間隙中穩定地存在與溶劑原子形成固溶體這種類型的固溶體叫做間隙固溶體而前面所說的通過取代溶劑原子位置形成的固溶體叫做置換固溶體鋼鐵就是小個頭的「碳」原子擠進大個頭的「鐵」原子之間形成的間隙固溶體。所以我們也經常稱鋼鐵為鐵碳合金。
碳原子雖然成功進入了間隙位置仍然會對周圍的鐵原子造成擠壓所以間隙固溶體都是溶解度有限的固溶體含碳量在0.021%~2.11%的鐵碳合金是鋼含碳量在2.11%~6.69%的鐵碳合金是鑄鐵當含碳量小於0.021%我們就說它符合工業純鐵的標準了而含碳量大於6.69%的鐵碳合金脆性太大基本沒有用處
我們知道晶體是原子或分子整齊堆積形成的固體,然而,總有那麼一些原子不會老老實實聽話,排列時沒有對齊,形成一維的缺陷,這種缺陷稱為位錯。當金屬承受外力時,位錯會移動,使得金屬拉伸、變長,最終斷裂。形成固溶體之後,雜質原子會阻礙位錯的移動,從而減少金屬發生的形變,提高鋼鐵的強度,這就是固溶體的固溶強化作用。這也是工業上常使用鋼而不使用純鐵的原因。

  固溶體也是奢侈品!

鑽石紅寶石藍寶石祖母綠金綠貓眼被認為是世界五大珍貴寶石是市場上昂貴的奢侈品不過它們其實也是固體溶液。
紅寶石和藍寶石都是氧化鋁Al2O3的晶體,但是純凈的氧化鋁是無色的,若溶解了微量鉻元素,它就會顯現紅色,這就是紅寶石;若溶解了微量的鐵元素、鈦元素而呈現藍色或者其他顏色,這就是藍寶石。這就如同無色的純凈水,加入銅離子顯現藍色,加入亞鐵離子顯現淡黃色一樣。
 
有一種鈷酸鋰的物質它的分子式是LiCoO2當分子中每脫去一個鋰離子的時候就會有相應的一個鈷Co從三價氧化成四價,這時可以認為是四價的Co4+取代了三價的Co3+所形成的固溶體。而在鈷Co氧化的過程中會釋放一個電子,我們在用一根導線把釋放的電子與另一種材料連接,就可以構成電池,形成電流,這就是手機常用的鋰離子電池。
純凈水是電的絕緣體溶解了食鹽以後可以擁有良好的導電性能同樣的固溶體也能擁有和純凈晶體不一樣的電學性能在半導體工業中最常用的是矽元素這種半導體的電阻比較大往往需要加入不同價態的元素形成固溶體矽的最外層有四個電子會與周圍的矽共享電子形成共價鍵當加入高價元素比如磷元素形成共價鍵后磷原子外面會多出一個電子這個電子容易激發變成自由電子這種半導體稱為N型半導體;當加入低價元素如硼元素硼原子會因為缺少一個電子在外層留下一個空位這種半導體稱為P型半導體P型半導體和N型半導體相互接觸就形成了P-N結它是光伏發電發光二極體三極體的物理基礎
很多點火裝置之所以能點火都離不開一種叫壓電陶瓷的功勞它是由鋯酸鉛PbZrO3和鈦酸鉛PbTiO3固溶形成的一種固溶體是一類具有壓電效應的陶瓷所謂壓電效應就是給材料施加一個外力它會在表面產生電荷的現象用力壓一壓就會有電產生
之所以有這種現象主要是和晶體內部的電偶極子的取向有關由於晶體在沒有外力時電偶極子排列呈無序狀態各部分的電場相互抵消對外不顯電性在外力作用下電偶極子被迫朝同一方向排列最終使得表面帶電
 
沒想到吧?固體溶液簡直是無處不在無所不能啊!如果下次有小夥伴問起你,打火機的原理、為什麼寶石有各種不同的顏色、太陽能發電是因為什麼?就把這篇推送發給他吧!
 
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