الحل الصلب

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن المصادر:  "Solid solution" – news  · journalist  · books  · scholar  · JSTOR ( November 2007 ) ( Learn how and when to remove this message )

المحلول الصلب، وهو مصطلح يستخدم بشكل شائع للمعادن، هو خليط متجانس من مركبين في الحالة الصلبة ولهما بنية بلورية واحدة . ^[1] يمكن العثور على العديد من الأمثلة في علم المعادن والجيولوجيا وكيمياء الحالة الصلبة . تُستخدم كلمة "محلول" لوصف الاختلاط الحميم للمكونات على المستوى الذري وتمييز هذه المواد المتجانسة عن الخلطات الفيزيائية للمكونات. يرتبط مصطلحان بشكل أساسي بالمحاليل الصلبة - المذيبات والمواد المذابة ، اعتمادًا على الوفرة النسبية للأنواع الذرية.

بشكل عام، إذا كان مركبان متساويان البنية ، فسيوجد محلول صلب بين العناصر النهائية (المعروفة أيضًا باسم الوالدين). على سبيل المثال ، كلوريد الصوديوم وكلوريد البوتاسيوم لهما نفس البنية البلورية المكعبة، لذا من الممكن صنع مركب نقي بأي نسبة من الصوديوم إلى البوتاسيوم (Na _1-x K _x )Cl عن طريق إذابة هذه النسبة من NaCl وKCl في الماء ثم تبخير المحلول. يتم بيع أحد أعضاء هذه العائلة تحت الاسم التجاري Lo Salt وهو (Na _0.33 K _{0.66 )Cl، وبالتالي فهو يحتوي على 66٪ صوديوم أقل من ملح الطعام العادي (} NaCl ). تسمى المعادن النقية الهاليت والسيلفيت ؛ ويشار إلى الخليط الفيزيائي من الاثنين باسم السيلفينيت .

نظرًا لأن المعادن هي مواد طبيعية فهي عرضة لاختلافات كبيرة في التركيب. في كثير من الحالات تكون العينات أعضاء في عائلة محلول صلب ويجد الجيولوجيون أنه من المفيد مناقشة تركيب العائلة أكثر من عينة فردية. يوصف الزبرجد بالصيغة (Mg، Fe) ₂ SiO ₄ ، والتي تعادل (Mg _1−x Fe _x ) ₂ SiO ₄ . تختلف نسبة المغنيسيوم إلى الحديد بين العنصرين النهائيين لسلسلة المحلول الصلب: الفورستريت (العنصر النهائي Mg: Mg ₂ SiO ₄ ) والفاياليت (العنصر النهائي Fe: Fe ₂ SiO ₄ ) ^[2] ولكن النسبة في الزبرجد غير محددة عادةً. مع التركيبات المعقدة بشكل متزايد، يصبح التدوين الجيولوجي أسهل بكثير في الإدارة من التدوين الكيميائي.

تعريف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية للمحلول الصلب هو "مادة صلبة تتوافق مكوناتها وتشكل طورًا فريدًا". ^[3]

التعريف "بلورة تحتوي على مكون ثانٍ يناسب ويوزع في شبكة البلورة المضيفة" الوارد في المراجع ^{[4] [5]} ليس عامًا، وبالتالي لا ينصح به.

يُستخدم هذا التعبير لوصف مرحلة صلبة تحتوي على أكثر من مادة واحدة، عندما يتم التعامل مع واحدة (أو أكثر) من المواد، والتي تسمى المذيب، بشكل مختلف عن المواد الأخرى، والتي تسمى المواد المذابة.

يمكن أن يكون أحد أو أكثر من المكونات جزيئات كبيرة . يمكن لبعض المكونات الأخرى أن تعمل كمُلينات، أي كمواد موزعة جزيئيًا تعمل على تقليل درجة حرارة انتقال الزجاج التي يتحول عندها الطور غير المتبلور للبوليمر بين الحالة الزجاجية والحالة المطاطية.

في المستحضرات الصيدلانية ، غالبًا ما يتم تطبيق مفهوم المحلول الصلب على حالة مخاليط الدواء والبوليمر .

عدد جزيئات الدواء التي تتصرف كمذيب (ملين) للبوليمرات صغير. ^[6]

في مخطط الطور، يتم تمثيل المحلول الصلب بمنطقة، غالبًا ما يتم تمييزها بنوع البنية، والتي تغطي النطاقات التركيبية ودرجة الحرارة/الضغط. عندما لا تكون العناصر النهائية متماثلة البنية، فمن المحتمل أن يكون هناك نطاقان من المحلول الصلب ببنيات مختلفة تمليها العناصر الأصلية. في هذه الحالة، قد تتداخل النطاقات ويمكن أن يكون للمواد في هذه المنطقة بنية، أو قد تكون هناك فجوة قابلية للامتزاج في الحالة الصلبة مما يشير إلى أن محاولات توليد مواد بهذا التركيب ستؤدي إلى خلطات. في المناطق الموجودة في مخطط الطور التي لا يغطيها محلول صلب، قد تكون هناك أطوار خطية، وهي مركبات ذات بنية بلورية معروفة وقياسات ثابتة. عندما يتكون الطور البلوري من جزيئين عضويين (غير مشحونين)، يُعرف الطور الخطي عادةً باسم البلورة المشتركة . في علم المعادن، يشار إلى السبائك ذات التركيب الثابت بالمركبات بين المعدنية . من المرجح أن يوجد محلول صلب عندما يكون العنصران (عادةً المعادن ) المعنيان قريبين من بعضهما البعض في الجدول الدوري ، وعادةً ما ينتج مركب بين المعادن عندما لا يكون المعدنان المعنيان قريبين من بعضهما البعض في الجدول الدوري. ^[7]

يمكن دمج المذاب في شبكة بلورات المذيب بشكل استبدالي ، عن طريق استبدال جسيم مذيب في الشبكة، أو بينيًا ، عن طريق التوافق مع الفراغ بين جسيمات المذيب. يؤثر كلا النوعين من المحاليل الصلبة على خصائص المادة عن طريق تشويه الشبكة البلورية وتعطيل التجانس الفيزيائي والكهربائي لمادة المذيب. ^[8] عندما يكون نصف القطر الذري لذرة المذاب أكبر من ذرة المذيب، فإنه يحل محل البنية البلورية ( الخلية الوحدوية ) التي تتمدد غالبًا لاستيعابها، وهذا يعني أنه يمكن حساب تركيبة المادة في محلول صلب من حجم الخلية الوحدوية وهي علاقة تُعرف بقانون فيجارد . ^[9]

بعض المخاليط ستشكل محاليل صلبة بسهولة على مدى تركيزات مختلفة، بينما لن تشكل مخاليط أخرى محاليل صلبة على الإطلاق. إن ميل أي مادتين لتكوين محلول صلب هو أمر معقد يتضمن الخصائص الكيميائية والبلورية والكمية للمواد المعنية. يمكن أن تتكون المحاليل الصلبة الاستبدالية، وفقًا لقواعد هيوم-روثري ، إذا كان المذاب والمذيب لهما:

• أقطار ذرية متشابهة (فرق 15% أو أقل)
• نفس البنية البلورية
• السالبية الكهربية المتشابهة
• تكافؤ مماثل

يختلط المحلول الصلب مع غيره لتكوين حل جديد

يعرض مخطط الطور في الرسم البياني أعلاه سبيكة من معدنين تشكل محلولًا صلبًا عند جميع التركيزات النسبية للنوعين. في هذه الحالة، يكون الطور النقي لكل عنصر من نفس البنية البلورية، وتسمح الخصائص المتشابهة للعنصرين بالاستبدال غير المتحيز من خلال النطاق الكامل للتركيزات النسبية. قد يتطلب المحلول الصلب للأنظمة شبه الثنائية في الأنظمة المعقدة التي تحتوي على ثلاثة مكونات أو أكثر تمثيلًا أكثر تعقيدًا لمخطط الطور مع رسم أكثر من منحنى محلول يتوافق مع ظروف التوازن الكيميائية المختلفة. ^[10]

تتمتع المحاليل الصلبة بتطبيقات تجارية وصناعية مهمة، حيث تتمتع هذه المخاليط غالبًا بخصائص متفوقة على المواد النقية. العديد من السبائك المعدنية عبارة عن محاليل صلبة. حتى الكميات الصغيرة من المذاب يمكن أن تؤثر على الخصائص الكهربائية والفيزيائية للمذيب.

يوضح الرسم التخطيطي للطور الثنائي في الرسم التخطيطي أعلاه أطوار خليط من مادتين بتركيزات مختلفة، و . المنطقة المسمى " " هي محلول صلب، يعمل كمذاب في مصفوفة من . على الطرف الآخر من مقياس التركيز، المنطقة المسمى " " هي أيضًا محلول صلب، يعمل كمذاب في مصفوفة من . المنطقة الصلبة الكبيرة بين والمحاليل الصلبة، المسمى " + "، ليست محلولًا صلبًا. بدلاً من ذلك، سيكشف فحص البنية الدقيقة لخليط في هذا النطاق عن مرحلتين - المحلول الصلب - في - والمحلول الصلب - في - سيشكلان مرحلتين منفصلتين، ربما صفيحة أو حبيبات . ${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle B}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle B}$${\displaystyle A}$

في مخطط الطور، عند ثلاثة تركيزات مختلفة، ستكون المادة صلبة حتى يتم تسخينها إلى نقطة انصهارها ، ثم (بعد إضافة حرارة الانصهار ) تصبح سائلة عند نفس درجة الحرارة:

• اليسار المتطرف الخالص
• اليمين المتطرف الخالص
• الانخفاض في المركز ( التركيبة الإيتكتيكية ).

وبنسب أخرى، سوف تدخل المادة في مرحلة طرية أو عجينة حتى ترتفع درجة حرارتها حتى تذوب تمامًا.

يُطلق على الخليط عند نقطة الانحدار في الرسم البياني اسم سبيكة إيوتكتيكية . وتُعَد مخاليط الرصاص والقصدير التي يتم صياغتها عند تلك النقطة (خليط 37/63) مفيدة عند لحام المكونات الإلكترونية، وخاصة إذا تم ذلك يدويًا، حيث يتم الدخول إلى الطور الصلب بسرعة مع تبريد اللحام. وعلى النقيض من ذلك، عندما تم استخدام مخاليط الرصاص والقصدير في لحام اللحامات في هياكل السيارات، كانت الحالة المعجونية تمكن من تشكيل شكل باستخدام مجداف أو أداة خشبية، لذلك تم استخدام نسبة رصاص إلى قصدير 70-30. (يتم إزالة الرصاص من مثل هذه التطبيقات بسبب سميته وصعوبة إعادة تدوير الأجهزة والمكونات التي تحتوي على الرصاص).

عندما يصبح المحلول الصلب غير مستقر - بسبب انخفاض درجة الحرارة، على سبيل المثال - يحدث التحلل الخارجي وتنفصل المرحلتان إلى صفائح مجهرية إلى صفائح ضخمة مميزة . يحدث هذا بشكل أساسي بسبب الاختلاف في حجم الكاتيون. من غير المرجح أن تحل الكاتيونات التي لها اختلاف كبير في نصف القطر محل بعضها بسهولة. ^[11]

على سبيل المثال، تحتوي معادن الفلسبار القلوية على أعضاء نهائية من الألبيت، NaAlSi 3 O 8 والميكروكلين ، KAlSi 3 O 8. عند درجات _{الحرارة} العالية _، يحل Na ₊ و _K + ^محل بعضهما ^البعض بسهولة وبالتالي فإن المعادن ستشكل محلولًا صلبًا، ومع ذلك عند درجات الحرارة المنخفضة، لا يمكن للألبيت أن يحل محل سوى كمية صغيرة من K ⁺ وينطبق الشيء نفسه على Na ⁺ في الميكروكلين. يؤدي هذا إلى التحلل حيث ستنفصل إلى مرحلتين منفصلتين. في حالة معادن الفلسبار القلوية، تتناوب طبقات الألبيت البيضاء الرقيقة بين الميكروكلين الوردي عادةً، ^[11] مما يؤدي إلى نسيج بيرثيت .

• تقوية المحلول الصلب

• حزمة التدريس والتعلم DoITPoMS - "حلول صلبة"