固溶体
固体の化学溶液

固溶体は、金属に一般的に用いられる用語で、固体状態にあり、単一の結晶構造を有する2つの化合物の均質な混合物です。[1]冶金学、地質学、固体化学において多くの例が見られます。「溶液」という言葉は、原子レベルでの成分の密接な混合を表すために使用され、これらの均質な物質を成分の物理的混合物と区別します。固溶体には、原子種の相対的な存在量に応じて、溶媒と溶質という2つの用語が主に関連付けられています。

溶質は溶媒結晶格子に 置換的に（格子内の溶媒粒子を置き換えることによって）組み込まれるか、または格子間的に（溶媒粒子間の空間に適合することによって）組み込まれる。[2]

固溶体は、端成分または親成分として知られる純粋で等構造の両極端の間の、1つまたは複数の構成イオンの分数組成から構成されます。例えば、親化合物である塩化ナトリウム（NaCl）と塩化カリウム（KCl）は同じ立方晶系構造を持つため、任意の比率のナトリウムとカリウム（Na 1-x K x ）Clの固溶体を作ることができます。例えば、NaClとKClを任意の比率で水に溶解し、その後蒸発によって水を除去することで固溶体を作ることができます。

この族の固溶体の例としては、Lo Saltというブランド名で販売されているものがあります。これは(Na 0.33 K 0.66 )Clであるため、純粋なNaClよりも66%少ないナトリウム含有量となります。[3]同様に、ヨウ素化塩は、多くの場合、NaCl溶媒に溶解した約50～100 ppmのヨウ化カリウム（KI）で構成されています。 [引用が必要]対照的に、物理的混合物の例としては鉱物のシルビナイトがあります。これにはNaClとKClの別々の大きな塊が含まれているため、不均質であり固溶体ではありません。

鉱物は天然素材であるため、組成に大きなばらつきが生じやすい。多くの場合、標本は固溶体族の一員であり、地質学者は個々の標本よりも族の組成について議論する方が有益だと考えている。オリビンは化学式 (Mg, Fe) 2 SiO 4で表され、これは (Mg 1−x Fe x ) 2 SiO 4と等価である。マグネシウムと鉄の比率は、固溶体系列の2つの端成分、フォルステライト（Mg端成分：Mg 2 SiO 4）とファイアライト（Fe端成分：Fe 2 SiO 4）の間で異なるが、オリビンの比率は通常は定義されていない。組成が複雑になるにつれて、地質学表記法は化学表記法よりも扱いやすくなる。

命名法

IUPACの定義によれば、固溶体は「成分が適合し、独特の相を形成する固体」である。[5]

文献[6] [7]で示されている「ホスト結晶の格子に適合し、その格子内に分布する第2の成分を含む結晶」という定義は一般的なものではなく、したがって推奨されません。

この表現は、便宜上、溶媒と呼ばれる 1 つ以上の物質が溶質と呼ばれる他の物質とは異なる方法で扱われる場合に、複数の物質を含む固相を説明するために使用されます。

成分のうち1つまたは複数は高分子であり得る。他の成分の一部は可塑剤、すなわち分子分散物質として作用し、ポリマーの非晶質相がガラス状態とゴム状態の間で変化するガラス転移温度を低下させる。

医薬品の調製において、固溶体の概念は、薬物とポリマーの混合物の場合によく適用されます。

ポリマーの溶媒（可塑剤）として作用する薬物分子の数は少ない。[5]

相図

相対濃度の全範囲にわたる固溶体を表示する二元状態図

状態図では、固溶体は領域で表され、多くの場合、構造タイプでラベル付けされ、組成と温度/圧力の範囲をカバーします。端メンバーが等構造でない場合、親によって決定された異なる構造を持つ 2 つの固溶体範囲が存在する可能性があります。この場合、範囲が重なり、この領域の材料はどちらの構造も持つことができます。または、固体状態で混和性のギャップがあり、この組成の材料を生成しようとすると混合物になる可能性があることを示しています。状態図で固溶体で覆われていない領域には、線相が存在する場合があります。線相は、既知の結晶構造と設定された化学量論を持つ化合物です。結晶相が 2 つの (非荷電) 有機分子で構成されている場合、線相は一般に共結晶と呼ばれます。冶金学では、設定された組成を持つ合金は金属間化合物と呼ばれます。固溶体は、関係する2つの元素（一般的には金属）が周期表上で互いに近い位置にあるときに存在する可能性が高く、金属間化合物は、関係する2つの金属が周期表上で互いに近くない場合に一般的に生成されます。[8]

詳細

溶質は、溶媒結晶格子 に、格子内の溶媒粒子を置換する置換型（置換的）または溶媒粒子間の空間に入り込む格子間型（格子間）で組み込まれる。これらの両方のタイプの固溶体は、結晶格子を歪ませ、溶媒材料の物理的および電気的均一性を破壊することで、材料の特性に影響を与える。[9]溶質原子の原子半径が、結晶構造において置換する溶媒原子の原子半径よりも大きい場合、一般に、単位格子はより大きな原子を収容するために拡大する。この場合、固溶体の組成は、ベガードの法則として知られる関係を用いて単位格子の体積から計算することができる。[10]

混合物の中には、ある濃度範囲で容易に固溶体を形成するものもあれば、全く固溶体を形成しないものもあります。2つの物質が固溶体を形成する傾向は、対象となる物質の化学的、結晶学的、そして量子的な性質が絡み合った複雑な問題です。ヒューム・ロザリー則によれば、置換型固溶体は、溶質と溶媒が以下の条件を満たす場合に形成されます。

固溶体は他の物質と混合して新たな溶液を形成できます。

上に示した二元系状態図は、 2種の金属の合金を示しており、これらの合金は2種の相対濃度のいずれにおいても固溶体を形成します。この場合、各元素の純相は同一の結晶構造を有し、2種の元素の類似した性質により、相対濃度の全範囲において偏りのない置換が可能です。3成分以上の複雑な系における擬二元系の固溶体については、異なる平衡化学条件に対応する複数のソルバス曲線を描くなど、より複雑な状態図の表現が必要となる場合があります。[11]

固溶体は、純粋な成分よりも優れた特性を示すことが多いため、商業的および工業的に重要な用途を有しています。多くの金属合金は固溶体です。微量の溶質であっても、溶媒の電気的および物理的特性に顕著な影響を与える可能性があります。

2つの固溶体を示す二元状態図：および α {\displaystyle \alpha} β {\displaystyle \beta}

上の図の二元状態図は、濃度が変化する と の 2 つの物質の混合物の相を示しています。「 」の領域は固溶体であり、 はマトリックスの溶質として作用します。濃度スケールの反対側の端にある「」の領域も固溶体であり、 はマトリックスの溶質として作用します。と固溶体の間にある「+ 」の付いた大きな固体領域は固溶体ではありません。代わりに、この範囲の混合物の微細構造を調べると、2 つの相、つまり -in- の固溶体と-in- の固溶体が別々の相、おそらくラメラまたは粒子を形成することがわかります。 あ {\displaystyle A} B {\displaystyle B} α {\displaystyle \alpha} B {\displaystyle B} あ {\displaystyle A} β {\displaystyle \beta} あ {\displaystyle A} B {\displaystyle B} α {\displaystyle \alpha} β {\displaystyle \beta} α {\displaystyle \alpha} β {\displaystyle \beta} あ {\displaystyle A} B {\displaystyle B} B {\displaystyle B} あ {\displaystyle A}

応用

状態図では、3 つの異なる濃度において、物質は融点まで加熱されるまで固体であり、その後 (融解熱を加えた後) 同じ温度で液体になります。

  • 純粋な極左
  • 純粋な極右
  • 中央のくぼみ（共晶組成）。

他の割合では、材料は完全に溶けるまで温まるまで、どろどろまたはペースト状の状態になります。

図の凹み点にある混合物は共晶合金と呼ばれます。この点で配合された鉛とスズの混合物（37/63混合物）は、電子部品のはんだ付けに有用であり、特に手作業で行う場合は、はんだが冷えるとすぐに固相になるため便利です。一方、自動車のボディの継ぎ目をはんだ付けする際には、鉛とスズの混合物がペースト状になるため、木製のパドルや工具で形状を成形できるため、70:30の鉛とスズの比率が使用されました。（鉛は毒性が高く、鉛を含む機器や部品のリサイクルが困難であるため、このような用途では使用が削減されています。）

解離

カナダ、ケベック州産の輝石標本における斜方輝石と単斜輝石の離溶ラメラ（交互の帯）

固溶体が不安定になると（例えば低温などにより）、離溶が起こり、2つの相はそれぞれ異なる微視的から巨大サイズのラメラに分離します。これは主に陽イオンの大きさの違いによって引き起こされます。半径が大きく異なる陽イオンは容易に置換されにくいと考えられます。[12]

例えば、アルカリ長石 鉱物は、アルバイト（NaAlSi 3 O 8）とマイクロクライン（KAlSi 3 O 8）の端成分を持ちます。高温ではNa +とK +は容易に置換するため、これらの鉱物は固溶体を形成しますが、低温ではアルバイトは少量のK +しか置換できず、マイクロクラインのNa +も同様です。これにより、2つの別々の相に分離する離溶が起こります。アルカリ長石鉱物の場合、薄い白いアルバイト層と典型的にはピンク色のマイクロクラインが交互に現れ、[12]パーサイト組織を形成します。

参照

注記

  1. ^ アバシアン、レザ；リードヒル、ロバート・E.（2008年）『物理冶金学の原理』Cengage Learning. ISBN 978-0-495-08254-5。[ページが必要]
  2. ^ Callister Jr., William D. (2006). 『材料科学と工学入門（第7版）』John Wiley & Sons. ISBN 0-471-35446-5。[ページが必要]
  3. ^ 「塩の代替品に切り替えると、脳卒中、心臓発作、死亡が減るでしょうか？」2023年12月。
  4. ^ ボネウィッツ、ロナルド・L. (2008). 『岩石と鉱物：決定版ビジュアルガイド』ペンギンランダムハウス. p. 91. ISBN 978-1-4053-2831-9。
  5. ^ ab Vert, Michel; Doi, Yoshiharu; Hellwich, Karl-Heinz; Hess, Michael; Hodge, Philip; Kubisa, Przemyslaw; Rinaudo, Marguerite; Schué, François (2012年1月11日). 「生体関連ポリマーとその応用に関する用語（IUPAC勧告2012）」. Pure and Applied Chemistry . 84 (2): 377– 410. doi :10.1351/PAC-REC-10-12-04.
  6. ^ アラン・D・マクノート、アンドリュー・R・ウィルキンソン編 (1997). 『化学用語集：IUPAC勧告（第2版）』ブラックウェル・サイエンス. ISBN 0865426848。[ページが必要]
  7. ^ 分析命名法大要（「オレンジブック」）オックスフォード：ブラックウェルサイエンス、1998年、ISBN 0865426155。[ページが必要]
  8. ^ コットレル、アラン・ハワード(1967).冶金学入門. 材料研究所. ISBN 0-8448-0767-2。[ページが必要]
  9. ^ Callister Jr., William D. (2006). 『材料科学と工学入門（第7版）』John Wiley & Sons. ISBN 0-471-35446-5。[ページが必要]
  10. ^ Axon, HJ; Hume-Rothery, William (1948年4月22日). 「アルミニウム中の異なる元素の固溶体の格子間隔」. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences . 193 (1032): 1– 24. Bibcode :1948RSPSA.193....1A. doi :10.1098/rspa.1948.0030.
  11. ^ Anand, Shashwat; Wolverton, Chris; Snyder, G. Jeffrey (2022年2月22日). 「最大溶解度のための熱力学的ガイドライン」. Chemistry of Materials . 34 (4): 1638– 1648. doi :10.1021/acs.chemmater.1c03715.
  12. ^ ab ネッセ, ウィリアム・D. (2000).鉱物学入門. ニューヨーク: オックスフォード大学出版局. p91–92. ISBN 978-0-19-510691-6

参考文献

  • Chen, Jing; Xu, Zhi-Qin (2006年1月4日). 「中国中部、蘇魯超高圧帯、胡家嶺ガーネット輝岩の単斜輝石におけるパーガサイトとイルメナイトの離溶組織：地球力学的示唆」. European Journal of Mineralogy . 17 (6): 895– 903. doi :10.1127/0935-1221/2005/0017-0895.
  • Petersen, U.「鉱石顕微鏡入門 II：鉱物の共生」（PDF）。2006年4月11日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。[自費出版ソース? ]
  • DoITPoMS 教育学習パッケージ - 「Solid Solutions」
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