固溶体

固溶体は金属によく使われる用語で、固体の状態で単一の結晶構造を持つ2つの化合物の均質な混合物です。^{[1]多くの例は、}冶金学、地質学、固体化学で見つけることができます。「溶液」という言葉は、原子レベルでの成分の密接な混合を説明するために使用され、これらの均質な物質を成分の物理的な混合物と区別します。原子種の相対的な豊富さに応じて、溶媒と溶質という2つの用語が主に固溶体に関連付けられています。

一般に、2 つの化合物が同構造である場合、両端の要素 (親とも呼ばれる) の間に固溶体が存在します。たとえば、塩化ナトリウムと塩化カリウムは同じ立方結晶構造を持っているため、NaCl と KCl を任意の比率で水に溶かし、溶液を蒸発させることで、任意の比率のナトリウムとカリウム (Na _1-x K _x )Cl の純粋な化合物を作ることができます。このファミリーのメンバーは、Lo Saltというブランド名で販売されています。これは (Na _0.33 K _{0.66 )Cl であるため、通常の食卓塩 (NaCl) よりも 66% 少ないナトリウムが含まれています。純粋な鉱物は}岩塩とシルバイトと呼ばれ、この 2 つの物理的混合物はシルビナイトと呼ばれます。

鉱物は天然物質であるため、組成に大きなばらつきが生じやすい。多くの場合、標本は固溶体族のメンバーであり、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であると考えている。オリビンは式 (Mg, Fe) ₂ SiO ₄で表され、これは (Mg _1−x Fe _x ) ₂ SiO ₄と同等である。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 ) ^[2]の間で変化するが、オリビンの比率は通常定義されていない。組成がますます複雑になるにつれて、地質学的表記法は化学表記法よりも大幅に扱いやすくなる。

IUPACの定義では固溶体は「成分が適合し、独特の相を形成する固体」である。^[3]

^{文献[4] [5]}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。

1 つまたは複数の成分は高分子である場合があります。他の成分の一部は可塑剤、つまり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下げる分子分散物質として機能します。

医薬品の調製においては、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。^[6]

状態図では、固溶体は領域によって表され、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は、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。これらは、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（通常は金属）が周期表上で互いに近い位置にある場合に存在し、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。^[7]

溶質は、溶媒結晶格子 に、格子内の溶媒粒子を置換することによって置換的に、または溶媒粒子間の空間に適合することによって侵入的に組み入れられる。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質性を乱すことによって、材料の特性に影響を与える。^[8]溶質原子の原子半径が、それが置き換える溶媒原子よりも大きい場合、結晶構造（単位格子）はそれを収容するために拡大することが多く、これは、固溶体中の材料の組成が単位格子の体積から計算できることを意味し、この関係はベガードの法則として知られている。^[9]

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、固溶体をまったく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、問題の物質の化学的、結晶学的、および量子的特性を含む複雑な問題です。ヒューム・ロザリーの法則によれば、置換固溶体は、溶質と溶媒が次の条件を満たす場合に形成されます。

• 原子半径が類似（差15%以下）
• 同じ結晶構造
• 同様の電気陰性度
• 類似の価数

固体溶液が他の溶液と混ざり合って新しい溶液を形成する

上図の状態図は、2つの金属の合金を示しており、2つの種の相対濃度のすべてにおいて固溶体を形成します。この場合、各元素の純粋相は同じ結晶構造を持ち、2つの元素の類似した特性により、相対濃度の全範囲にわたって偏りのない置換が可能になります。3つ以上の成分を含む複雑なシステムにおける擬似2元系の固溶体には、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画した、より複雑な状態図の表現が必要になる場合があります。^[10]

固溶体は、混合物が純粋な材料よりも優れた特性を持つことが多いため、商業的および工業的に重要な用途があります。多くの金属合金は固溶体です。少量の溶質でも、溶媒の電気的および物理的特性に影響を与える可能性があります。

上の図の二成分系状態図は、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。「 」と表示された領域は固溶体であり、 はマトリックス の溶質として機能します。濃度スケールの反対側にある「」と表示された領域も固溶体であり、はマトリックス の溶質として機能します。固溶体と の間にある「 + 」と表示され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 つの相が明らかになります。つまり、 -in- の固溶体と-in-の固溶体は、おそらくラメラまたは粒子などの別の相を形成します。 ${\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}$

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。

図のディップポイントの混合物は共晶合金と呼ばれます。そのポイントで配合された鉛スズ混合物 (37/63 混合物) は、電子部品のはんだ付けに便利です。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。対照的に、鉛スズ混合物を使用して自動車のボディの継ぎ目をはんだ付けする場合、ペースト状になると木製のパドルまたはツールで形を形成できるため、70 対 30 の鉛とスズの比率が使用されました。(鉛は毒性があり、鉛を含むデバイスやコンポーネントのリサイクルが困難であるため、このような用途では鉛が排除されつつあります。)

固溶体が不安定になると（例えば低温により）、分離が起こり、2つの相が顕微鏡的から巨大なラメラ状に分離します。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。半径の差が大きい陽イオンは容易に置換されにくいです。^[11]

例えば、アルカリ長石 鉱物には、アルバイト（NaAlSi ₃ O _8）とマイクロクライン（KAlSi ₃ O _8）という端成分があります。高温ではNa ⁺とK ^+は容易に互いに置換するため、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 +}についても同様です。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が典型的にはピンク色のマイクロクラインと交互になり、^[11]パーサイト組織 になります。

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