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固溶体とは、金属によく用いられる用語で、固体状態で単一の結晶構造を持つ2つの化合物の均一な混合物である。[ 1 ]冶金学、地質学、固体化学には多くの例が見られる。「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用いられ、これらの均一な物質を成分の物理的混合物と区別する。固溶体には主に2つの用語が関連付けられており、原子種の相対的な存在量に応じて溶媒と溶質と呼ばれる。
溶質は、溶媒結晶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収まることによって格子間的に、溶媒結晶格子に組み込まれる可能性がある。 [ 2 ]
固溶体は、その構成イオンの1つ以上が、純粋な同形構造の両極端（端成分または親化合物と呼ばれる）の中間の組成比で存在するものです。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）は同じ立方晶構造を持つため、ナトリウムとカリウムの比率が任意の値（Na 1-x K x ）Clの固溶体を作ることが可能です。例えば、その比率のNaClとKClを水に溶解し、その後蒸発によって水を取り除くことで作ることができます。
この系列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、これは(Na 0.33 K 0.66 )Cl で、純粋な NaCl よりもナトリウムが 66% 少ない。[ 3 ]同様に、ヨウ素添加塩は、 NaCl 溶媒に約 50〜100 ppm のヨウ化カリウム(KI) が溶解したもので構成されることが多い。対照的に、物理的混合物の例としては、鉱物シルビナイトがある。これは、NaCl と KCl の別々の大きな塊を含んでいるため、不均一であり固溶体ではない。
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、標本は固溶体ファミリーのメンバーであり、地質学者は個々の標本よりもファミリー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 ) とファヤライト (Fe 端成分: Fe 2 SiO 4 ) [ 4 ]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。組成が複雑になるにつれて、化学表記よりも地質表記の方がはるかに扱いやすくなる。
IUPACによる固溶体の定義は「成分が適合し、単一の相を形成する固体」である。[ 5 ]
参考文献[ 6 ] [ 7 ]に示されている「ホスト結晶の格子に収まり、その格子内に分布する第2の構成要素を含む結晶」という定義は一般的ではないため、推奨されません。
この表現は、複数の物質を含む固体相を説明する際に使用され、便宜上、溶媒と呼ばれる物質の1つ（または複数）を、溶質と呼ばれる他の物質とは異なるものとして扱う場合に用いられる。
構成要素のうち1つまたは複数が高分子である場合もある。その他の構成要素の一部は可塑剤として作用する。すなわち、分子状に分散した物質として、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。
医薬品製剤においては、固溶体の概念はしばしば薬物とポリマーの混合物の場合に適用される。
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 ]
相図では、固溶体は、組成と温度/圧力範囲をカバーする領域で表され、多くの場合、構造タイプでラベル付けされます。端成分が同形構造でない場合、親物質によって異なる構造を持つ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、この領域の物質はどちらの構造も持つことができます。または、固相状態で混和性ギャップが存在し、この組成の物質を生成しようとすると混合物になることを示しています。相図で固溶体でカバーされていない領域には、線相が存在する可能性があります。線相とは、既知の結晶構造と一定の化学量論比を持つ化合物です。結晶相が2つの（非荷電）有機分子から構成されている場合、線相は一般的に共結晶として知られています。冶金学では、一定の組成を持つ合金は金属間化合物と呼ばれます。固溶体は、関与する2つの元素（一般的には金属）が周期表で近い位置にある場合に存在しやすく、金属間化合物は、関与する2つの金属が周期表で互いに近くにない場合に一般的に発生します。[ 8 ]
溶質は、置換型（格子内の溶媒粒子を置き換える）または間隙型（溶媒粒子間の空間に収まる）で溶媒結晶格子に組み込まれる可能性がある。これらの固溶体の両方の形態は、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によって、材料の特性に影響を与える。 [ 9 ]溶質原子の原子半径が、結晶構造内で置換される溶媒原子の原子半径よりも大きい場合、単位格子は一般的に、より大きな原子を収容するために膨張する。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使用して単位格子の体積から計算できる。[ 10 ]
混合物によっては、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る。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、および量子力学的特性が関係する複雑な問題である。ヒューム・ロザリーの法則に従って、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る可能性がある。
固体溶液は他の固体溶液と混ざり合って新しい溶液を形成することができる。
上記の二元相図は、 2種類の金属の合金を示しており、2種類の金属の相対濃度すべてにおいて固溶体を形成します。この場合、各元素の純粋な相は同じ結晶構造を持ち、2種類の元素の類似した性質により、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種類以上の成分を含む複雑な系における擬似二元系の固溶体では、異なる平衡化学条件に対応する複数の固溶曲線を描いた、より複雑な相図の表現が必要になる場合があります。[ 11 ]
固溶体は、純粋な構成成分よりも優れた特性を示すことが多いため、商業および産業分野で重要な用途があります。多くの金属合金は固溶体です。溶質の量が少量であっても、溶媒の電気的および物理的特性に著しい影響を与える可能性があります。
上記の図の二成分相図は、濃度が異なる2つの物質の混合物の相を示しています。そして. 「「は確かな解決策であり、マトリックス中の溶質として作用する濃度スケールのもう一方の端では、「「も確かな解決策であり、マトリックス中の溶質として作用するその間の大きな固体領域そして固体溶液、ラベル「+「」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、すなわち固溶体が明らかになります。-で-および固溶体-で-別々の相、おそらく薄層または結晶粒を形成するだろう。
相図において、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る。
他の割合では、材料は完全に溶けるまで温まるまで、どろどろとしたペースト状の状態になります。
図のくぼみ部分にある混合物は共晶合金と呼ばれます。この点で調合された鉛-錫混合物（37/63混合物）は、特に手作業で行う電子部品のはんだ付けに有用です。これは、はんだが冷えるにつれて固相が速やかに形成されるためです。一方、自動車のボディの継ぎ目をはんだ付けする際には、ペースト状の混合物を使用することで木製のパドルや工具で形状を成形できるため、鉛と錫の比率は70対30が用いられました。（鉛は毒性があり、鉛を含む機器や部品のリサイクルが困難であるため、こうした用途からは排除されつつあります。）
固溶体が不安定になると（例えば低温のため）、溶離が起こり、2つの相が分離して、ミクロからマクロスケールの明確なラメラになる。これは主に陽イオンのサイズの違いによって引き起こされる。半径の差が大きい陽イオンは容易に置換されない。[ 12 ]
例えばアルカリ長石鉱物には、アルバイト（NaAlSi 3 O 8）と微斜長石（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し合うため、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、微斜長石のNa +についても同様です。これにより、離溶が起こり、2つの異なる相に分離します。アルカリ長石鉱物の場合、薄い白色のアルバイト層が典型的なピンク色の微斜長石と交互に現れ、[ 12 ]パーサイト組織を形成します。
