鋼鐵和寶石 居然都是“溶液”？！

來源：科學(xué)大院 發(fā)布時間：2019-06-21瀏覽：2671次

鋼鐵和寶石 居然都是“溶液”？！

　　提到溶液，你的大腦里浮現(xiàn)的是什么？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”。

　　固溶體是怎么形成的？

　　只要兩種固體間達(dá)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(zhì)溶解在另一種固體溶液當(dāng)中。那這個過程是如何實現(xiàn)的呢？

　　首先，像金屬、金屬氧化物、陶瓷這類物質(zhì)都是以晶體形式存在的，所謂晶體就是構(gòu)成它們的原子或分子，以一種有規(guī)律的、整齊的方式堆砌在一起所形成的物質(zhì)。

　　當(dāng)所有參與堆砌的組分只是一種單質(zhì)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(zhì)參與進來，占據(jù)了原有原子所在位置，并且不破壞原有的結(jié)構(gòu)，那這就是固溶體。原來的組分就相當(dāng)于溶劑，外來的組分就相當(dāng)于溶質(zhì)。

　　和溶液一樣，固溶體中溶質(zhì)在溶劑中的溶解也是存在溶解度的。當(dāng)一個較大的原子取代原有的原子，由于空間有限，它會擠壓周圍的原子；當(dāng)一個較小的 原子取代原有的原子，周圍的原子就會朝里面壓縮。無論是擠壓還是壓縮，都會產(chǎn)生一個應(yīng)力場，造成晶格結(jié)構(gòu)偏離原有的狀態(tài)，這時我們就說晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變 了。

　　外來原子占據(jù)的位置越多，晶體畸變越嚴(yán)重，當(dāng)溶質(zhì)原子達(dá)到一定數(shù)量時，它就無法再穩(wěn)定地存在于晶體結(jié)構(gòu)中，最終以另一種狀態(tài)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，沉淀在水底。

　　影響固溶體溶解度的因素很多，包括元素價態(tài)、原子尺寸、晶體結(jié)構(gòu)等物理化學(xué)因素，兩者的性質(zhì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)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后，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占據(jù)空間。

　　可以看出，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，那么它就有機會擠進這個狹小的空間，并在間隙中穩(wěn)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(jīng)常稱鋼鐵為鐵碳合金。

　　從圖片中不難看出，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(dāng)含碳量小于0.021%時，我們就說它符合工業(yè)純鐵的標(biāo)準(zhǔn) 了。而含碳量大于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，總有那么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(dāng)金屬承受外力時，位錯會移動，使得金屬拉伸、變長，最終斷裂。形成固溶體之后，雜質(zhì)原子會阻礙位錯的移動，從而減少金屬發(fā)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(yè)上常使用鋼而不使用純鐵的原因。

　　固溶體也是奢侈品！

　　鉆石、紅寶石、藍(lán)寶石、祖母綠、金綠貓眼被認(rèn)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(lán)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(xiàn)紅色，這就是紅寶石；若溶解了微量的鐵 元素、鈦元素而呈現(xiàn)藍(lán)色或者其他顏色，這就是藍(lán)寶石。這就如同無色的純凈水，加入銅離子顯現(xiàn)藍(lán)色，加入亞鐵離子顯現(xiàn)淡黃色一樣。

　　無處不在 無所不能 

　　有一種鈷酸鋰的物質(zhì)，它的分子式是LiCoO2，當(dāng)分子中每脫去一個鋰離子的時候，就會有相應(yīng)的一個鈷Co從三價氧化成四價，這時可以認(rèn)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(dǎo)線把釋放的電子與另一種材料連接，就可以構(gòu)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，溶解了食鹽以后可以擁有良好的導(dǎo)電性能。同樣的，固溶體也能擁有和純凈晶體不一樣的電學(xué)性能。在半導(dǎo)體工業(yè)中，最常用的是 硅元素，這種半導(dǎo)體的電阻比較大，往往需要加入不同價態(tài)的元素形成固溶體。硅的最外層有四個電子，會與周圍的硅共享電子形成共價鍵。當(dāng)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(fā)變成自由電子，這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體；當(dāng)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(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體相互接觸，就形成了P-N結(jié)，它是光伏發(fā)電、發(fā)光二極管、三極管的物理基 礎(chǔ)。

　　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(yīng)的陶瓷。所謂壓電效應(yīng)，就是給材料施加一個外力，它會在表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，用力壓一壓，就會有電產(chǎn)生，是不是很神奇呢。

　　之所以有這種現(xiàn)象，主要是和晶體內(nèi)部的電偶極子的取向有關(guān)。由于晶體在沒有外力時，電偶極子排列呈無序狀態(tài)，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！如果下次有小伙伴問起你，打火機的原理、為什么寶石有各種不同的顏色、太陽能發(fā)電是因為什么？就把這篇推送發(fā)給他吧！