提到溶液,你的大腦裡浮現的是什麼?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」。
只要兩種固體間達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。那這個過程是如何實現的呢?
首先,像金屬、金屬氧化物、陶瓷這類物質都是以晶體形式存在的,所謂晶體就是構成它們的原子或分子,以一種有規律的、整齊的方式堆砌在一起所形成的物質。
晶體的微觀結構
當所有參與堆砌的組分只是一種單質或者是一種化合物的時候,該晶體就是純淨物。如果這時候有另外一種物質參與進來,佔據了原有原子所在位置,並且不破壞原有的結構,那這就是固溶體。原來的組分就相當於溶劑,外來的組分就相當於溶質。
固溶體
和溶液一樣,固溶體中溶質在溶劑中的溶解也是存在溶解度的。當一個較大的原子取代原有的原子,由於空間有限,它會擠壓周圍的原子;當一個較小的原子取代原有的原子,周圍的原子就會朝裡面壓縮。
外來原子佔據的位置越多,晶體畸變越嚴重,當溶質原子達到一定數量時,它就無法再穩定地存在於晶體結構中,最終以另一種狀態析出,形成第二相。
晶體結構變形
影響固溶體溶解度的因素很多,包括元素價態、原子尺寸、晶體結構等物理化學因素,兩者的性質越是接近,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;如果兩者性質相差太大,就無法形成固溶體,就如同水和油互不相溶。
鑽石、紅寶石、藍寶石、祖母綠、金綠貓眼被認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。
紅寶石和藍寶石都是氧化鋁Al2O3的晶體,但是純淨的氧化鋁是無色的,若溶解了微量鉻元素,它就會顯現紅色,這就是紅寶石;若溶解了微量的鐵元素、鈦元素而呈現藍色或者其他顏色,這就是藍寶石。這就如同無色的純淨水,加入銅離子顯現藍色,加入亞鐵離子顯現淡綠色一樣。
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