Номер 3, страница 130 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 27. Сплавы. Глава 2. Общие свойства металлов - номер 3, страница 130.

Условие.

3. Какие типы твёрдых растворов вам известны? В каких случаях они образуются?

Решение.

Решение 2.

Твёрдый раствор — это твёрдая фаза, состоящая из двух или более компонентов, которые образуют единую кристаллическую решётку. Атомы одного компонента (растворённого вещества) располагаются в кристаллической решётке другого (растворителя). В зависимости от способа размещения атомов растворённого вещества, различают несколько основных типов твёрдых растворов.

Твёрдые растворы замещения

В этом типе твёрдых растворов атомы растворённого элемента (примеси) замещают атомы основного элемента (растворителя) в узлах его кристаллической решётки. Атомы компонентов могут быть распределены в решётке либо беспорядочно (статистически), либо упорядоченно.

Случаи образования:

Образование твёрдых растворов замещения, особенно с неограниченной растворимостью, возможно при соблюдении ряда условий, известных как правила Юм-Розери:

• Размерный фактор: Атомные радиусы растворителя ($r_{растворителя}$) и растворяемого элемента ($r_{растворённого~вещества}$) должны быть близки. Разница в размерах не должна превышать 15%: $ \frac{|r_{растворителя} - r_{растворённого~вещества}|}{r_{растворителя}} \times 100\% \le 15\% $. Если различие больше, растворимость будет ограниченной.
• Фактор кристаллической структуры: Растворитель и растворяемое вещество должны иметь одинаковый тип кристаллической решётки (например, оба ГЦК или ОЦК). Это является обязательным условием для образования непрерывного ряда твёрдых растворов.
• Фактор электроотрицательности: Компоненты должны иметь близкие значения электроотрицательности. Если разница велика, то вместо твёрдого раствора будет образовываться химическое соединение (интерметаллид) из-за сильного химического взаимодействия.
• Фактор валентности: Металлы с более низкой валентностью охотнее растворяют металлы с более высокой валентностью, чем наоборот.

Примером может служить система медь-никель (Cu-Ni), где компоненты имеют неограниченную взаимную растворимость.

Ответ: Твёрдые растворы замещения образуются, когда атомы растворённого вещества замещают атомы растворителя в его кристаллической решётке. Это происходит при условии близости атомных размеров, одинаковой кристаллической структуры, схожей валентности и электроотрицательности компонентов.

Твёрдые растворы внедрения

В твёрдых растворах внедрения атомы растворённого элемента, имеющие малый размер, располагаются в междоузлиях (пустотах между атомами) кристаллической решётки растворителя.

Случаи образования:

• Размерный фактор: Атомы растворённого элемента должны быть значительно меньше атомов растворителя. Эмпирическое правило гласит, что отношение радиуса атома внедрения ($r_{внедрения}$) к радиусу атома растворителя ($r_{растворителя}$) должно быть меньше 0,59: $ \frac{r_{внедрения}}{r_{растворителя}} < 0,59 $.
• Тип элементов: Из-за этого жёсткого требования к размеру, твёрдые растворы внедрения образуют, как правило, неметаллы с малыми атомными радиусами — водород (H), бор (B), углерод (C), азот (N) — с переходными металлами (например, железо, титан, вольфрам).

Растворимость в твёрдых растворах внедрения всегда ограничена, так как внедрённые атомы вызывают сильные локальные искажения решётки растворителя. Классическим примером является раствор углерода в γ-железе (аустенит).

Ответ: Твёрдые растворы внедрения образуются, когда очень маленькие атомы (например, C, N, H) внедряются в междоузлия кристаллической решётки растворителя-металла. Основное условие — малый размер атомов растворённого элемента по сравнению с атомами растворителя.

Твёрдые растворы вычитания

Этот тип твёрдого раствора характерен для соединений с нестехиометрическим составом (бертоллидов). Он образуется, когда в кристаллической решётке исходного соединения имеются вакантные (пустые) узлы. Состав фазы меняется за счёт изменения числа атомов одного из компонентов при сохранении общего числа узлов в решётке, то есть образуются вакансии.

Случаи образования:

• Образуются в соединениях с ионной или ионно-ковалентной связью, которые могут существовать в некотором интервале составов (например, оксиды, сульфиды переходных металлов).
• Для сохранения общей электронейтральности кристалла требуется наличие в структуре атомов с переменной валентностью. Например, в оксиде железа FeO, состав которого часто записывают как $Fe_{1-x}O$, часть ионов $Fe^{2+}$ замещается ионами $Fe^{3+}$, а для компенсации заряда в решётке образуются вакансии на местах ионов железа.

Ответ: Твёрдые растворы вычитания образуются в нестехиометрических соединениях, когда в кристаллической решётке появляются вакансии (пустые узлы), что позволяет изменять состав без изменения типа структуры, часто при наличии ионов с переменной валентностью.