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液體金屬溶液

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液體金屬溶液 :   兩種或兩種以上金屬混合成的單相均勻液體,其組成是可以連續變化的,也稱液態合金。其中含量較少的一種成分不一定是金屬。

1 液體金屬溶液 -液體金屬溶液

 

2 液體金屬溶液 -正文

  兩種或兩種以上金屬混合成的單相均勻液體,其組成是可以連續變化的,也稱液態合金。其中含量較少的一種成分不一定是金屬。例如,鋼液就是在大量鐵中含有少量碳。溶液的組成可以連續變化,是溶液區別於化合物的重要標誌。表示組成變化的數值是濃度,它是個重要參數,往往決定溶液的性能。
  液體金屬溶液本身用處很少,只有當它凝結成為固態合金時,才成為重要材料。例如,鍊鋼時若把鐵水中的碳幾乎全部脫去,再加入約18%鉻、8%鎳、2%錳及其他微量元素,就成為重要的不鏽鋼。由此可見,大量金屬製品的生產是從液體金屬溶液開始的。
  幾千年前人類已經掌握了製造青銅(銅錫合金)和黃銅(銅鋅合金)的技術,但高純度銅的提取技術直到20世紀才解決。由此可見,液體金屬溶液的生產和應用要比純金屬早得多。
  對液體金屬溶液的研究還很不充分。這是因為研究液體金屬溶液需要高溫條件,物體又處於流動狀態,不易觀察。因此,液體金屬溶液的研究遠不及固體合金深入,有關液體金屬溶液的不少理論尚處於假設階段。
  性質  蒸氣壓  以含 40%鋅和 60%銅的銅鋅合金(黃銅)為例,鋅易於揮發,純鋅的沸點為 1179K;在 1179K時,黃銅溶液中的鋅也揮發。如果銅鋅合金溶液是理想溶液,則鋅的蒸氣壓應該與黃銅中鋅的濃度成正比,此時鋅的蒸氣壓本來應該按鋅在黃銅中的原子百分比等比例地降到 39863.4帕。實驗測定,鋅的蒸氣壓只有26664.5帕,所以應該用活度(a)代替濃度:

液體金屬溶液

  濃差電池電動勢  利用液體金屬溶液與純金屬液體間的濃度差別可以製備濃差電池。如以液態純鉛為陰極(氧化極),以液體金屬溶液鉛鉍合金為陽極(還原極),中間隔以熔鹽氯化鉛-氯化鋰-氯化鉀作為電解質溶液,則得到以下的電池:

Pb(液)|PbCl2-KCl-LiCl|Pb-Bi(合金溶液)

如果在700K時,鉛與鉛鉍合金都是液態,將鉑絲插入金屬或合金電極中,可以測得此電池的電動勢E,並由此確定液態金屬溶液的重要熱力學性質。
  體積  液體金屬溶液的體積包含兩種不同性質的問題:①由固體熔化成為液體時,一般都伴隨著熔化過程發生體積膨脹現象,但是體積膨脹只有原體積的 2%~3%,最高也不超過6%。這是固體和液體的體積差別問題。②二元體系合金的體積本來應該等於兩個成分單獨體積的和,但是事實上兩種成分組成溶液時,原子在液態合金中的分佈與原來的液態金屬原子分佈情況不同,導致體積發生變化。當兩種金屬完全互溶,沒有形成化合物和互相排斥的傾向時,原子在液體合金中的分佈是隨機的。例如,鈦鋁液態合金中異種原子間距離sAl-Ti接近於同種原子距離sTi-TisAl-Al的平均值,這種合金體積變化不大。當兩種金屬原子之間有形成化合物傾向時,原子分佈不再是隨機的,而是反映出相互接近的趨勢,表現在體積上,就是液體合金的體積小於兩種液體金屬體積的和。
  粘度  液體金屬的粘度反映金屬原子層與層之間的距離和作用力。當原子層間距離小和作用力大時,則液體粘度大;反之,當金屬原子層與層之間疏鬆時,則粘度小。若在液體合金中加入了高熔點金屬成分,則粘度總是增大;若兩種金屬在一定組成下形成共晶,則粘度突然下降,這可以看作是兩種原子間斥力增大,有利於質點遷移運動。若兩種金屬原子有形成化合物的趨勢時,則原子間吸引力增加,不利於質點遷移,粘度上升。
  表面張力  純金屬液體在一定溫度下具有一定的表面張力。若溶入另一種金屬原子溶質而使原來液體表面張力下降時,則溶質原子在表面層的濃度就大於其液相中的濃度。這種溶質稱為表面活性物質。
  結構學說  迄今為止,液體金屬溶液的結構還沒有固定的模型,每種學說都能解釋幾項溶液性質和現象。
  空位說  認為液體合金應該按照固態合金的結構,每個原子本來都應排列在晶體點陣的一定平衡位置上。但即使是結晶狀態,在點陣的平衡位置也有缺空的現象,即存在空位。當溫度升高時,空位增多,空位數量增加到一定程度時,晶體點陣不再維持原狀,原子脫離了平衡位置,這就是熔化的開始。熔化過程中雖然溫度不升高,但仍需要熔化熱。空位說認為這是為提供增加空位所需的能量。這種學說初步解釋了固體與液體的區別和熔化過程。
  空穴說  認為液體金屬溶液內部存在空穴(或稱孔穴)。空穴說與空位說不同,認為液體內部排列沒有秩序,無所謂平衡位置。因而也就不存在空位的概念。空穴是金屬原子與原子之間的裂口,空穴大小相仿,但形狀和位置可任意改變。當液體內部的氣泡恰好與空穴結合在一起時,液體原子可能隨氣泡上浮,逸出液面而蒸發。
  空穴說認為由固體熔化成液體時,體積增加最大不超過6%,但是體積的增加並不平均分配於增大原子與原子的距離。液體內部近鄰原子間距離與固體比較,差別並不大,有時甚至不變。故空穴說認為所增加的體積是由於液體金屬溶液內部出現空穴,或增多了空穴。應用這種理論計算液體金屬溶液中某些金屬原子的擴散是成功的。
  自由體積說  X射線與中子衍射實驗都證明了,液體金屬內部質點的排列雖然比不上固態那麼整齊有序,但至少在近程內是有序的。每個原子都處在它的近鄰原子所組成的配位圈內。這個配位圈猶如一隻籠子,被稱為一個胞腔,原子在此胞腔之內自由運動。兩相鄰原子之間平均距離是a,原子直徑為d時,中心原子的自由運動距離為r

ra-d

假定自由運動的液體體積為球狀,則其體積為:

液體金屬溶液

應用這種理論計算出來的液體構型能在數值上與某些金屬或液體金屬溶液接近。
  隧道說  把原子看作一系列空心小圓球,用一根線串聯起來,球可以沿線滑動,每個小球佔據一個位置,小球本身是剛體,兩球之間距離不得小於其直徑,這是一維剛性球體模型。液體不可能是一維的,如果一串小球是沿x方向排列的,則將一串串小球在y方向緊密疊加起來,使這些小球串的端點形成二維密堆積結構(見圖)。液體金屬溶液如果在每個小球周圍看作有六個小球包圍,不如說有六串小球串包圍,當中心小球在垂直紙面的線上滑動時,則旁邊的六個小球串形成隧道的壁。因此,球的滑動是在隧道內滑動,即中心原子在一個六角形對稱的隧道內滑動。小球有兩種運動方式:一種是沿球軸線方向滑動;另一種是垂直於軸線的微小振動。用這種理論算出的液體金屬溶液的某些熱力學函數值接近於實驗值。

 

3 液體金屬溶液 -配圖

 

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