고용체

고용체(固溶體, solid solution)는 고체 상태에 있는 두 화합물의 균일한 혼합물이며 하나의 결정 구조를 가진다. 이 용어는 주로 금속에 사용된다. 금속공학, 지질학, 고체화학에서 많은 예시를 찾을 수 있다. "용액"이라는 단어는 원자 수준에서 성분의 친밀한 혼합을 설명하는 데 사용되며, 이러한 균일한 물질을 성분의 물리적 혼합물과 구분한다. 고용체는 주로 두 가지 용어와 관련이 있다. 원자 종의 상대적인 풍부성에 따라 용매와 용질이다.

일반적으로 두 화합물이 등구조적이면 최종 성분(부모라고도 함) 사이에 고용체가 존재한다. 예를 들어 염화 나트륨과 염화 칼륨은 같은 입방 결정 구조를 가지므로 NaCl과 KCl을 물에 녹인 후 증발시켜 나트륨과 칼륨의 임의 비율(Na1-xKx)Cl을 가진 순수한 화합물을 만들 수 있다. 이 계열의 한 성분은 Lo Salt라는 브랜드 이름으로 판매되며 (Na0.33K0.66)Cl이므로 일반적인 식탁 소금(NaCl)보다 나트륨이 66% 적다. 순수한 광물은 암염과 실바이트라고 하며, 이 둘의 물리적 혼합물은 실비나이트라고 한다.

광물은 자연 물질이므로 조성이 크게 변할 수 있다. 많은 경우 표본은 고용체 계열의 구성원이므로 지질학자들은 개별 표본보다 계열의 조성을 논하는 것이 더 유용하다고 생각한다. 감람석은 (Mg, Fe)2SiO4 공식으로 설명되며, 이는 (Mg1−xFex)2SiO4와 동일하다. 마그네슘과 철의 비율은 고용체 계열의 두 최종 성분인 포스터라이트(Mg-내성분: Mg2SiO4)와 파이아라이트(Fe-내성분: Fe2SiO4) 사이에서 다양하지만 감람석의 비율은 일반적으로 정의되지 않는다. 구성이 복잡해짐에 따라 지질학적 표기법이 화학적 표기법보다 훨씬 다루기 쉽다.

 명칭 
IUPAC의 고용체 정의는 "성분들이 호환되고 고유한 상을 형성하는 고체"이다.

참고 문헌에 제시된 "두 번째 성분을 포함하는 결정으로, 호스트 결정의 격자에 들어가 분포하는 것"이라는 정의는 일반적이지 않으므로 권장되지 않는다.

이 표현은 편의상 용매라고 불리는 하나 이상의 물질이 용질이라고 불리는 다른 물질과 다르게 취급되는 경우 두 가지 이상의 물질을 포함하는 고체 상을 설명하는 데 사용해야 한다.

하나 이상의 구성 요소가 거대 분자일 수 있다. 다른 구성 요소 중 일부는 가소제, 즉 중합체의 비정질 상이 유리 상태와 고무 상태 사이에서 변환되는 유리 전이 온도를 낮추는 분자 분산 물질로 작용할 수 있다.

제약 제제에서 고용체의 개념은 종종 약물과 중합체의 혼합물에 적용된다.

중합체의 용매(가소제) 역할을 하는 약물 분자의 수는 적다.

 상평형 그림 
섬네일|상대 농도의 전 범위에 걸쳐 고용체를 나타내는 이진 상평형 그림

상평형 그림에서 고용체는 조성 및 온도/압력 범위를 나타내는 영역으로 표시되며, 종종 구조 유형이 레이블로 붙어 있다. 최종 성분이 등구조적이 아닌 경우 부모에 의해 결정되는 다른 구조를 가진 두 개의 고용체 범위가 존재할 가능성이 높다. 이 경우 범위가 겹칠 수 있으며 이 영역의 재료는 어느 구조를 가질 수 있으며, 또는 이 조성을 가진 재료를 생성하려는 시도가 혼합물을 초래함을 나타내는 고체 상태의 혼합성 간격이 있을 수 있다. 고용체로 덮이지 않는 상평형 그림의 영역에는 선상 상이 있을 수 있다. 이들은 알려진 결정 구조와 설정된 화학양론을 가진 화합물이다. 결정 상이 두 개의 (비전하) 유기 분자로 구성된 경우 선상 상은 일반적으로 공결정으로 알려져 있다. 금속공학에서 설정된 조성을 가진 합금은 금속간화합물로 불린다. 고용체는 관련된 두 원소(일반적으로 금속)가 주기율표에서 서로 가까울 때 존재할 가능성이 높으며, 금속간화합물은 관련된 두 금속이 주기율표에서 서로 가깝지 않을 때 일반적으로 발생한다.

 상세 내용 
용질은 결정 격자의 용매 입자를 대체하여 치환적으로 또는 용매 입자 사이의 공간에 끼워 격자간으로 용매 결정 격자에 포함될 수 있다. 이러한 두 가지 유형의 고용체는 결정 격자를 왜곡하고 용매 재료의 물리적 및 전기적 균일성을 방해하여 재료의 특성에 영향을 미친다. 용질 원자의 원자 반지름이 용매 원자의 원자 반지름보다 클 때 결정 구조(단위 격자)는 종종 이를 수용하기 위해 확장된다. 이는 고용체 상태의 재료 조성은 단위 격자 부피로부터 계산될 수 있으며, 이는 베가드 법칙으로 알려진 관계이다.

일부 혼합물은 넓은 농도 범위에서 고용체를 쉽게 형성하는 반면, 다른 혼합물은 고용체를 전혀 형성하지 않는다. 어떤 두 물질이 고용체를 형성하는 경향은 해당 물질의 화학, 결정학, 양자역학적 특성을 포함하는 복잡한 문제이다. 흄-로더리 규칙에 따라 치환형 고용체는 용질과 용매가 다음 조건을 만족하면 형성될 수 있다.

 유사한 원자 반지름 (15% 이하 차이)
 같은 결정 구조
 유사한 전기 음성도
 유사한 원자가
고용체는 다른 것들과 혼합되어 새로운 용액을 형성한다.

위 그림의 상평형 그림은 두 성분의 상대적 농도의 전 범위에서 고용체를 형성하는 두 금속의 합금을 나타낸다. 이 경우 각 원소의 순수한 상은 같은 결정 구조를 가지며, 두 원소의 유사한 특성으로 인해 상대적 농도의 전 범위에서 편향되지 않은 치환이 가능하다. 세 개 이상의 구성 요소가 있는 복잡한 시스템에서 의사 이진 시스템의 고용체는 서로 다른 평형 화학 조건에 해당하는 하나 이상의 고용체선 곡선이 그려진 더 복잡한 상평형 그림의 표현이 필요할 수 있다.

고용체는 중요한 상업 및 산업 응용 분야를 가지는데, 이러한 혼합물은 순수한 재료보다 우수한 특성을 가지는 경우가 많기 때문이다. 많은 금속 합금은 고용체이다. 소량의 용질도 용매의 전기적 및 물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

섬네일|두 고용체 와 를 보여주는 이진 상평형 그림

위 그림의 이진 상평형 그림은 두 물질의 혼합물의 다양한 농도에서의 상을 나타낸다. 와 . ""로 표시된 영역은 고용체이며, 가 의 기지에서 용질 역할을 한다. 농도 스케일의 다른 쪽 끝에서 ""로 표시된 영역도 고용체이며, 가 의 기지에서 용질 역할을 한다. 와  고용체 사이의 큰 고체 영역은 " + "로 표시되어 있으며, 고용체가 아니다. 대신 이 범위의 혼합물의 미세구조를 조사하면 두 상, 즉 의  고용체와 의  고용체가 분리된 상, 아마도 층상 또는 결정립을 형성하는 것을 알 수 있다.

 응용 
상평형 그림에서 세 가지 다른 농도에서 재료는 녹는점까지 가열될 때까지 고체 상태를 유지하고, 그 후 (융해열을 추가한 후) 동일한 온도에서 액체 상태가 된다.

 합금이 없는 왼쪽 끝
 합금이 없는 오른쪽 끝
 중앙의 딥(공정 조성).

다른 비율에서는 재료가 완전히 녹을 때까지 질척거리거나 반죽 상태로 들어간다.

그림의 딥 포인트에서의 혼합물은 공정 합금이라고 불린다. 이 포인트(37/63 혼합물)에서 제조된 납-주석 혼합물은 전자 부품을 납땜할 때 유용하며, 특히 수동으로 납땜할 경우 납땜이 식을 때 고체상이 빠르게 형성되기 때문에 유용하다. 반면에 자동차 차체의 이음새를 납땜할 때 납-주석 혼합물을 사용하면 반죽 상태로 나무 주걱이나 도구를 사용하여 모양을 만들 수 있었기 때문에 70-30의 납-주석 비율이 사용되었다(납은 독성도와 결과적으로 납을 포함하는 장치 및 부품의 재활용의 어려움 때문에 이러한 응용 분야에서 제거되고 있다).

 용해 배출 
고용체가 예를 들어 낮은 온도로 인해 불안정해지면 용해 배출이 발생하고 두 상은 뚜렷한 미시적에서 거시적 층상으로 분리된다. 이는 주로 양이온 크기의 차이로 인해 발생한다. 반지름 차이가 큰 양이온은 쉽게 치환되지 않는다.Nesse, William D. (2000). Introduction to Mineralogy. New York: Oxford University Press. p91–92. 

알칼리 장석 광물은 예를 들어 조장석, NaAlSi3O8와 마이크로클린, KAlSi3O8의 내성분을 가지고 있다. 고온에서는 Na+와 K+가 쉽게 서로 치환되어 광물은 고용체를 형성하지만, 저온에서는 조장석은 소량의 K+만 치환할 수 있으며, 마이크로클린에서의 Na+에도 동일하게 적용된다. 이는 용해 배출로 이어져 두 개의 개별 상으로 분리된다. 알칼리 장석 광물의 경우, 일반적으로 핑크색 마이크로클린 사이에 얇은 흰색 조장석 층이 번갈아 나타나며, 퍼타이트 조직이 생성된다.

 같이 보기 
 고용체 경화

 각주 

 참고 문헌 




 외부 링크 
 DoITPoMS 교육 및 학습 패키지 - "고용체"

분류:재료과학
분류:광물학