7 สารละลายของแข็ง (จบบทที่ 2)

2.8.2 สารละลายของแข็ง

       สารละลายของแข็ง (Solid Solutions) เป็นสารละลายชนิดหนึ่งที่เป็นของแข็ง ซึ่งอาจเป็นได้ทั้งตัวทำละลาย และตัวถูกละลายก็ได้

      ในการทำละลายในสารละลายของแข็งนั้น ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นที่มีความเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิไปในทางที่สูงขึ้น เมื่อของแข็งทั้งคู่ถูกทำความร้อนจนหลอมเหลวแล้ว ก็จะเกิดการละลายผสมกัน เมื่อปล่อยให้เย็นตัวลงก็จะเป็นของแข็งตามเดิม แต่มีคุณสมบัติอื่น ๆ เพิ่มเติมขึ้นมา

      ยกตัวอย่างในโลหะ เหล็กละลายกับธาตุอื่น ๆ ได้มากมายหลายธาตุ ตัวของเหล็กจะเป็นตัวทำละลาย ส่วนคาร์บอน ฟอสฟอรัส (Phosphorus) หรือแมงกานีส หรือธาตุอื่น ๆ จะกลายเป็นตัวถูกละลาย ผลที่ได้จากการละลายนี้จะทำให้เหล็กมีความแข็งแกร่งขึ้น ทนทานขึ้น ฯลฯ

วิดีโอตัวอย่างสารละลายของแข็ง การหลอมทองสัมฤทธิ์ หรือบรอนซ์ (ทองแดง+ดีบุก)

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

2.9 สารละลายของแข็งโลหะ หรือโลหะผสม

      โลหะที่เราใช้งานกันทุกวันนี้ มีอยู่น้อยมากที่จะเป็นโลหะที่บริสุทธิ์ หรือเกือบบริสุทธิ์ ส่วนมากแล้วจะมีธาตุอื่น ๆ ผสมเจืออยู่ ทั้งนี้ก็เพื่อเพิ่มคุณภาพให้กับโลหะนั้น ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าเป็นโลหะผสมของเหล็ก และคาร์บอน ทองสัมฤทธิ์เป็นโลหะผสมของทองแดง และดีบุก ทองเหลืองเป็นโลหะผสมของทองแดง และสังกะสี การผสมนั้นจะทำให้โลหะมีความ แข็งแกร่งขึ้น ไม่เกิดสนิม อัตราการขยายตัวต่ำ ทนการกัดกร่อนได้สูง ทนต่อแรงเสียดทานได้ดี ฯลฯ

      สารละลายของแข็งโลหะนั้น ในทางโลหะวิทยาเราเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าโลหะผสม (Alloy) หรือธาตุผสม (Alloying elements) คือ ของผสมโลหะตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปผสมกัน อาจเป็นได้ทั้งโลหะผสมกับโลหะ โลหะผสมกับอโลหะ

ในการกระจายตัวเข้าไปผสมกันของสารละลายของแข็งมีอยู่ด้วยกัน 2 รูปแบบ คือ

1. สารละลายของแข็งแบบแทนที่ ( Substitutional Solid Solution )

2. สารละลายของแข็งแบบเซลล์แทรก (Interstitial Solid Solution)

1) สารละลายของแข็งแบบแทนที่ เกิดจากอะตอมของธาตุ 2 ชนิด คือ อะตอมของตัวถูกละลาย สามารถเข้าไปแทนที่อะตอมของตัวทำละลาย ในโครงสร้างผลึกได้ ดังรูปด้านล่าง โครงสร้างผลึกของโลหะผสมชนิดนี้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง แต่อาจจะเกิดการเสียรูปไปบ้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อขนาดของอะตอมต่างกัน

รูปสารละลายของแข็งแบบแทนที่ อะตอมตัวถูกละลายเข้าไปแทนที่บางส่วน ของอะตอมตัวทำลาย

การที่อะตอมหนึ่งจะเข้าไปแทนที่อีกอะตอมหนึ่งได้ดีนั้น ต้องมีลักษณะดังนี้

1. ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมทั้งสองจะต่างกันไม่เกิน 15 %

2. โครงสร้างผลึกของธาตุทั้งสองจะต้องเหมือนกัน

3. ค่าอิเล็กโตรเนกาติวิตี้ หรือสภาพทางไฟฟ้าเป็นลบ จะต้องต่างกันไม่มากนัก มิฉะนั้นจะเกิดสารประกอบไม่ได้

4. จะต้องมีค่าเวเลนซ์เท่ากัน

2) สารละลายของแข็งแบบเซลล์แทรก เป็นสารละลายของแข็งที่เกิดขึ้น อันเนื่องมาจากอะตอมของตัวถูกละลายเข้าไปแทรกตัวอยู่ในช่องว่างของอะตอมตัวทำละลาย ระยะช่องว่างระหว่างอะตอมของตัวทำละลายกับ ช่องว่างระหว่างอะตอมของตัวทำละลายนี้ถูกเรียกว่า ซอก ( Interstices) สารละลายของแข็งเซลล์แทรก สารละลายของแข็งแบบเซลล์แทรก จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อขนาดของอะตอมของตัวทำละลายมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของอะตอมของอะตอมของตัวถูกละลาย

รูปสารละลายของแข็งแบบเซลล์แทรก

2.10 การประยุกต์ใช้กับเหล็กกล้าในทางเคมี

       ความรู้ในทางเคมีที่กล่าวในโลหะวิทยาในบทนี้ และกำลังจะกล่าวในบทต่อ ๆ ไป จะพบในการศึกษาด้านโลหะในส่วนของ โครงสร้างผลึก, อะตอม และโลหะผสม

       เหล็กกล้าเป็นโลหะผสม (สารละลายของแข็ง) ตัวของเหล็กเป็นตัวทำละลาย ส่วนคาร์บอนเป็นตัวถูกละลาย

      นอกจากคาร์บอนแล้วยังมีธาตุเคมีมากมายที่สามารถผสมลงไปในเหล็ก จนเป็นโลหะผสม อาทิเช่น กำมะถัน, แมงกานีส, อลูมิเนียม, ฟอสฟอรัส, โมลิบดีนัม (Molybdenum), ทังสเตน (Tungsten) และซิลิคอน (Silicon) ฯลฯ ซึ่งจะพบได้บ่อยในการศึกษาในวิชาการทางโลหะ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“อย่ามัวมองหาความผิดพลาด จงมองหาทางแก้ไข”