고용체
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1. 개요
고용체는 용질 원자가 용매 결정 격자에 들어가는 방식에 따라 치환형과 침입형으로 나뉘는 고체 상을 의미한다. 치환형은 용매 원자 자리에 용질 원자가 치환되어 형성되며, 원자 반지름, 결정 구조, 전기음성도, 원자가 등이 유사할수록 잘 형성된다. 침입형은 용매 원자 사이의 빈 공간에 용질 원자가 침입하여 형성되며, 수소, 탄소, 질소, 붕소, 산소 등 작은 원소들이 주로 해당된다. 고용체는 상태도에서 면적으로 표시되며, 탈용 현상을 통해 두 상으로 분리되기도 한다. 고용체는 순수한 물질보다 우수한 특성을 보이며, 금속 합금, 전자 부품 납땜 등에 활용된다. 광물 명명 시에는 50% 규칙을 따른다.
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| 고용체 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 일반 정보 | |
| 종류 | 화학 용액 |
| 상태 | 고체 |
| 추가 정보 | |
| 관련 개념 | 용액 결정 금속 합금 고체화 미세 구조 |
| 성분 | 둘 이상의 화학 원소 또는 화합물 |
| 정의 | 둘 이상의 원소나 화합물이 화학적으로 결합하지 않고 고체 상태에서 균일하게 혼합된 물질 |
| 형성 조건 | 원자 크기, 결정 구조, 전기 음성도 등의 유사성 |
| 유형 | 치환형 고용체 침입형 고용체 중간형 고용체 |
| 특징 | 균일한 조성 결정 구조 유지 조성 변화에 따른 성질 변화 합금의 주요 구성 요소 |
| 예시 | 황동(구리-아연) 강철(철-탄소) 니크롬(니켈-크롬) 솔더(납-주석) 지각을 형성하는 대부분의 광물 백금과 로듐의 합금 |
| 형성 과정 | 용융된 금속의 혼합 후 냉각 고체 상태에서 원자 확산 화학 반응에 의한 형성 |
| 응용 분야 | 합금 재료 반도체 재료 촉매 재료 광학 재료 |
2. 종류
고용체는 용질 원자가 용매 결정격자에 들어가는 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.[8]
- 치환형 고용체: 용매 원자 자리에 용질 원자가 치환된다.
- 침입형 고용체: 원자 반지름이 작은 원자가 금속 결정 격자의 틈에 침입한다.
2. 1. 치환형 고용체
결정격자에서 용매 원자의 자리에 용질 원자가 치환되어 들어가는 형태이다. 흄-로제리의 법칙에 따르면, 다음과 같은 조건에서 치환형 고용체가 잘 형성된다.[8]| 조건 | 설명 |
|---|---|
| 원자 반지름 | 유사해야 한다. (15% 이하 차이) |
| 결정 구조 | 동일해야 한다. |
| 전기음성도 | 유사해야 한다. |
| 원자가 | 유사해야 한다. |
원자 반지름 차이가 클수록 고용도는 감소하는 경향을 보이며, 차이가 약 10%까지는 모든 조성비에 걸쳐 완전히 고용되지만, 15% 이상에서는 거의 고용되지 않는다.
2. 2. 침입형 고용체
침입형 고용체는 원자 반지름이 작은 원소(수소 (H), 탄소 (C), 질소 (N), 붕소 (B), 산소 (O) 등)가 금속 결정 격자의 원자 사이의 틈에 침입하는 것이다.[8] 금속 결정 격자의 원자 사이의 틈은 결정 구조에 따라 다르다. 탄소강의 담금질, 침탄처리 등의 표면 경화 처리는 침입형 고용체에 용질 분자를 과포화시켜 왜곡된 조직을 만드는 것으로 단단한 조직을 얻는 방법이다.[8]3. 상태도
상태도에서 고용체는 면적으로 표시되며, 조성 및 온도/압력 범위를 포함한다. 종결 원소가 등구조가 아닌 경우, 서로 다른 구조를 가진 두 개의 고용체 범위가 있을 가능성이 높다. 이 경우, 범위가 겹칠 수 있으며, 고체 상태에서 용해도 간극이 나타날 수 있다. 상태도에서 고용체로 덮여 있지 않은 영역에는 선상 상이 있을 수 있으며, 이는 알려진 결정 구조와 설정된 화학량론을 가진 화합물이다. 야금학에서 설정된 조성을 가진 합금은 금속간 화합물로 불린다. 두 원소가 주기율표에서 서로 가까이 있을 때 고용체가 존재할 가능성이 높으며, 두 금속이 주기율표에서 서로 가깝지 않을 때 일반적으로 금속간 화합물이 생성된다.[7]
고용체는 균질한 결정(고체)이면서, 약간의 성분이 혼합된 것이다.[12] 그 형태는 AxByCz...로 표현된다. (단, 고용체의 구성 성분을 A, B, C...로 하고, x, y, z 값에 연속적인 변화가 있다.) 예를 들어 소금물은 NaCl과 H2O의 두 성분이 혼합된 것이므로, (NaCl)x(H2O)y로 표현된다.
혼합 정도는 무한히 어떠한 비율에도 섞이는 것이 있는 반면, 어떤 일정한 비율로만 혼합되는 것도 있다. 완전히 고용되지 않는 물질 A, B는 A 속에 B를 약간 고용할 수 있는 결정 α와 B 속에 A를 약간 고용할 수 있는 결정 β를 만든다.
3. 1. 이성분계 상태도
상태도에서 고용체는 면적으로 표시되며, 종종 구조 유형으로 표시되고, 조성 및 온도/압력 범위를 포함한다. 종결원소가 등구조가 아닌 경우, 모원소에 의해 결정되는 서로 다른 구조를 가진 두 개의 고용체 범위가 있을 가능성이 높다. 이 경우, 범위가 겹칠 수 있으며 이 영역의 재료는 두 가지 구조를 모두 가질 수 있거나, 고체 상태에서 용해도 간극이 있음을 나타내어 이러한 조성의 재료를 생성하려는 시도는 혼합물을 초래할 것이다.[7] 상태도에서 고용체로 덮여 있지 않은 영역에는 선상 상이 있을 수 있으며, 이는 알려진 결정 구조와 설정된 화학량론을 가진 화합물이다. 결정상이 두 개의 (비하전) 유기 분자로 구성된 경우, 선상 상은 일반적으로 공결정으로 알려져 있다. 야금학에서 설정된 조성을 가진 합금은 금속간 화합물로 불린다. 두 원소(일반적으로 금속)가 주기율표에서 서로 가까이 있을 때 고용체가 존재할 가능성이 높으며, 두 금속이 주기율표에서 서로 가깝지 않을 때 일반적으로 금속간 화합물이 생성된다.[7]
완전히 고용되지 않는 물질 A, B는 A 속에 B를 약간 고용할 수 있는 결정 α와 B 속에 A를 약간 고용할 수 있는 결정 β를 만든다. α, β 어느 한쪽에서도 결정화할 수 없는 성분비의 결정이 결정화하려고 하면, 포화된 α와 β가 얼룩덜룩한 상태가 된다(실제로는 라멜라 구조이거나, 크리스털라이트이기도 하다). 이러한 고용체는 많으며, 예를 들어 방해석(CaCO3) - 돌로마이트(CaMg(CO3)2) 등이 있다. 개략도에 나타나 있는 것처럼 저온이 되면 고용되기 어려워지기 때문에, 원래 하나의 고용체로서 결정화한 것이 냉각되어 두 상으로 분리되어 가상정이 되는 경우도 있다.
4. 탈용(Exsolution)
고용체가 낮은 온도 등의 이유로 불안정해지면, 라멜라 형태의 미시적 또는 거시적 크기로 두 상이 분리되는 탈용(Exsolution)이 발생한다. 이는 주로 양이온 크기의 차이에 의해 발생한다. 반지름 차이가 큰 양이온은 서로 쉽게 치환되지 않는다.[11]
예를 들어, 알칼리 장석 광물은 단성분 광물인 알바이트(NaAlSi3O8)와 미사장석(KAlSi3O8)을 가지고 있다. 고온에서는 Na+와 K+가 서로 쉽게 치환되어 고용체를 형성하지만, 저온에서는 알바이트는 소량의 K+만 치환할 수 있으며, 미사장석에서도 Na+의 치환은 마찬가지로 제한적이다. 이로 인해 두 광물이 분리되는 탈용 현상이 발생한다. 알칼리 장석 광물의 경우, 일반적으로 분홍색을 띠는 미사장석 사이에 얇은 흰색 알바이트 층이 교대로 나타나 퍼사이트 조직을 형성한다.[11]
완전히 고용되지 않는 물질 A, B는 A 속에 B를 약간 고용할 수 있는 결정 α와 B 속에 A를 약간 고용할 수 있는 결정 β를 만든다. α, β 어느 한쪽에서도 결정화할 수 없는 성분비의 결정이 결정화하려고 하면, 포화된 α와 β가 얼룩덜룩한 상태가 된다(실제로는 라멜라 구조이거나, 크리스털라이트이기도 하다). 이러한 고용체는 많으며, 예를 들어 CaCO3 (방해석) - CaMg(CO3)2 (돌로마이트) 등이 있다. 개략도에 나타나 있는 것처럼 저온이 되면 고용되기 어려워지기 때문에, 원래 하나의 고용체로서 결정화한 것이 냉각되어 두 상으로 분리되어 가상정이 되는 경우도 있다.
5. 응용
고용체는 순수한 물질보다 우수한 특성을 갖는 경우가 많아 다양한 산업 분야에서 활용된다. 금속 합금은 대표적인 고용체의 예시이며, 용질 원소를 첨가하여 강도, 경도, 내식성 등 기계적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
공융 합금은 녹는점이 낮아 전자 부품 납땜에 유용하다. 특히, 37/63 혼합물로 제조된 납-주석 혼합물은 빠르게 고체 상태로 굳기 때문에 수동 납땜에 유리하다.[3] 과거에는 자동차 차체 이음매를 납땜할 때도 납-주석 혼합물을 사용했는데, 반죽 상태에서 형태를 만들기 쉬워 70-30의 납-주석 비율이 사용되었다. 그러나 납의 독성과 그에 따른 재활용의 어려움 때문에 이러한 용도에서는 점차 제거되고 있다.[3]
반도체 산업에서는 실리콘(Si)에 붕소(B)나 인(P) 등을 도핑하여 전기적 특성을 제어하는 고용체를 만든다.
6. 광물 명명
고용체를 형성하는 광물을 명명할 때는, 소위 "50% 규칙"을 따른다. A와 B를 종단원소로 하는 2성분 고용체의 경우, A50B50을 경계로 두 가지 광물명을 사용한다는 것이다.[1] 예를 들어, 사장석은 NaAlSi3O8(Ab)와 CaAl2Si2O8(An)을 종단원소로 하는 연속 고용체이기 때문에, Ab50An50을 경계로 Ab쪽을 조장석(알바이트), An쪽을 회장석(애노사이트)이라고 한다.[1]
참조
[1]
서적
Physical Metallurgy Principles
https://books.google[...]
Cengage Learning
2008-12-11
[2]
서적
Rocks & Minerals: The Definitive Visual Guide
Penguin Random House
[3]
웹사이트
Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)
https://publications[...]
2022-11-04
[4]
서적
Compendium of Chemical Terminology: IUPAC Recommendations
Blackwell Science
[5]
서적
Compendium of Analytical Nomenclature (the "Orange Book")
https://archive.org/[...]
Blackwell Science
[6]
학술지
Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)
https://web.archive.[...]
2013-07-25
[7]
서적
An Introduction to Metallurgy
Institute of Materials
[8]
서적
Materials Science and Engineering: An Introduction
John Wiley & Sons
[9]
학술지
The lattice spacings of solid solutions of different elements in aluminium
1948-04-22
[10]
학술지
Thermodynamic Guidelines for Maximum Solubility
[11]
서적
Introduction to Mineralogy
Oxford University Press
[12]
서적
岩石學Ⅰ
岩波書店
[13]
웹사이트
Solid solution - chemistry
https://www.britanni[...]
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