흄-로더리 규칙

2. 흄-로더리 규칙

윌리엄 흄-로더리의 이름을 따서 명명된 흄-로더리 규칙은 금속이 고용체를 형성할 때 적용되는 일련의 경험적인 규칙이다. 이 규칙들은 주로 두 종류의 고용체, 즉 치환형 고용체와 침입형 고용체(간극형 고용체)의 형성 조건을 설명한다. 치환형 고용체는 용질 원자가 용매 원자의 자리를 대신 차지하는 경우이며, 침입형 고용체는 용질 원자가 용매 격자 사이의 빈 공간(간극)에 들어가는 경우이다.

구체적인 규칙들은 원자 크기, 결정 구조, 원자가, 전기음성도 등의 요소를 고려하며, 각 고용체 유형에 따라 조건이 조금씩 다르다. 예를 들어, 치환형 고용체 형성은 용질과 용매 원자의 원자 반지름 차이, 결정 구조, 원자가, 전기음성도 등의 유사성에 영향을 받는다.^{[11][1][12][13][14][15][2][3][4]} 침입형 고용체의 경우에도 용질 원자의 크기, 전기음성도, 원자가 등이 중요한 요인으로 작용한다. 각 규칙의 상세한 내용은 하위 섹션에서 다루어진다.

그러나 흄-로더리 규칙은 근본적으로 두 가지 원소로 이루어진 이원계 시스템에 제한되며, 여러 성분이 섞인 현대의 복잡한 합금을 평가하는 데는 한계가 있다. 이러한 다성분계 시스템의 평형 상태를 이해하기 위해서는 상 평형 그림(자유 에너지 다이어그램)과 같은 더 심층적인 접근 방식이 필요하다. 흄-로더리 규칙은 폴링 규칙과 마찬가지로 주로 기하학적 제약 조건에 기반한다.^[8] 최근에는 이 규칙들을 보로노이 다이어그램을 이용한 임계 접촉 기준으로 해석하는 등^[8] 규칙을 발전시키려는 노력이 이루어지고 있으며, 이는 다성분계 합금의 이론적인 상 평형 그림 생성에 기여할 수 있다.

특히 전이 금속 원소를 포함하는 합금의 경우, 흄-로더리 규칙 중 전자 농도 규칙을 해석하는 데 어려움이 따른다. 이는 전이 금속의 원자당 이동 전자 수(e/a 값)에 대한 정의가 명확하게 합의되지 않았기 때문이다.^[9][10]

2. 1. 치환형 고용체 규칙

• 원자 크기: 용질 원자와 용매 원자의 원자 반지름 차이가 약 15% 이내여야 한다.^[11][1] 원자 크기가 비슷할수록 서로 잘 섞여 고용체를 형성하기 쉽다.
• 결정 구조: 용질과 용매는 서로 유사한 결정 구조를 가져야 한다.
• 원자가: 용질과 용매의 원자가가 같을 때 용해도가 높아지는 경향이 있다.^[12][2] 일반적으로 금속은 자신보다 더 높은 원자가를 가진 다른 금속을 더 잘 녹이는 경향이 있다.^{[13][14][15][1][3][4]}
• 전기음성도: 용질과 용매는 비슷한 전기음성도를 가져야 한다. 전기음성도 차이가 크면 고용체 대신 금속간 화합물을 형성하기 쉽다.

2. 1. 1. 원자 크기 요인

2. 1. 2. 결정 구조 요인

2. 1. 3. 원자가 요인

2. 1. 4. 전기음성도 요인

2. 2. 침입형(간극형) 고용체 규칙

• 용질 원자의 반경은 용매 원자 반경의 59%보다 작아야 한다.
• 용질과 용매는 유사한 전기 음성도를 가져야 한다.
• 원자가 인자: 두 원소는 동일한 원자가를 가져야 한다. 용질과 용매 원자 간의 원자가 차이가 클수록 용해도는 낮아진다.