Принято выделять три типа твёрдых растворов: замещения, внедрения, вычитания. Большинство минералов представляют собой твёрдые растворы замещения, этот тип - наиболее распространённый в природе. Кратко рассмотрим все три типа с примерами.
Представим типы твёрдых растворов схематически: атомы растворяемого отметим оранжевыми точками, а атомы растворителя - фиолетовыми точками.
Твёрдый раствор замещения
Образуется при смешении атомов, ионов веществ с примерно одинаковыми ионными радиусами, а также их молекул.
Твёрдый раствор замещения © УРФУ
Пример: системы Ag-Au, Ti-Zr, Ge-Si. Твёрдые растворы замещения не только самые распространённые, но и стабильные. Потому и распространённые.
Атомы растворителя замещают атомы растворяемого сохраняя структуру кристаллической решётки растворяемого. Происходит строгое замещение: на позиции атомов растворенного компонента приходят ровно столько же атомов растворителя, ион замещает ион, на позицию молекулы приходит молекула.
Понятие растворов замещения связано с понятием изоморфизма в кристаллах. Изоморфное замещение это такое событие, при котором кристаллы, имеющие сходное строение кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы с похожими ионными радиусами, могут заместить часть исходных компонентов и обрести новые свойства. Пример: MgCO3 магнезит и FeCO3 сидерит.
Признаки изоморфизма кристаллов: одинаковая форма кристаллов, разница ионных радиусов элементов не превышает 15%, сохранение электронейтральности конечного соединения.
Изоморфные кристаллы могут образовывать твёрдые растворы с неограниченной растворимостью, в которых структура кристаллической решётки способна постепенно менять форму от структуры растворяемого до структуры растворителя. Примеры металлов с неограниченной растворимостью: Ag и Au, Ni и Cu, Ni и Rd, а также Mo и W, V и Ti. Если же ионные радиусы компонентов раствора значительно разнятся, то с их использованием можно получить твёрдые растворы внедрения.
Твёрдый раствор внедрения
Здесь уже реагируют атомы компонентов или вещества с существенно разными ионными радиусами. Меньшие атомы растворителя внедряются в междоузлия кристаллической решётки большего растворяемого, но это уменьшает стабильность системы и увеличивает её общий размер.
Твёрдый раствор внедрения © УРФУ
Пример: нержавеющая сталь это раствор внедрения, где маленькие атомы углерода внедряются в большую кристаллическую решетку крупных атомов железа.
Твёрдый раствор вычитания
В реакцию обязательно вступает химическое соединение из как минимум двух компонентов, например, оксид железа FeO. К нему добавляют или атомы железа, или кислорода. Атомы начинают присоединяться к кристаллической решетке по своему заложенному природой для этого соединения порядку, а на месте атомов второго вещества, не поступающего дополнительно в систему, образуются вакантные места. Получается кристаллическая твердая фаза с дефицитной решеткой, которую в дальнейшем можно применять в промышленности.
Твёрдый раствор вычитания © УРФУ
Твёрдые растворы вычитания встречаются и в природе. Пример: Fe0,875S минерал пирротин.