钢铁和宝石 居然都是“溶液”？！
提到溶液，你的大脑里浮现的是什么？一杯食盐水？一瓶饮料？还是一罐可乐？它们无一例外都是液体。
不过，如果告诉你，钢铁和宝石也是“溶液”，你会相信吗？真的，它们确实是“溶液”，只不过是“固体溶液”。
固溶体是怎么形成的？
只要两种固体间达到分子或原子水平上的混合，它们也能形成“溶液”。这种在分子或原子水平上均匀混合的固体混合物称作固体溶液，简称固溶体。固溶体这个名字起得很形象，我们可以将固溶体理解为一种固体溶质溶解在另一种固体溶液当中。那这个过程是如何实现的呢？
首先，像金属、金属氧化物、陶瓷这类物质都是以晶体形式存在的，所谓晶体就是构成它们的原子或分子，以一种有规律的、整齐的方式堆砌在一起所形成的物质。
晶体的微观结构（图片来源：作者绘制）
当所有参与堆砌的组分只是一种单质或者是一种化合物的时候，该晶体就是纯净物。如果这时候有另外一种物质参与进来，占据了原有原子所在位置，并且不破坏原有的结构，那这就是固溶体。原来的组分就相当于溶剂，外来的组分就相当于溶质。
固溶体（图片来源：作者绘制）
和溶液一样，固溶体中溶质在溶剂中的溶解也是存在溶解度的。当一个较大的原子取代原有的原子，由于空间有限，它会挤压周围的原子；当一个较小的原子取代原有的原子，周围的原子就会朝里面压缩。无论是挤压还是压缩，都会产生一个应力场，造成晶格结构偏离原有的状态，这时我们就说晶体结构发生畸变了。
外来原子占据的位置越多，晶体畸变越严重，当溶质原子达到一定数量时，它就无法再稳定地存在于晶体结构中，最终以另一种状态析出，形成第二相。这个过程就好比往水中加盐，加入的盐比较少，盐就能全部溶解，如果一直不停地加，盐就会从水中析出，沉淀在水底。
晶体结构变形（图片来源：http://ptr.chaoxing.com/nodedetailcontroller/visitnodedetail?knowledgeId=3511914）
影响固溶体溶解度的因素很多，包括元素价态、原子尺寸、晶体结构等物理化学因素，两者的性质越是接近，溶解度就越大，甚至可以相互无限溶解，就如同水和酒精能够任意比例相互溶解；如果两者性质相差太大，就无法形成固溶体，就如同水和油互不相溶。
钢铁：应用最广泛的固溶体
合金是一种很常见的材料，很多合金都是固溶体，比如黄铜是铜和锌的固溶体，白铜是铜和镍的固溶体，钢铁是铁和碳的固溶体。而其中钢铁则是其中应用得最多一种合金。
钢铁虽然也是固溶体，但是和前面所述的那种固溶体的类型却不太相同。首先，我们得知道，金属原子的堆积方式有多种，但是因为把原子可以看作是一颗均匀半径的球体，在它们堆积形成晶体之后，原子与原子之间无论如何都会有间隙存在，也就是存在原子无法占据空间。
晶体原子不同堆积方式及其间隙（图片来源：作者绘制）
可以看出，晶体中原子间隙空间都比较窄，如果外来的原子半径足够小，那么它就有机会挤进这个狭小的空间，并在间隙中稳定地存在，与溶剂原子形成固溶体，这种类型的固溶体叫做间隙固溶体。而前面所说的通过取代溶剂原子位置形成的固溶体叫做置换固溶体。钢铁就是小个头的“碳”原子挤进大个头的“铁”原子之间形成的间隙固溶体。所以我们也经常称钢铁为铁碳合金。
碳原子进入铁原子的间隙形成间隙固溶体（图片来源：作者绘制）
从图片中不难看出，碳原子虽然成功进入了间隙位置，仍然会对周围的铁原子造成挤压，所以间隙固溶体都是溶解度有限的固溶体。含碳量在0.021%~2.11%的铁碳合金是钢，含碳量在2.11%~6.69%的铁碳合金是铸铁，当含碳量小于0.021%时，我们就说它符合工业纯铁的标准了。而含碳量大于6.69%的铁碳合金脆性太大，基本没有用处。
我们知道晶体是原子或分子整齐堆积形成的固体，然而，总有那么一些原子不会老老实实听话，排列时没有对齐，形成一维的缺陷，这种缺陷称为位错。当金属承受外力时，位错会移动，使得金属拉伸、变长，最终断裂。形成固溶体之后，杂质原子会阻碍位错的移动，从而减少金属发生的形变，提高钢铁的强度，这就是固溶体的固溶强化作用。这也是工业上常使用钢而不使用纯铁的原因。
固溶体也是奢侈品！
钻石、红宝石、蓝宝石、祖母绿、金绿猫眼被认为是世界五大珍贵宝石，是市场上昂贵的奢侈品。不过，它们其实也是固体溶液。
红宝石和蓝宝石都是氧化铝Al2O3的晶体，但是纯净的氧化铝是无色的，若溶解了微量铬元素，它就会显现红色，这就是红宝石；若溶解了微量的铁元素、钛元素而呈现蓝色或者其他颜色，这就是蓝宝石。这就如同无色的纯净水，加入铜离子显现蓝色，加入亚铁离子显现淡绿色一样。
蓝宝石和红宝石（图源：veer图库）
无处不在 无所不能
有一种钴酸锂的物质，它的分子式是LiCoO2，当分子中每脱去一个锂离子的时候，就会有相应的一个钴Co从三价氧化成四价，这时可以认为是四价的Co4+取代了三价的Co3+所形成的固溶体。而在钴Co氧化的过程中会释放一个电子，我们在用一根导线把释放的电子与另一种材料连接，就可以构成电池，形成电流，这就是手机常用的锂离子电池。
锂电池（图片来源：veer图库）
纯净水是电的绝缘体，溶解了食盐以后可以拥有良好的导电性能。同样的，固溶体也能拥有和纯净晶体不一样的电学性能。在半导体工业中，最常用的是硅元素，这种半导体的电阻比较大，往往需要加入不同价态的元素形成固溶体。硅的最外层有四个电子，会与周围的硅共享电子形成共价键。当加入高价元素，比如磷元素，形成共价键后磷原子外面会多出一个电子，这个电子容易激发变成自由电子，这种半导体称为N型半导体；当加入低价元素，如硼元素，硼原子会因为缺少一个电子在外层留下一个空位，这种半导体称为P型半导体。P型半导体和N型半导体相互接触，就形成了P-N结，它是光伏发电、发光二极管、三极管的物理基础。
P-N结的结构示意图（图片来源：维基百科）
太阳能发电阵列（图片来源：http://www.gov.cn/jrzg/2011-07/06/content_1900489.htm）
很多点火装置之所以能点火，都离不开一种叫压电陶瓷的功劳，它是由锆酸铅PbZrO3和钛酸铅PbTiO3固溶形成的一种固溶体，是一类具有压电效应的陶瓷。所谓压电效应，就是给材料施加一个外力，它会在表面产生电荷的现象，用力压一压，就会有电产生，是不是很神奇呢。
给压电材料施加外力，它会在表面产生电荷（图片来源：阎瑾瑜.压电效应及其在材料方面的应用.数字技术与应用,2011(01):100-101.）
之所以有这种现象，主要是和晶体内部的电偶极子的取向有关。由于晶体在没有外力时，电偶极子排列呈无序状态，各部分的电场相互抵消，对外不显电性；在外力作用下，电偶极子被迫朝同一方向排列，最终使得表面带电。
打火机的点火装置使用了压电陶瓷（图片来源：veer图库）
没想到吧？固体溶液简直是无处不在无所不能啊！如果下次有小伙伴问起你，打火机的原理、为什么宝石有各种不同的颜色、太阳能发电是因为什么？就把这篇推送发给他吧！
作者单位：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
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