Alaşımların yapısı: Katı çözeltiler

Katı çözeltilerin yapısını daha rahat kavrayabilmek adına, çözeltiler üzerine kısa bir giriş yaparak konuya başlayalım.

Tek fazdan meydana gelen homojen karışımlara çözelti adını veriyoruz. Bu homojen karışımları, bir madde içerisinde başka bir maddenin çözünmesiyle elde edebiliyoruz. Örneğin çayın içine şeker attığımızda, şekerin sıcak su içinde çözünmesini sağlayarak homojen bir karışım, yani bir çözelti elde etmiş oluyoruz.

Çay ve şeker örneğinde olduğu gibi, her çözelti bir çözen (yani sıcak su) bir de çözünen (yani şeker) maddeden oluşuyor. Çözen madde içinde hangi miktarda çözünen madde çözebileceğimiz, ortamdaki sıcaklık ve basınç değişmediği sürece sabit kalıyor. Sıcaklık ya da basınca değişiklik gösterdiğinde ise, çözeltilerin çözebilme kapasiteleri de (genellikle) artan sıcaklık ve basınçla artacak şekilde değişiklik gösteriyor.

Çözelti içinde çözünmüş madde miktarına göre çözeltileri üç ana gruba ayırıyoruz.

1. Doymamış çözelti:

Bir çözeltinini doymamış olması, çözeltinin (belli bir sıcaklık ve basınç altında) çözebileceği en fazla miktardan daha az çözünen madde içerdiğini gösteriyor. Doymamış çözeltiler de kendi içlerinde, yine çözelti içinde çözünen madde miktarına bağlı olarak ikiye ayrılıyor. Eğer çözelti içindeki çözünen madde miktarı çok çok az ise bu çözeltilere seyreltik, eğer çok fazla ama yine de doyma sınırının altında ise derişik çözelti adını veriyoruz.

2. Doymuş çözelti:

Bir çözeltinin doymuş olması, çözeltinin (belli bir sıcaklık ve basınç altında) çözebileceği en fazla miktarda çözünen madde içerdiğini gösteriyor. Belli bir sıcaklık ve basınç altındaki doymuş bir çözeltinin sıcaklığını arttırarak, doymamış çözelti haline gelmesini sağlayabiliyoruz.

3. Aşırı doymuş çözelti:

Bir çözeltinin doymuş olması, çözeltinin (belli bir sıcaklık ve basınç altında) çözebileceği en fazla miktardan daha fazla çözünen madde içerdiğini gösteriyor. Tahmin edebileceğiniz gibi bu tür çözeltiler son derece kararsız bir durumda bulunuyorlar. Bu nedenle belli bir süre bekletildiklerinde, ya da sıcaklık bir miktar arttırıldığında, fazladan çözünen miktarını bırakarak doymuş çözelti durumuna geçebiliyorlar.

Çözeltiler daima sıvı fazda değil, gaz ya da katı fazda da ortaya çıkabiliyorlar. Gaz fazındaki çözeltilere örnek olarak azot, oksijen ve az miktardaki diğer gazların karışımıyla oluşan soluduğumuz havayı gösterebiliriz.

İki ya da daha fazla sayıda farklı elementin atomları katı fazda homojen bir karışım oluşturduklarında, oluşan karışıma katı çözelti (İngilizce: solid solution) adını veriyoruz. Önceki konu başlığında bahsetmiştik: bileşikler oluşturken, hatırlarsanız, iki elementin atomları bileşiğe has bir kristal yapı içerisinde düzenleniyordu. Katı çözeltileri bileşiklerden ayıran en temel özellik, çözen fazın kristal yapısının çözünen elementlerin eklenmesiyle değişmiyor olması. Çözen fazın kristal yapısının değişmemesi, çözünen elementin atomlarının kristal yapı içerisinde boş buldukları yerlere konumlanmalarını gerektiriyor. Dolayısıyla, çözünen elementin atomları ya kristal yapıdaki kafes noktalarına yeralan atom olarak, ya da yapı içindeki boşluklara arayer atomu olarak yerleşiyorlar. Bu iki farklı katı çözelti türüne biraz daha yakından bakalım.

(a) Yeralan katı çözelti:

Bu tür katı çözeltilerde, adından da tahmin edebileceğiniz üzere, çözünen elementin atomları çözen fazın kristal yapısındaki boş kafes noktalarına yerleşiyorlar. Örnek olarak bakır (Cu) nikel (Ni) ile alaşımlandığında Ni atomları, Cu’nun yüzey merkezli kübik kristal yapısını etkilemeden, boş buldukları kafes noktalarına yeralan atomu olarak konumlanıyorlar.

Bu tür bir katı çözeltinin oluşabilmesi için bazı koşulların sağlanması gerekiyor. İlk olarak, bir elementin başka bir element içinde bu şekilde çözünebilmesi için iki elementin benzer kristal yapılara sahip olmaları gerekiyor. Aynı zamanda her iki elementin atomlarının da benzer büyüklükte olması gerekiyor. İki elementin atomlarının yarıçapları arasındaki fark arttıkça, çözen fazın kristal yapısının belli bir miktar esnemesi gerekeceği için, çözünebilecek element miktarı da kısıtlanmak durumunda kalıyor. İki element arasında çok fazla bir elektronegativite farkının da olmaması gerekiyor. Eğer iki element arasındaki elektronegativite farkı yüksekse, yani periyodik cetvelde zıt kenarlara yakın bulunuyorlarsa, bileşik oluşturma eğilimleri artıyor.

(b) Arayer katı çözelti:

Bu tür katı çözeltilerde, çözünen elementin atomları çözen fazın kristal yapısı içindeki arayerlere yerleşiyorlar. Dolayısıyla, çözünen elementin atomlarının çözen fazın atomlarına kıyasla çok daha küçük olması gerekiyor. Bu nedenle bu tür katı çözeltiler sadece karbon, nitrojen, hidrojen, oksijen ve boron gibi, küçük atomlara sahip elementlerin çözünmesiyle elde edilebiliyorlar.


Devamı: