Festkörperlösung

Eine Festkörperlösung ist ein homogener Festkörper, in dem Atome eines Lösungsmittels in das Kristallgitter eines anderen Stoffes eingehen und so eine einheitliche Zusammensetzung über das Material hinweg bilden. Sie kann substitutional oder interstitiell sein. Bei substitutionalen Festkörperlösungen ersetzen Solute-Atome Gitteratome des Lösungsmittels, beispielsweise Kupfer in Kupfer-Zink-Legierungen (Messing). In interstitiellen Festkörperlösungen füllen kleine Atome Zwischenräume des Gitters aus, etwa Kohlenstoff in Eisen zu Stahl.

Die Löslichkeit hängt von strukturellen und chemischen Kriterien ab. Bevorzugt bilden sich Festkörperlösungen, wenn beide Phasen dieselbe Kristallstruktur besitzen, die Elektronegativität ähnlich ist und die Atomradien sich in einem begrenzten Bereich unterscheiden (in metallischen Systemen oft bis ca. 15 %). Die Veränderung der Gitterparameter folgt oft dem Vegardschen Gesetz, das eine lineare Änderung der Gitterkonstante mit der Zusammensetzung annimmt. Viele Systeme weisen begrenzte Löslichkeit auf, was zu zwei Phasen führt; das Phasendiagramm besitzt eine Solvus-Linie, unterhalb derer zwei Phasen stabil sind, oberhalb davon kann eine vollständige Lösung vorliegen.

Anwendungen finden sich in Legierungen, mit gezielt gesteuerten mechanischen oder elektrischen Eigenschaften. Beispiele: Cu-Zn-Messing, Fe-C-Systeme (Kohlenstoff in Eisen als Stahl), sowie keramische Festkörperlösungen wie ZrO2-Y2O3 zur Phasenstabilisierung.

Thermodynamisch ergibt sich die Stabilität einer Festkörperlösung aus der Gibbs freien Energie der Mischung ΔG_mix = ΔH_mix − T ΔS_mix; ihr Vorzeichen bestimmt, ob eine Mischlösung entsteht oder Phasen trennen.