液體金屬溶液
正文
兩種或兩種以上金屬混合成的單相均勻液體，其組成是可以連續變化的，也稱液態合金。其中含量較少的一種成分不一定是金屬。例如，鋼液就是在大量鐵中含有少量碳。溶液的組成可以連續變化，是溶液區別於化合物的重要標誌。表示組成變化的數值是濃度，它是個重要參數，往往決定溶液的性能。液體金屬溶液本身用處很少，只有當它凝結成為固態合金時，才成為重要材料。例如，煉鋼時若把鐵水中的碳幾乎全部脫去，再加入約18％鉻、8％鎳、2％錳及其他微量元素，就成為重要的不鏽鋼。由此可見，大量金屬製品的生產是從液體金屬溶液開始的。
幾千年前人類已經掌握了製造青銅（銅錫合金）和黃銅（銅鋅合金）的技術，但高純度銅的提取技術直到20世紀才解決。由此可見，液體金屬溶液的生產和套用要比純金屬早得多。
對液體金屬溶液的研究還很不充分。這是因為研究液體金屬溶液需要高溫條件，物體又處於流動狀態，不易觀察。因此，液體金屬溶液的研究遠不及固體合金深入，有關液體金屬溶液的不少理論尚處於假設階段。
性質 蒸氣壓 以含 40％鋅和 60％銅的銅鋅合金（黃銅）為例，鋅易於揮發，純鋅的沸點為 1179K；在 1179K時，黃銅溶液中的鋅也揮發。如果銅鋅合金溶液是理想溶液，則鋅的蒸氣壓應該與黃銅中鋅的濃度成正比，此時鋅的蒸氣壓本來應該按鋅在黃銅中的原子百分比等比例地降到 39863.4帕。實驗測定，鋅的蒸氣壓只有26664.5帕，所以應該用活度(a)代替濃度：
Pb（液）｜PbCl2-KCl-LiCl｜Pb-Bi（合金溶液）
如果在700K時，鉛與鉛鉍合金都是液態，將鉑絲插入金屬或合金電極中,可以測得此電池的電動勢E，並由此確定液態金屬溶液的重要熱力學性質。體積 液體金屬溶液的體積包含兩種不同性質的問題：①由固體熔化成為液體時，一般都伴隨著熔化過程發生體積膨脹現象，但是體積膨脹只有原體積的 2％～3％，最高也不超過6％。這是固體和液體的體積差別問題。②二元體系合金的體積本來應該等於兩個成分單獨體積的和,但是事實上兩種成分組成溶液時,原子在液態合金中的分布與原來的液態金屬原子分布情況不同，導致體積發生變化。當兩種金屬完全互溶，沒有形成化合物和互相排斥的傾向時，原子在液體合金中的分布是隨機的。例如,鈦鋁液態合金中異種原子間距離sAl-Ti接近於同種原子距離sTi-Ti與sAl-Al的平均值，這種合金體積變化不大。當兩種金屬原子之間有形成化合物傾向時,原子分布不再是隨機的，而是反映出相互接近的趨勢，表現在體積上，就是液體合金的體積小於兩種液體金屬體積的和。
粘度 液體金屬的粘度反映金屬原子層與層之間的距離和作用力。當原子層間距離小和作用力大時，則液體粘度大；反之，當金屬原子層與層之間疏鬆時，則粘度小。若在液體合金中加入了高熔點金屬成分，則粘度總是增大；若兩種金屬在一定組成下形成共晶，則粘度突然下降，這可以看作是兩種原子間斥力增大，有利於質點遷移運動。若兩種金屬原子有形成化合物的趨勢時，則原子間吸引力增加，不利於質點遷移，粘度上升。
表面張力 純金屬液體在一定溫度下具有一定的表面張力。若溶入另一種金屬原子溶質而使原來液體表面張力下降時，則溶質原子在表面層的濃度就大於其液相中的濃度。這種溶質稱為表面活性物質。
結構學說 迄今為止，液體金屬溶液的結構還沒有固定的模型，每種學說都能解釋幾項溶液性質和現象。
空位說 認為液體合金應該按照固態合金的結構，每個原子本來都應排列在晶體點陣的一定平衡位置上。但即使是結晶狀態，在點陣的平衡位置也有缺空的現象，即存在空位。當溫度升高時，空位增多，空位數量增加到一定程度時，晶體點陣不再維持原狀，原子脫離了平衡位置，這就是熔化的開始。熔化過程中雖然溫度不升高，但仍需要熔化熱。空位說認為這是為提供增加空位所需的能量。這種學說初步解釋了固體與液體的區別和熔化過程。
空穴說 認為液體金屬溶液內部存在空穴（或稱孔穴）。空穴說與空位說不同，認為液體內部排列沒有秩序，無所謂平衡位置。因而也就不存在空位的概念。空穴是金屬原子與原子之間的裂口，空穴大小相仿，但形狀和位置可任意改變。當液體內部的氣泡恰好與空穴結合在一起時，液體原子可能隨氣泡上浮，逸出液面而蒸發。
空穴說認為由固體熔化成液體時，體積增加最大不超過6％,但是體積的增加並不平均分配於增大原子與原子的距離。液體內部近鄰原子間距離與固體比較，差別並不大，有時甚至不變。故空穴說認為所增加的體積是由於液體金屬溶液內部出現空穴，或增多了空穴。套用這種理論計算液體金屬溶液中某些金屬原子的擴散是成功的。
自由體積說 X射線與中子衍射實驗都證明了,液體金屬內部質點的排列雖然比不上固態那么整齊有序，但至少在近程內是有序的。每個原子都處在它的近鄰原子所組成的配位圈內。這個配位圈猶如一隻籠子，被稱為一個胞腔，原子在此胞腔之內自由運動。兩相鄰原子之間平均距離是a，原子直徑為d時，中心原子的自由運動距離為r：
r＝a-d
假定自由運動的液體體積為球狀，則其體積為：
隧道說 把原子看作一系列空心小圓球，用一根線串聯起來,球可以沿線滑動,每個小球占據一個位置，小球本身是剛體，兩球之間距離不得小於其直徑，這是一維剛性球體模型。液體不可能是一維的，如果一串小球是沿x方向排列的，則將一串串小球在y方向緊密疊加起來，使這些小球串的端點形成二維密堆積結構（見圖）。
如果在每個小球周圍看作有六個小球包圍，不如說有六串小球串包圍，當中心小球在垂直紙面的線上滑動時，則旁邊的六個小球串形成隧道的壁。因此，球的滑動是在隧道內滑動，即中心原子在一個六角形對稱的隧道內滑動。小球有兩種運動方式：一種是沿球軸線方向滑動；另一種是垂直於軸線的微小振動。用這種理論算出的液體金屬溶液的某些熱力學函式值接近於實驗值。