สารละลายของแข็ง ซึ่งเป็นคำที่ใช้กันทั่วไปสำหรับโลหะ คือส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของสารประกอบสองชนิดในสถานะของแข็งและมีโครงสร้างผลึกเดี่ยว[ 1 ^{]ตัวอย่างมากมาย}สามารถพบได้ในโลหะวิทยาธรณีวิทยาและเคมีของแข็งคำว่า "สารละลาย" ใช้เพื่ออธิบายการผสมอย่างใกล้ชิดของส่วนประกอบในระดับอะตอมและแยกความแตกต่างระหว่างวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน เหล่านี้กับ ส่วนผสม ทางกายภาพ ของส่วนประกอบ คำศัพท์หลักสองคำที่เกี่ยวข้องกับสารละลายของแข็ง ได้แก่ตัวทำละลายและตัวถูกละลายขึ้นอยู่กับความอุดมสมบูรณ์สัมพัทธ์ของชนิดอะตอม

ตัวละลายอาจรวมเข้ากับโครงผลึกของ ตัวทำละลาย โดยการแทนที่อนุภาคตัวทำละลายในโครงผลึก หรือ โดย การแทรกเข้าไปในช่องว่างระหว่างอนุภาคตัวทำละลาย^{[ 2 ]}

สารละลายของแข็งประกอบด้วยสัดส่วนของไอออนที่เป็นส่วนประกอบอย่างน้อยหนึ่งชนิดระหว่างสารบริสุทธิ์ที่มีโครงสร้างเหมือนกัน ซึ่งเรียกว่าสมาชิกปลายทางหรือสารตั้งต้น ตัวอย่างเช่น สารประกอบตั้งต้นโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) และโพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) มีโครงสร้างผลึกทรงลูกบาศก์เหมือนกัน ดังนั้นจึงสามารถสร้างสารละลายของแข็งที่มีอัตราส่วนของโซเดียมต่อโพแทสเซียม (Na _1-x K _x )Cl ได้ทุกอัตราส่วน เช่น โดยการละลาย NaCl และ KCl ในอัตราส่วนนั้นในน้ำ แล้วกำจัดน้ำออกโดยการระเหย

ตัวอย่างของสารละลายของแข็งในกลุ่มนี้จำหน่ายภายใต้ชื่อแบรนด์Lo Saltซึ่งมีสูตรเคมีคือ (Na _0.33 K _0.66 )Cl ดังนั้นจึงมีโซเดียมน้อยกว่า NaCl บริสุทธิ์ถึง 66% ^{[ 3 ]}ในทำนองเดียวกันเกลือไอโอดีนมักประกอบด้วยโพแทสเซียมไอโอไดด์ (KI) ประมาณ 50-100 ppm ละลายในตัวทำละลาย NaCl ในทางตรงกันข้าม ตัวอย่างของสารผสม ทางกายภาพ คือแร่ซิล วินิต ซึ่งประกอบด้วย NaCl และ KCl ขนาดใหญ่แยกกัน จึงไม่เป็นเนื้อเดียวกันและไม่ใช่สารละลายของแข็ง

เนื่องจากแร่ธาตุเป็นวัสดุธรรมชาติ จึงมีแนวโน้มที่จะมีความแปรผันขององค์ประกอบสูง ในหลายกรณี ตัวอย่างเป็นสมาชิกของกลุ่มสารละลายของแข็ง และนักธรณีวิทยาพบว่าการอธิบายองค์ประกอบของกลุ่มนั้นมีประโยชน์มากกว่าการอธิบายตัวอย่างแต่ละชิ้นโอลิวีนอธิบายได้ด้วยสูตร (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ซึ่งเทียบเท่ากับ (Mg _1−x Fe _x ) ₂ SiO ₄อัตราส่วนของแมกนีเซียมต่อเหล็กจะแตกต่างกันระหว่างสมาชิกปลายทั้งสองของกลุ่มสารละลายของแข็ง ได้แก่ ฟอร์สเตอไรต์ (สมาชิกปลาย Mg: Mg ₂ SiO ₄ ) และฟาไลต์ (สมาชิกปลาย Fe: Fe ₂ SiO ₄ ) ^{[ 4 ]}แต่อัตราส่วนในโอลิวีนนั้นโดยปกติแล้วไม่ได้กำหนดไว้ ด้วยองค์ประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้นเรื่อยๆ การใช้สัญลักษณ์ทางธรณีวิทยาจึงจัดการได้ง่ายกว่าการใช้สัญลักษณ์ทางเคมีอย่างมาก

นิยามของสารละลายของแข็งตาม IUPACคือ "ของแข็งที่ส่วนประกอบเข้ากันได้และก่อตัวเป็นเฟสเดียว" ^{[ 5 ]}

คำจำกัดความ "ผลึกที่มีส่วนประกอบที่สองซึ่งเข้ากันและกระจายอยู่ในแลตติสของผลึกโฮสต์" ที่ระบุไว้ในเอกสารอ้างอิง^{[ 6 ] [ 7 ]}ไม่ใช่คำจำกัดความทั่วไป ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ใช้

สำนวนนี้ใช้เพื่ออธิบายสถานะของแข็งที่มีสารมากกว่าหนึ่งชนิด โดยเพื่อความสะดวก สารหนึ่ง (หรือมากกว่านั้น) ซึ่งเรียกว่าตัวทำละลาย จะถูกพิจารณาแตกต่างจากสารอื่นๆ ซึ่งเรียกว่าตัวถูกละลาย

ส่วนประกอบหนึ่งหรือหลายส่วนอาจเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ส่วนประกอบอื่นๆ บางส่วนอาจทำหน้าที่เป็นสารเพิ่มความยืดหยุ่น กล่าวคือ เป็นสารที่กระจายตัวในระดับโมเลกุลซึ่งช่วยลดอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลว (glass-transition temperature) ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่เฟสอสัณฐานของพอลิเมอร์เปลี่ยนสถานะระหว่างสถานะของแข็งและสถานะยาง

ในการ เตรียม ยา แนวคิดเรื่องสารละลายของแข็งมักถูกนำมาใช้ในกรณีของส่วนผสมระหว่างยาและโพลิเมอร์

จำนวนโมเลกุลยาที่ทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย (พลาสติไซเซอร์) ของพอลิเมอร์นั้นมีน้อย^{[ 5 ]}

ในแผนภาพเฟสสารละลายของแข็งจะแสดงด้วยพื้นที่ ซึ่งมักจะมีป้ายกำกับประเภทโครงสร้าง ครอบคลุมช่วงองค์ประกอบและช่วงอุณหภูมิ/ความดัน ในกรณีที่สมาชิกปลายสุดไม่ใช่โครงสร้างเดียวกัน อาจมีช่วงสารละลายของแข็งสองช่วงที่มีโครงสร้างต่างกันซึ่งกำหนดโดยสารตั้งต้น ในกรณีนี้ ช่วงอาจทับซ้อนกัน และวัสดุในบริเวณนี้อาจมีโครงสร้างใดโครงสร้างหนึ่ง หรืออาจมีช่องว่างการผสมในสถานะของแข็ง ซึ่งบ่งชี้ว่าความพยายามในการสร้างวัสดุที่มีองค์ประกอบนี้จะส่งผลให้เกิดสารผสม ในบริเวณบนแผนภาพเฟสที่ไม่ได้ครอบคลุมโดยสารละลายของแข็ง อาจมีเฟสเส้น ซึ่งเป็นสารประกอบที่มีโครงสร้างผลึกที่ทราบและสัดส่วนทางเคมีที่กำหนดไว้ ในกรณีที่เฟสผลึกประกอบด้วยโมเลกุลอินทรีย์สองโมเลกุล (ที่ไม่ประจุ) เฟสเส้นนั้นมักเรียกว่าโคคริสตัลในโลหะวิทยา โลหะผสมที่มีองค์ประกอบที่กำหนดไว้เรียกว่าสารประกอบระหว่างโลหะสารละลายของแข็งมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นเมื่อธาตุทั้งสอง (โดยทั่วไปคือโลหะ ) ที่เกี่ยวข้องอยู่ใกล้กันในตารางธาตุสารประกอบระหว่างโลหะมักจะเกิดขึ้นเมื่อโลหะสองชนิดที่เกี่ยวข้องไม่ได้อยู่ใกล้กันในตารางธาตุ^{[ 8 ]}

ตัวถูกละลายอาจรวมเข้ากับโครงผลึกของตัว ทำละลาย โดยการแทนที่อนุภาคตัวทำละลายในโครงผลึก หรือ โดย การแทรกเข้าไปในช่องว่างระหว่างอนุภาคตัวทำละลาย สารละลายของแข็งทั้งสองประเภทนี้ส่งผลต่อคุณสมบัติของวัสดุโดยการบิดเบือนโครงผลึกและรบกวนความเป็นเนื้อเดียวกันทางกายภาพและทางไฟฟ้าของวัสดุตัวทำละลาย^{[ 9 ]}เมื่อรัศมีอะตอมของอะตอมตัวถูกละลายมีขนาดใหญ่กว่ารัศมีอะตอมของตัวทำละลายที่มันแทนที่ในโครงสร้างผลึก เซลล์หน่วยโดยทั่วไปจะขยายตัวเพื่อรองรับอะตอมที่ใหญ่กว่า ในกรณีนี้ องค์ประกอบของสารละลายของแข็งสามารถคำนวณได้จากปริมาตรของเซลล์หน่วยโดยใช้ความสัมพันธ์ที่เรียกว่า กฎ ของVegard ^{[ 10 ]}

สารผสมบางชนิดจะเกิดเป็นสารละลายของแข็งได้ง่ายในช่วงความเข้มข้นหนึ่ง ในขณะที่สารผสมบางชนิดจะไม่เกิดเป็นสารละลายของแข็งเลย แนวโน้มที่สารสองชนิดใดๆ จะเกิดเป็นสารละลายของแข็งนั้นเป็นเรื่องซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับ คุณสมบัติ ทางเคมีผลึกศาสตร์และควอนตัมของสารเหล่านั้น สารละลายของแข็งแบบแทนที่ ตามกฎของฮิวจ์-โรเธอรีอาจเกิดขึ้นได้หากตัวถูกละลายและตัวทำละลายมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• รัศมีอะตอมใกล้เคียงกัน(ความแตกต่างไม่เกิน 15%)
• โครงสร้างผลึกเดียวกัน
• ค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีที่คล้ายคลึงกัน
• วาเลนซีที่คล้ายกัน

สารละลายที่เป็นของแข็งสามารถผสมกับสารละลายอื่น ๆ เพื่อก่อให้เกิดสารละลายใหม่ได้

แผนภาพเฟสไบนารีที่แสดงด้านบนแสดงโลหะผสมของโลหะสองชนิดซึ่งก่อตัวเป็นสารละลายของแข็งที่ความเข้มข้น สัมพัทธ์ทั้งหมด ของทั้งสองชนิด ในกรณีนี้ เฟสบริสุทธิ์ของแต่ละธาตุจะมีโครงสร้างผลึกเดียวกัน และคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกันของธาตุทั้งสองทำให้สามารถแทนที่ได้อย่างไม่มีอคติตลอดช่วงความเข้มข้นสัมพัทธ์ทั้งหมด สารละลายของแข็งของระบบเสมือนไบนารีในระบบที่ซับซ้อนที่มีส่วนประกอบสามอย่างขึ้นไปอาจต้องใช้การแสดงแผนภาพเฟสที่ซับซ้อนมากขึ้น โดยมี เส้นโค้ง โซลวัส มากกว่าหนึ่ง เส้นที่วาดขึ้นตามสภาวะสมดุลทางเคมีที่แตกต่างกัน^{[ 11 ]}

สารละลายของแข็งมีประโยชน์อย่างมากในเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรม เนื่องจากสารผสมดังกล่าว มักมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าสารบริสุทธิ์ที่เป็นส่วนประกอบ โลหะผสมหลายชนิดเป็นสารละลายของแข็ง แม้แต่ปริมาณตัวละลายเพียงเล็กน้อยก็สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกายภาพของตัวทำละลายได้

แผนภาพเฟสแบบไบนารีในแผนภาพด้านบนแสดงเฟสของสารผสมสองชนิดที่มีความเข้มข้นต่างกัน คือและบริเวณที่ระบุว่า " " คือสารละลายของแข็ง โดยมีทำหน้าที่เป็นตัวละลายในเมทริกซ์ของในอีกด้านหนึ่งของช่วงความเข้มข้น บริเวณที่ระบุว่า " " ก็เป็นสารละลายของแข็งเช่นกัน โดยมีทำหน้าที่เป็นตัวละลายในเมทริกซ์ของบริเวณของแข็งขนาดใหญ่ระหว่าง สารละลายของแข็ง และที่ระบุว่า " + " ไม่ใช่สารละลายของแข็ง แต่การตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของสารผสมในช่วงนี้จะเผยให้เห็นสองเฟส คือ สารละลายของแข็งในและสารละลายของแข็งใน จะก่อตัว เป็น เฟสแยกกัน อาจเป็นแผ่นบางหรือเม็ด${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle B}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle B}$${\displaystyle A}$

ในแผนภาพเฟส ที่ความเข้มข้นสามระดับที่แตกต่างกัน วัสดุจะอยู่ในสถานะของแข็งจนกว่าจะได้รับความร้อนถึงจุดหลอมเหลว จาก นั้น (หลังจากรวมความร้อนของการหลอมเหลวแล้ว ) จะกลายเป็นของเหลวที่อุณหภูมิเดียวกันนั้น:

• ฝ่ายซ้ายสุดขั้วที่ไม่เจือปน
• ฝ่ายขวาสุดโต่งที่ไม่เจือปน
• จุดต่ำสุดตรงกลาง ( องค์ประกอบ ยูเทคติก )

ในสัดส่วนอื่นๆ วัสดุจะเข้าสู่สถานะเหลวหรือเป็นเนื้อเหนียวจนกว่าจะอุ่นขึ้นและละลายหมด

ส่วนผสมที่จุดต่ำสุดของแผนภาพเรียกว่า โลหะผสม ยูเทคติก ส่วนผสมตะกั่ว-ดีบุกที่ผสม ณ จุดนั้น (ส่วนผสม 37/63) มีประโยชน์เมื่อบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากทำด้วยมือ เนื่องจากเฟสของแข็งจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อตะกั่วเย็นตัวลง ในทางตรงกันข้าม เมื่อใช้ส่วนผสมตะกั่ว-ดีบุกในการบัดกรีรอยต่อในตัวถังรถยนต์ สถานะที่เป็นเนื้อเหนียวทำให้สามารถขึ้นรูปได้ด้วยไม้พายหรือเครื่องมือไม้ ดังนั้นจึงใช้อัตราส่วนตะกั่วต่อดีบุก 70:30 (ปัจจุบันมีการนำตะกั่วออกจากงานประเภทนี้เนื่องจากความเป็นพิษและความยากลำบากในการรีไซเคิลอุปกรณ์และชิ้นส่วนที่มีตะกั่ว)

เมื่อสารละลายของแข็งไม่เสถียร—เนื่องจากอุณหภูมิต่ำลง เช่น—การแยกตัวจะเกิดขึ้นและเฟสทั้งสองจะแยกออกจากกันเป็นแผ่นบางๆ ที่แตกต่างกันตั้งแต่ระดับจุลภาคไปจนถึงระดับ มหภาค สาเหตุหลักมาจากความแตกต่างของขนาดแคตไอออน แคตไอออนที่มีรัศมีแตกต่างกันมากไม่น่าจะสามารถแทนที่กันได้ง่าย^{[ 12 ]}

ตัวอย่างเช่นแร่เฟลด์สปาร์ อัลคาไล มี สมาชิกปลายทางคืออัลไบต์ NaAlSi ₃ O ₈และไมโครไคลน์ KAlSi ₃ O ₈ที่อุณหภูมิสูง Na ⁺และ K ^{+ สามารถแทนที่กันได้ง่าย ดังนั้นแร่เหล่านี้จะก่อตัวเป็นสารละลายของแข็ง แต่ที่อุณหภูมิต่ำ อัลไบต์สามารถแทนที่ K +}ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้นและเช่นเดียวกันสำหรับ Na ⁺ในไมโครไคลน์ สิ่งนี้นำไปสู่การแยกตัวซึ่งพวกมันจะแยกออกเป็นสองเฟสที่แยกจากกัน ในกรณีของแร่เฟลด์สปาร์อัลคาไล ชั้นอัลไบต์สีขาวบางๆ จะสลับกับไมโครไคลน์สีชมพูโดยทั่วไป^{[ 12 ]}ส่งผลให้เกิดเนื้อ สัมผัสแบบเพอร์ไทต์

• การเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็ง

• ชุดสื่อการสอนและการเรียนรู้ DoITPoMS — "โซลูชันที่แข็งแกร่ง"