Solução sólida - Solid solution

Uma solução sólida descreve uma família de materiais que possuem uma variedade de composições (por exemplo, A _x B _{1 − x} ) e uma única estrutura de cristal . Muitos exemplos podem ser encontrados em metalurgia , geologia e química do estado sólido . A palavra "solução" é usada para descrever a mistura íntima de componentes no nível atômico e distingue esses materiais homogêneos das misturas físicas de componentes.

Em geral, se dois compostos são isoestruturais, então uma solução sólida existirá entre os membros finais (também conhecidos como pais). Por exemplo, cloreto de sódio e cloreto de potássio têm a mesma estrutura cristalina cúbica, então é possível fazer um composto puro com qualquer proporção de sódio para potássio (Na _1-x K _x ) Cl, dissolvendo essa proporção de NaCl e KCl em água e então evaporando a solução. Um membro desta família é vendido sob a marca Lo Salt, que é (Na _0,33 K _0,66 ) Cl, por isso contém 66% menos sódio do que o sal de mesa normal (NaCl). Os minerais puros são chamados de halita e silvita , uma mistura física dos dois é chamada de silvinita .

Como os minerais são materiais naturais, eles estão sujeitos a grandes variações de composição. Em muitos casos, os espécimes são membros de uma família de solução sólida e os geólogos acham mais útil discutir a composição da família do que um espécime individual. A olivina é descrita pela fórmula (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ , que é equivalente a (Mg _{1 − x} Fe _x ) ₂ SiO ₄ . A proporção de magnésio para ferro varia entre os dois membros finais da série de solução sólida: forsterita (membro final de Mg: Mg ₂ SiO ₄ ) e fayalita (membro final de Fe: Fe ₂ SiO ₄ ), mas a proporção em olivina não é normalmente definida. Com composições cada vez mais complexas, a notação geológica se torna significativamente mais fácil de gerenciar do que a notação química.

Diagramas de fase

Fig. 1 Um diagrama de fase binário exibindo soluções sólidas em toda a faixa de concentrações relativas.

Em um diagrama de fase, uma solução sólida é representada por uma área, geralmente rotulada com o tipo de estrutura, que cobre as faixas de composição e temperatura / pressão. Onde os membros finais não são isoestruturais, é provável que haja duas faixas de solução sólida com estruturas diferentes ditadas pelos pais. Neste caso, as faixas podem se sobrepor e os materiais nesta região podem ter qualquer estrutura, ou pode haver uma lacuna de miscibilidade no estado sólido indicando que tentativas de gerar materiais com esta composição resultarão em misturas. Em áreas em um diagrama de fase que não são cobertas por uma solução sólida, pode haver fases lineares, estas são compostos com uma estrutura cristalina conhecida e estequiometria definida. Onde a fase cristalina consiste em duas moléculas orgânicas (não carregadas), a fase de linha é comumente conhecida como um cocristal . Em ligas metalúrgicas com uma composição definida são referidas como compostos intermetálicos . É provável que exista uma solução sólida quando os dois elementos (geralmente metais ) envolvidos estão próximos na tabela periódica , um composto intermetálico geralmente resulta quando dois metais envolvidos não estão próximos um do outro na tabela periódica.

Detalhes

O soluto pode ser incorporado na rede de cristal do solvente de forma substitutiva , substituindo uma partícula de solvente na rede, ou intersticialmente , por encaixe no espaço entre as partículas de solvente. Ambos os tipos de solução sólida afetam as propriedades do material, distorcendo a estrutura cristalina e interrompendo a homogeneidade física e elétrica do material solvente. Onde o raio atômico do átomo de soluto é maior do que o átomo de solvente, ele substitui a estrutura do cristal ( célula unitária ), muitas vezes se expande para acomodá-lo, isso significa que a composição de um material em uma solução sólida pode ser calculada a partir do volume da célula unitária a relação conhecida como lei de Vegard .

Algumas misturas formarão prontamente soluções sólidas em uma faixa de concentrações, enquanto outras misturas não formarão absolutamente soluções sólidas. A propensão para quaisquer duas substâncias formarem uma solução sólida é uma questão complicada que envolve as propriedades químicas , cristalográficas e quânticas das substâncias em questão. Soluções sólidas de substituição, de acordo com as regras de Hume-Rothery , podem se formar se o soluto e o solvente tiverem:

• Raios atômicos semelhantes (15% ou menos diferença)
• Mesma estrutura cristalina
• Similar eletronegatividades
• Valência semelhante

uma solução sólida se mistura com outras para formar uma nova solução

O diagrama de fase na Fig. 1 exibe uma liga de dois metais que forma uma solução sólida em todas as concentrações relativas das duas espécies. Nesse caso, a fase pura de cada elemento é da mesma estrutura cristalina e as propriedades semelhantes dos dois elementos permitem uma substituição imparcial em toda a faixa de concentrações relativas.

As soluções sólidas têm importantes aplicações comerciais e industriais, visto que essas misturas costumam ter propriedades superiores aos materiais puros. Muitas ligas metálicas são soluções sólidas. Mesmo pequenas quantidades de soluto podem afetar as propriedades elétricas e físicas do solvente.

Fig. 2 Este diagrama de fase binário mostra duas soluções sólidas: e .${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ beta}$

O diagrama de fase binário na Fig. 2 mostra as fases de uma mistura de duas substâncias em concentrações variáveis, e . A região marcada com " " é uma solução sólida, agindo como o soluto em uma matriz de . Na outra extremidade da escala de concentração, a região marcada como " " também é uma solução sólida, agindo como o soluto em uma matriz de . A grande região sólida entre as soluções e as soluções sólidas, rotulada " + ", não é uma solução sólida. Em vez disso, um exame da microestrutura de uma mistura nesta faixa revelaria duas fases - solução sólida - em - e solução sólida - em - formaria fases separadas, talvez lamelas ou grãos . ${\ 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}$

Aplicativo

No diagrama de fase, em três concentrações diferentes, o material será sólido até que seja aquecido até seu ponto de fusão e então (após adicionar o calor de fusão ) se tornará líquido à mesma temperatura:

• a extrema esquerda imaculada
• a extrema direita imaculada
• o mergulho no centro (a composição eutética ).

Em outras proporções, o material entrará na fase mole ou pastosa até que se aqueça e derreta completamente.

A mistura no ponto de mergulho do diagrama é chamada de liga eutética . As misturas de chumbo-estanho formuladas nesse ponto (mistura 37/63) são úteis ao soldar componentes eletrônicos, principalmente se feito manualmente, uma vez que a fase sólida é rapidamente inserida à medida que a solda esfria. Em contraste, quando misturas de chumbo-estanho foram usadas para soldar costuras em carrocerias de automóveis, um estado pastoso permitiu que uma forma fosse formada com uma pá ou ferramenta de madeira, então uma proporção de chumbo para estanho de 70-30 foi usada. (O chumbo está sendo removido de tais aplicações devido à sua toxicidade e consequente dificuldade em reciclar dispositivos e componentes que incluem chumbo.)

Exsolution

Quando uma solução sólida se torna instável - devido a uma temperatura mais baixa, por exemplo - ocorre a exsolução e as duas fases se separam em lamelas microscópicas distintas a megascópicas . Isso é causado principalmente pela diferença no tamanho do cátion. Os cátions que têm uma grande diferença de raios não são susceptíveis de serem substituídos prontamente.

Pegue os minerais de feldspato alcalino, por exemplo, cujos membros finais são albita , NaAlSi ₃ O ₈ e microclina , KAlSi ₃ O ₈ . Em altas temperaturas, Na ⁺ e K ⁺ substituem prontamente um pelo outro e assim os minerais formarão uma solução sólida, mas em baixas temperaturas a albita pode substituir apenas uma pequena quantidade de K ⁺ e o mesmo se aplica ao Na ⁺ na microclina. Isso leva à extinção, onde eles se separarão em duas fases distintas. No caso dos minerais de feldspato alcalino, camadas finas de albita branca irão alternar entre microclina tipicamente rosa, resultando em uma textura de perthita .

Veja também

• Fortalecimento de solução sólida

Referências

links externos

• Pacote de Ensino e Aprendizagem DoITPoMS - "Soluções Sólidas"