Solución sólida

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Las soluciones sólidas  son fases de composición variable en las que los átomos de varios elementos se encuentran en una red cristalina común .

Clasificación

Pueden estar desordenados (con una disposición aleatoria de átomos), parcial o completamente ordenados. El orden se determina experimentalmente principalmente por análisis estructural de rayos X.

La capacidad de formar soluciones sólidas es inherente a todos los sólidos cristalinos . En la mayoría de los casos, está limitado por límites de concentración estrechos, pero se conocen sistemas con una serie continua de soluciones sólidas (por ejemplo, Cu - Au , Ti - Zr , Ga As - Ga P ). Esencialmente, todas las sustancias cristalinas que se consideran puras son soluciones sólidas con una cantidad muy pequeña de impurezas.

Hay tres tipos de soluciones sólidas:

De acuerdo con las reglas semiempíricas de Hume-Rothery [1] , una serie continua de soluciones sólidas de sustitución en sistemas metálicos está formada solo por aquellos elementos que, en primer lugar, tienen radios atómicos de tamaño cercano (que no difieren en más del 15%) y, en segundo lugar, no están muy separados en la serie electroquímica de voltajes . En este caso, los elementos deben tener el mismo tipo de red cristalina. En soluciones sólidas basadas en semiconductores y dieléctricos, debido a redes cristalinas más "sueltas", es posible la formación de soluciones sólidas de sustitución incluso con una mayor diferencia en los radios atómicos.

Si los átomos de los componentes difieren significativamente en tamaño o estructura electrónica, es posible introducir átomos de un elemento en los intersticios de la red formada por otro elemento. Tales soluciones sólidas a menudo se forman cuando los no metales ( B , H 2 , O 2 , N 2 , C ) se disuelven en metales [2] .

Las soluciones sólidas de sustracción , que surgen debido a la aparición de sitios vacantes en la red cristalina, se forman cuando uno de los componentes se disuelve en un compuesto químico y son características de los compuestos no estequiométricos.

Los minerales naturales son a menudo soluciones sólidas (ver Isomorfismo en cristales ). La formación de soluciones sólidas durante la aleación de elementos y compuestos es de gran importancia en la producción de aleaciones, semiconductores , cerámicas y ferritas .

Las soluciones sólidas son la base de todos los más importantes aceros estructurales e inoxidables , bronces , latones , aleaciones de aluminio y magnesio de alta resistencia. Las propiedades de las soluciones sólidas están reguladas por su composición, tratamiento térmico o termomecánico. Los semiconductores dopados y muchos ferroeléctricos , que son la base de la electrónica de estado sólido moderna , también son soluciones sólidas.

A medida que las soluciones sólidas se descomponen, las aleaciones adquieren nuevas propiedades. Las cualidades más valiosas son las aleaciones con una falta de homogeneidad muy fina: el llamado endurecimiento por precipitación o soluciones sólidas envejecidas. El endurecimiento por precipitación también se puede observar durante la descomposición de soluciones sólidas a base de compuestos, por ejemplo, espinelas no estequiométricas .

Modelo de solución regular

El modelo de solución regular se puede utilizar para estudiar las propiedades de soluciones sólidas reales.
Este modelo es más riguroso que el modelo de soluciones ideales.

El modelo se basa en las siguientes aproximaciones:

  1. Aproximación cuasi-química. Según esta aproximación, la interacción entre los átomos no depende de la composición de la solución. Esto lleva al hecho de que la longitud del enlace también es independiente de la composición. Es fácil comprobar que en este caso el volumen de mezcla es cero y la entalpía de mezcla coincide con la energía interna de mezcla. Al calcular la parte potencial de la energía interna, por regla general, solo se limitan los vecinos más cercanos.
  2. La distribución de los átomos se considera aleatoria. La interacción entre los átomos se considera pequeña y no puede afectar su distribución. Por tanto, la entropía configuracional de una solución regular coincide con la de una solución ideal. La validez de esta aproximación en soluciones reales aumenta con el aumento de la temperatura.

Considere la formación de una solución regular usando el ejemplo de mezclar dos muestras con átomos de tipo A y B. Energía potencial de las muestras:

,

donde  es el número de enlaces entre los átomos y su energía en la muestra A.

Después de mezclar:

Si  es el número de coordinación, entonces se pueden escribir las siguientes expresiones para el número de enlaces:

donde  es el número de átomos de tipo A.

Después de la sustitución, obtenemos para E:

,

donde el último término describe el cambio de energía durante la mezcla.

Usando el hecho de que los átomos en la solución están distribuidos al azar, encontramos . Cada átomo B tiene vecinos. El número promedio de átomos A alrededor de un átomo B debe ser proporcional a la concentración de átomos A en el sistema.

Entonces tenemos:

Número de conexiones AB:

,

donde _

Finalmente, tenemos una expresión para la energía potencial de mezcla de una solución regular:

Notas

  1. ↑ Hume-Rothery, 1965 .
  2. ↑ Hume-Rothery, 1965 , pág. 92-94.

Véase también

Literatura