Considere um cristal de ferro dopado com átomos de níquel.
a) Explique por que a presença de átomos de níquel pode gerar tensão na rede cristalina.
b) Qual é o critério principal para que uma impureza substitua com facilidade um átomo na rede?
a) Explique por que a presença de átomos de níquel pode gerar tensão na rede cristalina.
b) Qual é o critério principal para que uma impureza substitua com facilidade um átomo na rede?
Passo 1
O enunciado trata de um cristal de ferro (
-Fe) no qual átomos de níquel são introduzidos (“dopados”). O conteúdo envolvido é o de soluções sólidas e tensões de rede geradas por impurezas. Para resolver, vamos usar o conceito de desajuste de tamanho atômico e as regras de Hume-Rothery para substituição de átomos na rede cristalina.
Passo 2
Quando um átomo de níquel substitui um átomo de ferro na rede, ele exerce efeitos de tensão porque seus raios atômicos não são exatamente iguais. Supondo
o desvio relativo de tamanho é
Passo 3
Esse desajuste faz com que, ao redor do átomo de níquel, as distâncias interatômicas fiquem ligeiramente contraídas ou expandidas em relação à posição ideal de um átomo de ferro, gerando campos de tensão elástica localizados. Essas tensões reduzidas ou aumentadas deslocam os átomos vizinhos de suas posições de equilíbrio, caracterizando um estado de tensão na vizinhança da impureza.
Passo 4
O critério principal para que uma impureza substitua com facilidade um átomo da rede é o de Hume-Rothery, cuja regra mais importante é que a diferença de raio atômico seja pequena. Em geral, para formar solução sólida substitucional, deve valer
Quanto menor essa diferença, mais fácil é a substituição. Além disso, devem ser consideradas semelhança de estrutura cristalina, valência e eletronegatividade, mas o primeiro e principal critério é o fator de tamanho atômico.
Resposta
a) Porque o átomo de níquel tem raio diferente do átomo de ferro e, ao se alojar na rede, provoca pequenas contrações ou expansões dos vizinhos, gerando tensões de rede elástica.
b) O principal critério é que a diferença relativa de raios atômicos seja pequena (tipicamente abaixo de ), conforme a regra de Hume-Rothery.
b) O principal critério é que a diferença relativa de raios atômicos seja pequena (tipicamente abaixo de