( 1,5 pontos) Quais os fatores que influenciam na formação de soluções sólidas substitucionais? Dê exemplos!
Passo 1
O enunciado pede para identificar os fatores que controlam a formação de soluções sólidas substitucionais, ou seja, quando átomos de um elemento A substituem átomos de um elemento B na rede cristalina. O conteúdo está baseado nas regras de Hume‐Rothery e em considerações termodinâmicas de solubilidade.
Passo 2
O tamanho atômico deve ser parecido. Segundo Hume‐Rothery, a diferença relativa de raio atômico
deve ser menor que cerca de
. Se
for muito grande, haverá distorções excessivas na rede e a solubilidade será baixa.
Exemplo: em Cu–Ni temos pm e
pm, dando
, o que permite solubilidade praticamente completa.
Exemplo: em Cu–Ni temos
Passo 3
Os elementos devem ter estruturas cristalinas iguais ou compatíveis na fase β. Por exemplo, Cu e Ni são ambos cúbicos de face centrada (fcc), o que favorece a formação de soluções sólidas completas. Se as estruturas forem diferentes, a solubilidade solubilidade será limitada ou nula.
Passo 4
A valência e a eletronegatividade devem ser próximas. Átomos com valências iguais ou similares trocam lugar com menor descontinuidade de energia química, e diferença pequena de eletronegatividade evita ligações preferenciais tipo iônico.
Exemplo: Au e Ag têm ambos valência e eletronegatividades muito próximas, produzindo a série de soluções sólidas Au–Ag em toda a faixa de composição.
Exemplo: Au e Ag têm ambos valência
Passo 5
Fatores termodinâmicos adicionais, como a entropia de mistura e a temperatura, também influenciam. Aumentar a temperatura tende a elevar a solubilidade máxima por ganho entálpico–entálpico e entálpico–entrópico, mas não elimina as restrições impostas pelos fatores anteriores.
Passo 6
Sistemas típicos de alta solubilidade substitucional:
• Cu–Ni (fcc/fcc, , mesma valência)
• Au–Ag (fcc/fcc, valência )
Exemplos de solubilidade limitada:
• Cu–Ag (fcc/fcc, mas e diferença moderada de eletronegatividade leva a solubilidade máxima de
Ag em Cu a
C)
• Cu–Ni (fcc/fcc,
• Au–Ag (fcc/fcc, valência
Exemplos de solubilidade limitada:
• Cu–Ag (fcc/fcc, mas
Resposta
• Diferença de tamanho atômico
.
• Mesma estrutura cristalina (fcc–fcc, bcc–bcc etc.).
• Valência semelhante e pequena diferença de eletronegatividade.
• Efeitos termodinâmicos (entropia de mistura e temperatura).
Exemplos de soluções sólidas completas: Cu–Ni, Au–Ag; de solubilidade limitada: Cu–Ag.
• Mesma estrutura cristalina (fcc–fcc, bcc–bcc etc.).
• Valência semelhante e pequena diferença de eletronegatividade.
• Efeitos termodinâmicos (entropia de mistura e temperatura).
Exemplos de soluções sólidas completas: Cu–Ni, Au–Ag; de solubilidade limitada: Cu–Ag.