Uma solução sólida pode se formar quando átomos de impurezas são adicionados a um sólido, cuja a estrutura cristalina original é mantida e nenhuma nova fase é formada. Qual a diferença entre solução sólida substitucional e intersticial? Quais são as quatro regras de Hume-Rothery para formação de soluções sólidas substituicionais?

Passo 1

Beleza, então o enunciado tá perguntando sobre dois tipos de “solução sólida” num metal: substitucional e intersticial, e também quer saber as quatro regrinhas de Hume-Rothery que dizem quando dá pra formar uma solução sólida substitucional. Isso é tudo lá dentro de um tópico de estrutura cristalina e ligas metálicas. Pra resolver a gente vai precisar entender:
  • O que é solução sólida num cristal
  • Diferença entre substituir átomos e colocar átomos nos “espacinhos” (vãos) da rede
  • As quatro regras de Hume-Rothery e o motivo de cada uma

Passo 2

Primeiro, a diferença entre solução sólida substitucional e intersticial:
  1. Solução sólida substitucional
    • Aqui o átomo “impureza” pega o lugar de um átomo da rede original.
    • Imagina que a gente tem uma rede de átomos A e troca alguns por átomos B.
    • A estrutura cristalina continua igual, só muda alguns pontos.
  2. Solução sólida intersticial
    • Nesse caso, o átomo B é bem pequenininho e se “encaixa” nos vãos que já existem entre os átomos da rede A, sem tirar nenhum átomo de lá.
    • Esses vãos são chamados de interstícios.

Passo 3

Agora, as quatro regras de Hume-Rothery para formar fácil uma solução sólida substitucional (ou seja, B entrando no lugar de A):
  1. Diferença de raio atômico
    • O raio do átomo B não pode ser muito diferente do de A.
    • Geralmente vale |rB - rA|rA < 15%
      - Se for maior que isso, a rede distorce demais e não aceita o impureza com favor.
  2. Estrutura cristalina igual
    • A estrutura (cúbica de corpo centrado, cúbica de face centrada, hexagonal, etc.) de A e B deve ser a mesma.
    • Se forem diferentes, a rede não “encaixa” bem e formam-se fases separadas.
  3. Valência semelhante
    • A valência (número de elétrons de valência) de B deve ser próxima da de A.
    • Se forem muito diferentes, o metal resultante terá propriedades eletrônicas bem diferentes e tende a separar fases.
  4. Afinidade química / eletronegatividade
    • A diferença de eletronegatividade χ entre A e B deve ser pequena, tipicamente |chiA - chiB| < 0,4
      - Se for grande, bate a formação de compostos intermetálicos em vez de uma solução sólida homogênea.

Resposta

Diferença entre os dois tipos de solução sólida:
  • Substitucional: o átomo impureza substitui um átomo da rede.
  • Intersticial: o átomo impureza se encaixa nos vãos da rede sem substituir ninguém.
As quatro regras de Hume-Rothery para solução sólida substitucional são:
  1. Diferença de raio atômico < 15%.
  2. Mesma estrutura cristalina.
  3. Valência semelhante.
  4. Baixa diferença de eletronegatividade ( <0,4).

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