Na tabela a seguir estão tabulados o raio atômico, a estrutura cristalina, a eletronegatividade e a valência mais comum para vários elementos; para os ametais, apenas os raios atômicos estão indicados.
Elemento | Raio Atômico <br>
|
Estrutura <br> Cristalina | Eletrone- <br> gatividade | Valência |
---|---|---|---|---|
Ni | 0,1246 | CFC | 1,8 | +2 |
C | 0,071 | |||
H | 0,046 | |||
O | 0,060 | +1 | ||
Ag | 0,1445 | CFC | 1,9 | +3 |
Al | 0,1431 | CFC | 1,5 | +2 |
Co | 0,1253 | HC | 1,8 | +3 |
Cr | 0,1249 | CCC | 1,6 | +2 |
Fe | 0,1241 | CCC | 1,8 | +2 |
Pt | 0,1387 | CFC | 2,2 | +2 |
Zn | 0,1332 | HC | 1,6 |
Com quais desses elementos seria esperada a formação do seguinte tipo de composto com o níquel?
(a) Uma solução sólida substitucional com solubilidade total.
(b) Uma solução sólida substitucional com solubilidade parcial.
© Uma solução sólida intersticial.
(a) Uma solução sólida substitucional com solubilidade total.
(b) Uma solução sólida substitucional com solubilidade parcial.
© Uma solução sólida intersticial.
Passo 1
Vamos lá! O exercício pede para analisarmos com quais elementos, listados na tabela, o níquel (Ni) pode formar diferentes tipos de soluções sólidas. Para isso, vamos usar conceitos de estrutura cristalina, raio atômico, eletronegatividade e valência. Precisamos entender como esses fatores influenciam a solubilidade entre os elementos.
Passo 2
Primeiro, vamos entender o que é uma solução sólida substitucional. É quando átomos de um elemento substituem átomos de outro na estrutura cristalina, mantendo a mesma estrutura. A solubilidade depende principalmente do tamanho dos átomos e da estrutura cristalina dos metais envolvidos.
A Regra de Hume-Rothery nos dá diretrizes para a formação de soluções sólidas substitucionais:
- Estrutura cristalina semelhante: Ambos os elementos devem ter estruturas cristalinas compatíveis (por exemplo, CFC, FCC, HCP).
- Raio atômico similar: A diferença no raio atômico deve ser geralmente menor que 15%.
- Eletronegatividade similar: Diferenças grandes podem dificultar a formação de soluções sólidas.
- Valência semelhante: Semelhança na valência ajuda na compatibilidade química.
Vamos analisar os elementos da tabela em relação ao níquel:
-
Estrutura Cristalina: O níquel tem estrutura CFC (Cúbica de Face Centrada). Devemos procurar elementos com a mesma estrutura para aumentar a solubilidade.
-
Diferença de Raio Atômico: Vamos calcular a diferença percentual no raio atômico entre o níquel (0,1246 nm) e os outros elementos.
-
Eletronegatividade e Valência: Devemos verificar se são similares aos do níquel (1,8 e +2, respectivamente).
Passo 3
Vamos calcular a diferença percentual no raio atômico para cada elemento:
Calculando para cada elemento:
- Ag (Prata): Raio = 0,1445 nm
- Al (Alumínio): Raio = 0,1431 nm
- Co (Cobalto): Raio = 0,1253 nm
- Cr (Cromo): Raio = 0,1249 nm
- Fe (Ferro): Raio = 0,1241 nm
- Pt (Platina): Raio = 0,1387 nm
- Zn (Zinco): Raio = 0,1332 nm
Os outros elementos (C, H, O) são ametais e não formam soluções sólidas substitucionais com metais como o níquel, portanto, não consideramos eles aqui.
Passo 4
Agora, vamos verificar os critérios de eletronegatividade e valência:
- Ag (Prata): Eletronegatividade = 1,9, Valência = +3
- Al (Alumínio): Eletronegatividade = 1,5, Valência = +2
- Co (Cobalto): Eletronegatividade = 1,8, Valência = +3
- Cr (Cromo): Eletronegatividade = 1,6, Valência = +2
- Fe (Ferro): Eletronegatividade = 1,8, Valência = +2
- Pt (Platina): Eletronegatividade = 2,2, Valência = +2
- Zn (Zinco): Eletronegatividade = 1,6, Valência = não indicada
Comparando com o níquel (Eletronegatividade = 1,8, Valência = +2):
- Al (Alumínio) e Zn (Zinco) têm valências mais próximas.
- Pt (Platina) também possui valência +2, similar ao níquel.
A eletronegatividade do Pt é um pouco maior, mas ainda próximo.
Passo 5
Agora, vamos classificar a solubilidade:
-
Solução Sólida Substitucional com Solubilidade Total: Quando a diferença de raio é menor que 15%, além de estrutura semelhante e similaridade na eletronegatividade e valência. Aqui, elementos como Co, Cr, Fe, Au atenderiam, mas nem todos estão na tabela.
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Solução Sólida Substitucional com Solubilidade Parcial: Quando a diferença de raio está entre 15% e 25%. O Ag (15,9%) e Al (14,2%) estão próximos desse intervalo.
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Solução Sólida Intersticial: Geralmente ocorre com elementos de raio muito menor que o metal base (diferem mais de 1, Você teria um elemento pequeno como carbono ou hidrogênio, mas como discutido, não aplicável aqui).
Resposta
(a) Seriam esperados a formação de uma solução sólida substitucional com solubilidade total com o Cobalto (Co), Cromo (Cr) e Ferro (Fe).
(b) Seriam esperados a formação de uma solução sólida substitucional com solubilidade parcial com o Prata (Ag) e Alumínio (Al).
© Não seria esperada a formação de uma solução sólida intersticial com os elementos listados.