Como você explica a presença de solução sólida em um metal.

Passo 1

O enunciado pergunta por que certos metais formam soluções sólidas quando recebem átomos de outro elemento. Esse conteúdo faz parte de Ciência dos Materiais, mais especificamente da formação de ligas metálicas. Para explicar isso, vamos recorrer às regras de Hume–Rothery e aos conceitos de entalpia e entropia de mistura.

Passo 2

Primeiro, definimos o que é solução sólida: é uma fase única cristalina em que átomos de um elemento A ocupam regularmente a rede dos átomos de um elemento B, sem formar uma segunda fase distinta. Em outras palavras, a estrutura cristalina do metal hospedeiro permanece contínua, apenas “diluindo” o outro elemento.

Passo 3

Existem dois tipos principais de solução sólida:
  1. Substitutiva – os átomos do soluto substituem diretamente alguns átomos da rede do solvente.
  2. Intersticial – os átomos do soluto se encaixam nos pequenos espaços (interstícios) entre os átomos do solvente.

Passo 4

As regras de Hume–Rothery indicam quando a substituição é favorecida. Para que se forme uma solução sólida substitutiva, geralmente precisamos de:
• Diferença de raio atômico menor que cerca de 15% (para que o soluto caiba razoavelmente na rede).
• Mesmo tipo de estrutura cristalina (fcc, bcc, hcp) em ambos os elementos.
• Eletronegatividades semelhantes (para minimizar a tendência de formar compostos).
• Valências próximas (ou seja, número de elétrons de valência parecido, facilitando a mistura eletrônica).
Se esses critérios não forem muito violados, a entalpia de mistura (ΔHmix) tende a ser pouco positiva ou até levemente negativa, o que não impede a formação da fase sólida.

Passo 5

Do ponto de vista termodinâmico, a formação de solução sólida também é impulsionada pelo ganho de entropia de mistura (ΔSmix). Mesmo que ΔHmix seja ligeiramente positivo, o termo -T\Delta S_{\text{mix}} no potencial de Gibbs
\Delta G = \Delta H_{\text{mix}} - T\,\Delta S_{\text{mix}}
pode tornar ΔG negativo a temperaturas moderadas, favorecendo a solução sólida.

Resposta

A presença de solução sólida em um metal se explica porque, quando os elementos satisfazem as regras de Hume–Rothery (raios atômicos similares, mesma estrutura cristalina, valência e eletronegatividade próximas), a entalpia de mistura é baixa e o aumento de entropia torna o processo espontâneo, resultando em uma fase única cristalina onde os átomos do soluto se incorporam na rede do solvente.

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