Solución sólida

Solución química en forma sólida; cuya estructura cristalina del disolvente huésped no se ve alterada por el soluto

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Una solución sólida describe una familia de materiales que tienen una variedad de composiciones, por ejemplo, A _x B _1-x y una estructura monocristalina . Se pueden encontrar muchos ejemplos en metalurgia , geología y química de estado sólido . La palabra "solución" se utiliza para describir la mezcla íntima de componentes a nivel atómico y distingue estos materiales homogéneos de las mezclas físicas de componentes.

Definición IUPAC

Sólido en el que los componentes son compatibles y forman una fase única.

Nota 1 : La definición “cristal que contiene un segundo constituyente que encaja y
se distribuye en la red del cristal anfitrión” dada en las refs., ^{[1] [2]} no es general
y, por lo tanto, no se recomienda.

Nota 2 : La expresión debe usarse para describir una fase sólida que contiene
más de una sustancia cuando, por conveniencia, una (o más) de las sustancias,
llamadas solventes, se tratan de manera diferente a las otras sustancias, llamadas solutos.

Nota 3 : Uno o varios de los componentes pueden ser macromoléculas . Algunos de
los otros componentes pueden actuar entonces como plastificantes, es decir, como
sustancias molecularmente dispersas que disminuyen la temperatura de transición vítrea a la que la
fase amorfa de un polímero se convierte entre estados vítreos y gomosos.

Nota 4 : En las preparaciones farmacéuticas, el concepto de solución sólida se
aplica a menudo al caso de mezclas de fármaco y polímero .

Nota 5 : La cantidad de moléculas de fármacos que se comportan como solventes (plastificantes)
de polímeros es pequeña. ^[3]

En general, si dos compuestos son isoestructurales , existirá una solución sólida entre los miembros finales (también conocidas como patentes). Por ejemplo, el cloruro de sodio y el cloruro de potasio tienen la misma estructura cristalina cúbica, por lo que es posible hacer un compuesto puro con cualquier proporción de sodio a potasio (Na _1-x K _x ) Cl disolviendo esa proporción de NaCl y KCl en agua y luego evaporando la solución. Un miembro de esta familia se vende bajo la marca Lo Salt, que es (Na _0,33 K _0,66 ) Cl, por lo que contiene un 66% menos de sodio que la sal de mesa normal (NaCl). Los minerales puros se llaman halita y silvita., una mezcla física de los dos se conoce como silvinita .

Debido a que los minerales son materiales naturales, son propensos a grandes variaciones de composición. En muchos casos, los especímenes son miembros de una familia de soluciones sólidas y los geólogos encuentran más útil discutir la composición de la familia que un espécimen individual. El olivino se describe mediante la fórmula (Mg, Fe) ₂ SiO ₄ , que es equivalente a (Mg _1-x Fe _x ) ₂ SiO ₄ . La relación de magnesio a hierro varía entre los dos extremos de la serie de solución sólida: forsterita (Mg-endmember: Mg ₂ SiO ₄ ) y fayalite (Fe-endmember: Fe ₂ SiO ₄ ) ^[4]pero normalmente no se define la proporción en olivino. Con composiciones cada vez más complejas, la notación geológica se vuelve significativamente más fácil de manejar que la notación química.

Diagramas de fase

Fig. 1 Un diagrama de fase binario que muestra soluciones sólidas en todo el rango de concentraciones relativas.

En un diagrama de fases, una solución sólida está representada por un área, a menudo etiquetada con el tipo de estructura, que cubre los rangos de composición y temperatura / presión. Cuando los miembros finales no son isoestructurales, es probable que haya dos rangos de soluciones sólidas con diferentes estructuras dictadas por los padres. En este caso, los rangos pueden superponerse y los materiales en esta región pueden tener una estructura o puede haber una brecha de miscibilidad.en estado sólido, lo que indica que los intentos de generar materiales con esta composición darán como resultado mezclas. En áreas de un diagrama de fases que no están cubiertas por una solución sólida, puede haber fases lineales, estos son compuestos con una estructura cristalina conocida y estequiometría establecida. Cuando la fase cristalina consta de dos moléculas orgánicas (no cargadas), la fase lineal se conoce comúnmente como cocristal . En metalurgia, las aleaciones con una composición fija se denominan compuestos intermetálicos . Es probable que exista una solución sólida cuando los dos elementos (generalmente metales ) involucrados están muy juntos en la tabla periódica , un compuesto intermetálico generalmente resulta cuando dos metales involucrados no están cerca uno del otro en la tabla periódica.^[5]

Detalles

El soluto puede incorporarse en la red cristalina del disolvente de forma sustituta , sustituyendo una partícula de disolvente en la red, o intersticialmente , encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan las propiedades del material al distorsionar la red cristalina y alterar la homogeneidad física y eléctrica del material solvente. ^[6] Cuando el radio atómico del átomo de soluto es más grande que el átomo de solvente, reemplaza la estructura cristalina ( celda unitaria ) a menudo se expande para acomodarlo, esto significa que la composición de un material en una solución sólida se puede calcular a partir de la unidad volumen celular una relación conocida como ley de Vegard .

Algunas mezclas formarán fácilmente soluciones sólidas en un rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no formarán soluciones sólidas en absoluto. La propensión de dos sustancias cualesquiera a formar una solución sólida es un asunto complicado que involucra las propiedades químicas , cristalográficas y cuánticas de las sustancias en cuestión. Pueden formarse soluciones sólidas de sustitución, de acuerdo con las reglas de Hume-Rothery , si el soluto y el solvente tienen:

• Radios atómicos similares (15% o menos de diferencia)
• Misma estructura cristalina
• Electronegatividades similares
• Valencia similar

una solución sólida se mezcla con otras para formar una nueva solución

El diagrama de fase de la Fig. 1 muestra una aleación de dos metales que forma una solución sólida en todas las concentraciones relativas de las dos especies. En este caso, la fase pura de cada elemento es de la misma estructura cristalina, y las propiedades similares de los dos elementos permiten una sustitución insesgada en todo el rango de concentraciones relativas.

Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que tales mezclas a menudo tienen propiedades superiores a los materiales puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del solvente.

Fig. 2 Este diagrama de fase binario muestra dos soluciones sólidas: y .${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$

El diagrama de fases binario de la Fig. 2 muestra las fases de una mezcla de dos sustancias en concentraciones variables, y . La región etiquetada " " es una solución sólida, que actúa como el soluto en una matriz de . En el otro extremo de la escala de concentración, la región etiquetada " " también es una solución sólida, que actúa como el soluto en una matriz de . La gran región sólida entre las soluciones sólidas y , marcada con " + ", no es una solución sólida. En su lugar, un examen de la microestructura de una mezcla en este rango de revelaría solución dos fases-sólido -in- y solución sólida${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle B}$${\displaystyle A}$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle \alpha }$${\displaystyle \beta }$${\displaystyle A}$${\displaystyle B}$${\displaystyle B}$-en- formaría fases separadas, quizás laminillas o granos .${\displaystyle A}$

Aplicación

En el diagrama de fases, a tres concentraciones diferentes, el material será sólido hasta que se caliente a su punto de fusión , y luego (después de agregar el calor de fusión ) se volverá líquido a esa misma temperatura:

• la extrema izquierda pura
• la extrema derecha pura
• la inmersión en el centro (la composición eutéctica ).

En otras proporciones, el material entrará en una fase blanda o pastosa hasta que se caliente y se derrita por completo.

La mezcla en el punto de inmersión del diagrama se llama aleación eutéctica . Las mezclas de plomo y estaño formuladas en ese punto (mezcla 37/63) son útiles para soldar componentes electrónicos, particularmente si se hacen manualmente, ya que la fase sólida se ingresa rápidamente a medida que la soldadura se enfría. Por el contrario, cuando se usaron mezclas de plomo y estaño para soldar costuras en carrocerías de automóviles, un estado pastoso permitió que se formara una forma con una paleta o herramienta de madera, por lo que se usó una relación de 70-30 plomo a estaño. (El plomo se está eliminando de tales aplicaciones debido a su toxicidad y la consiguiente dificultad para reciclar dispositivos y componentes que incluyen plomo).

Exsolución

Cuando una solución sólida se vuelve inestable, debido a una temperatura más baja, por ejemplo, se produce la disolución y las dos fases se separan en distintas laminillas microscópicas a megascópicas . Esto se debe principalmente a la diferencia en el tamaño del catión. No es probable que los cationes que tienen una gran diferencia de radios se sustituyan fácilmente. ^[7]

Tomemos, por ejemplo, los minerales de feldespato alcalino , cuyos miembros finales son albita , NaAlSi ₃ O ₈ y microclina , KAlSi ₃ O ₈ . A altas temperaturas, el Na ⁺ y el K ⁺ se sustituyen fácilmente entre sí y, por lo tanto, los minerales formarán una solución sólida, sin embargo, a bajas temperaturas, la albita solo puede sustituir una pequeña cantidad de K ⁺ y lo mismo se aplica al Na ⁺en la microclina. Esto conduce a una resolución en la que se separarán en dos fases separadas. En el caso de los minerales de feldespato alcalino, las capas delgadas de albita blanca se alternarán entre la microclina típicamente rosada, ^[7] dando como resultado una textura de pertita .

Ver también

• Fortalecimiento de la solución sólida

Referencias

1. Alan D. MacNaught; Andrew R. Wilkinson, eds. (1997). Compendio de terminología química: Recomendaciones de la IUPAC (2ª ed.). Ciencia Blackwell. ISBN 0865426848.
2. Compendio de nomenclatura analítica (el "Libro naranja") . Oxford: Blackwell Science. 1998. ISBN 0865426155.
3. Vert, Michel; Doi, Yoshiharu; Hellwich, Karl-Heinz; Hess, Michael; Hodge, Philip; Kubisa, Przemyslaw; Rinaudo, Marguerite; Schué, François (2012). "Terminología para polímeros y aplicaciones biorrelacionados (Recomendaciones IUPAC 2012)" (PDF) . Química pura y aplicada . 84 (2): 377–410. doi : 10.1351 / PAC-REC-10-12-04 . S2CID 98107080 .  
4. Bonewitz, Ronald L. (2008). Rocas y minerales: la guía visual definitiva . Penguin Random House. pag. 91. ISBN 978-1-4053-2831-9.
5. Cottrell, Alan Howard (1967). Introducción a la metalurgia . Instituto de Materiales. ISBN 0-8448-0767-2.
6. Callister Jr., William D. (2006). Ciencia e ingeniería de materiales: una introducción (7ª ed.). John Wiley e hijos. ISBN 0-471-35446-5.
7. Nesse, William D. (2000). Introducción a la mineralogía . Nueva York: Oxford University Press. p91-92. ISBN 978-0-19-510691-6 

• Chen, Jing; Xu, Zhi-qin; Chen, ZZ .; Li, TF. Y Chen, año fiscal. (Diciembre de 2005). "Textura de exsolución de pargasita e ilmenita en clinopiroxeno de Hujialing Garnet-Pyroxenite, Su-lu UHP Terrane, China central: una implicación geodinámica" (PDF) . Revista europea de mineralogía . 17 (6): 895–903. Código bibliográfico : 2005EJMin..17..895C . doi : 10.1127 / 0935-1221 / 2005 / 0017-0895 . Archivado desde el original (PDF) el 9 de mayo de 2006.
• Petersen, U. "Introducción a la microscopía mineral II; Paragénesis mineral" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 11 de abril de 2006.

Enlaces externos

• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: "Soluciones sólidas"