Solución sólida

Una solución sólida, término utilizado popularmente para los metales, es una mezcla homogénea de dos tipos diferentes de átomos en estado sólido y que tienen una estructura monocristalina. Se pueden encontrar muchos ejemplos en la metalurgia, la geología y la química del 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. Dos términos se asocian principalmente con soluciones sólidas: disolventes y solutos, dependiendo de la abundancia relativa de las especies atómicas.

En general, si dos compuestos son isoestructurales, entonces existirá una solución sólida entre los miembros finales (también conocidos como padres). Por ejemplo, el cloruro de sodio y el cloruro de potasio tienen la misma estructura cristalina cúbica, por lo que es posible obtener un compuesto puro con cualquier proporción de sodio a potasio (Na_1-xK_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_0,33K_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 en su composición. En muchos casos, los especímenes son miembros de una familia de soluciones sólidas y a los geólogos les resulta más útil discutir la composición de la familia que un espécimen individual. El olivino se describe mediante la fórmula (Mg, Fe)₂SiO₄, que equivale a (Mg_1−xFe_x )₂SiO₄. La proporción de magnesio a hierro varía entre los dos miembros finales de la serie de soluciones sólidas: forsterita (miembro final de Mg: Mg₂SiO₄) y fayalita (miembro final de Fe: Fe ₂SiO₄) pero la proporción en olivino normalmente no está definida. Con composiciones cada vez más complejas, la notación geológica se vuelve mucho más fácil de manejar que la notación química.

Nomenclatura

La definición de la IUPAC de una solución sólida es un "sólido en el que los componentes son compatibles y forman una fase única".

La definición de "cristal que contiene un segundo constituyente que encaja y se distribuye en la red del cristal anfitrión" dada en las referencias, no es general y, por lo tanto, no se recomienda.

La expresión debe usarse para describir una fase sólida que contiene más de una sustancia cuando, por conveniencia, una (o más) de las sustancias, llamada solvente, se trata de manera diferente a las otras sustancias, llamadas solutos.

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.

En preparados farmacéuticos, el concepto de solución sólida suele aplicarse al caso de mezclas de fármaco y polímero.

El número de moléculas de fármacos que se comportan como disolvente (plastificante) de polímeros es pequeño.

Diagramas de fases

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 cualquier estructura, o puede haber una brecha de miscibilidad en estado sólido 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, pueden haber fases lineales; se trata de compuestos con una estructura cristalina conocida y una estequiometría establecida. Cuando la fase cristalina consta de dos moléculas orgánicas (sin carga), 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.

Detalles

El soluto puede incorporarse a la red cristalina del disolvente sustitucionalmente, reemplazando una partícula de disolvente en la red, o intersticialmente, encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. Ambos tipos de soluciones sólidas afectan las propiedades del material al distorsionar la red cristalina y alterar la homogeneidad física y eléctrica del material solvente. Cuando los radios atómicos del átomo de soluto son mayores que el átomo de disolvente al que 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 del volumen de la celda unitaria a. 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 una cuestión complicada que involucra las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de las sustancias en cuestión. Se pueden formar soluciones sólidas de sustitución, de acuerdo con las reglas de Hume-Rothery, si el soluto y el disolvente tienen:

• Radios atómicos similares (15% o menos diferencia)
• La misma estructura de cristal
• Electronegatividades similares
• Valiente similar

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

El diagrama de fases en el diagrama anterior 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 tiene la misma estructura cristalina y las propiedades similares de los dos elementos permiten una sustitución imparcial en todo el rango de concentraciones relativas. La solución sólida de sistemas pseudobinarios en sistemas complejos con tres o más componentes puede requerir una representación más complicada del diagrama de fases con más de una curva solvus dibujada correspondiente a diferentes condiciones químicas de equilibrio.

Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que dichas mezclas suelen tener propiedades superiores a las de los materiales puros. Muchas aleaciones metálicas son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del disolvente.

El diagrama de fase binaria en el diagrama anterior muestra las fases de una mezcla de dos sustancias en concentraciones variables, ${\displaystyle A}$ y ${\displaystyle B}$. La región etiquetada "${\displaystyle \alpha }$"es una solución sólida, con ${\displaystyle B}$ actuar como el soluto en una matriz de ${\displaystyle A}$. En el otro extremo de la escala de concentración, la región etiqueta "${\displaystyle \beta }$" también es una solución sólida, con ${\displaystyle A}$ actuar como el soluto en una matriz de ${\displaystyle B}$. La gran región sólida entre ${\displaystyle \alpha }$ y ${\displaystyle \beta }$ soluciones sólidas, etiquetadas "${\displaystyle \alpha }$ + ${\displaystyle \beta }$", es no una solución sólida. En cambio, un examen de la microestructura de una mezcla en este rango revelaría dos fases: solución sólida ${\displaystyle A}$-en-${\displaystyle B}$ solución sólida ${\displaystyle B}$-en-${\displaystyle A}$ formaría fases separadas, tal vez lamella o granos.

Aplicación

En el diagrama de fase, a tres concentraciones diferentes, el material será sólido hasta que se calienta en su punto de fusión, y luego (después de añadir el calor de la fusión) se vuelve líquido a esa misma temperatura:

• la izquierda extrema no afligida
• la extrema derecha
• el dip en el centro (la composición eutectic).

En otras proporciones, el material entrará en una fase mushy o pasty hasta que se calienta hasta ser completamente fundido.

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, especialmente si se hace manualmente, ya que la fase sólida ingresa rápidamente a medida que la soldadura se enfría. Por el contrario, cuando se utilizaban mezclas de plomo y estaño para soldar costuras en carrocerías de automóviles, un estado pastoso permitía formar una forma con una paleta o herramienta de madera, por lo que se utilizaba una proporción de plomo a estaño de 70 a 30. (El plomo se está eliminando de dichas 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 una exsolución y las dos fases se separan en laminillas distintas, desde microscópicas hasta megascópicas. Esto se debe principalmente a la diferencia en el tamaño de los cationes. No es probable que los cationes que tienen una gran diferencia en radios se sustituyan fácilmente.

Tomemos, por ejemplo, los minerales alcalinos de feldespato, cuyos miembros finales son la albita, NaAlSi₃O₈ y la microclina, KAlSi₃O₈. A altas temperaturas, Na⁺ y 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 para Na⁺ en la microclina. Esto conduce a la exsolución donde se separarán en dos fases separadas. En el caso de los minerales alcalinos de feldespato, finas capas de albita blanca se alternarán entre una microclina típicamente rosada, lo que dará como resultado una textura de pertita.