8.5. Soluções Sólidas

Dois componentes são completamente solúveis um no outro se o estado de equilíbrio de qualquer combinação dos dois é uma fase única: (a) água líquida e álcool são solúveis um no outro em qualquer proporção, à temperatura ambiente; formam um líquido homogêneo, monofásico; (b) cobre e níquel são também solúveis um no outro em todas as proporções, tanto no estado líquido como no sólido. O conceito de solução sólida não é tão familiar, em geral, como o de solução líquida, mas o significado é exatamente o mesmo: átomos ou moléculas de um componente podem se acomodar na estrutura do outro componente. Uma solução sólida pode ser substitucional (o átomo do soluto pode substituir um átomo do solvente) ou intersticial (o átomo do soluto pode ocupar uma posição intersticial entre átomos do solvente). Apenas as soluções sólidas substitucionais podem ser formadas em todas as proporções de ambos os componentes. As soluções sólidas substitucionais são usualmente formadas entre dois tipos de átomos que tenham aproximadamente o mesmo tamanho, e as soluções sólidas intersticiais se formam usualmente entre átomos de tamanhos bastante diferentes. Para metais, os quatro mais importantes átomos de soluto intersticial são o carbono (C), nitrogênio (N), oxigênio (O) e o hidrogênio (H) (Veja Figura 8.e).
Na década de 50 do século passado, o metalurgista inglês Hume-Rothery (1) e colaboradores propuseram regras empíricas para se prever a existência de solubilidade em soluções sólidas metálicas. Para que esta condição exista entre dois elementos metálicos, Hume-Rothery sugeriu as seguintes condições:
1- Tamanho atômico: Quando maior for a diferença entre os tamanhos dos átomos do soluto e do solvente, menor é a faixa de soluções. Se os raios diferem mais de 15%, a solubilidade é pequena. Em outras palavras, o raio do átomo de soluto tem de ser menor do que 0,59 do raio do átomo do solvente.
2- Estrutura cristalina: o tipo de estrutura cristalina deve ser o mesmo.
3- Valência química: o metal de menor valência (soluto) provavelmente se dissolverá no metal de maior valência(solvente). Esta regra é válida para as ligas de cobre (Cu), prata (Ag) e Ouro (Au) com metais de maior valência. Para ocorrer extensa faixa de solubilidade, as valências dos dois elementos não devem diferir em mais de uma unidade.
4 – Eletronegatividade: as eletronegatividades devem ser quase iguais; quanto mais eletropositivo for um componente e mais eletronegativo o outro, maior será a tendência à formação de compostos entre eles e menor será a solubilidade.

Figura 8.f – Os dois tipos básicos de soluções sólidas: substitucional e intersticial.