O que determina a solubilidade de um metal em outro? (Veja também item 8.4 no Capítulo 8).
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: Quanto 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 deve 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 de 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.
O princípio da quarta regra é o de que a solução única se torna instável em relação ao composto cuja energia livre de Gibbs (G), nas vizinhanças de composição ideal, se torna mínima. Aparecem então regiões de duas fases (composto mais solução sólida) e o diagrama de fases não mais apresenta extensas regiões de completa solubilidade. As primeiras três regras se baseiam no aumento da entalpia (H) -no caso de sólidos, um aumento da energia interna E (2) – devido à distorção e ruptura das estruturas cristalinas e, de um modo muito grosseiro, das ligacões não saturadas.
A Tabela 11.1 mostra os valores de solubilidade dos metais divalentes berílio (Be), cádmio (Cd) e zinco (Zn) no cobre (Cu) e na prata (Ag).
Tabela 11.1. Relações de Solubilidade (%atômica) e Tamanho Atômico do berílio (Be),cádmio (Cd) e zinco (Zn) no cobre (Cu) e na prata (Ag).
Alguns autores (3) questionam a validade – devido à complexidade do tema– e a consistência das regras de Hume-Rothery. Mas também reconhecem que se pode observar algumas regularidades. A adição de níquel (CFC) ao ferro, por exemplo, aumenta o domínio de estabilidade do solução sólida CFC às custas da forma CCC, conforme mostra a Figura 11.p. Inversamente, a adição de cromo (CCC) amplia o domínio CCC e diminui o domínio CFC. Efeitos semelhantes ocorreriam em outros metais. Mas este comportamento, argumenta-se, não apresentaria regularidade suficiente para justificar uma generalização.
Figura 11.p – Diagramas de fase do ferro (Fe) com adição de (a) níquel(Ni) e (b) cromo(Cr) (3).