Soluciones sólidas de sustitución

Soluciones Sólidas de Sustitución
Natalia Mª. Barge López
Las soluciones sólidas son mezclas de los componentes sólidos que tienen solubilidad mutua.
Uno de los componentes actuará como disolvente y como soluto. Dentro de las soluciones
sólidas podemos diferenciar entre soluciones sólidas de sustitución y soluciones sólidas
intersticiales. A continuación me ocuparé de las de sustitución, como fin de este trabajo.
En este tipo de soluciones sólidas, los átomos de soluto sustituyen total o parcialmente a los
de disolvente, siendo este último el que define la red de cristalización.
Al mismo tiempo podemos clasificarlas en:
 Soluciones sólidas de sustitución desordenadas
 Soluciones sólidas de sustitución ordenadas
A continuación paso a explicar cada una de ellas.
1) Soluciones sólidas de sustitución desordenadas:
Los átomos sustituyen a los de disolvente de las posiciones principales, esta sustitución es
totalmente aleatoria, esto hace que la solución sea homogénea a nivel macroscópico, pero a
nivel elemental o de malla, es heterogénea.
La sustitución átomo a átomo de una posición principal de disolvente no tiene porque ser la
misma en todas las mallas del sistema de cristalización. Al sustituir átomo a átomo lo que
ocurre es que se produce una deformación de la red que tiende a ser mayor cuanto mayor es la
concentración de átomos de soluto que sustituyen a los átomos de disolvente. Esto hace que
cambien las propiedades físicas y mecánicas, así la dureza y la resistencia mecánica tienden a
variar a medida que aumenta el grado de distorsión. Cuanto mayor es el grado de distorsión,
mayor será la dureza. La distorsión puede ser que venga dada por el aumento o la disminución
del parámetro de la red dependiendo del tamaño relativo de los átomos, esto también influye
en la variación de las propiedades. Así, el aumento de la dureza es tanto más sensible a la
disminución de los parámetros de la red que al aumento de los mismos. Las soluciones sólidas
de sustitución conllevan la sustitución átomo a átomo, el grado de sustitución puede llegar a
tener poca extensión, entonces diremos que estamos ante soluciones sólidas de solubilidad
parcial, o bien puede llegar a ser del 100%, entonces diremos que estamos ante soluciones
sólidas de sustitución de solubilidad total; es decir, se dan cuando todos los átomos del
disolvente pueden ser sustituidos por los átomos de soluto, pero para que se dé esto tienen que
darse una serie de circunstancias, son las reglas de Hume-Rothery:
 La diferencia entre los radios atómicos debe ser inferior al 15%.
 Los dos metales deben tener la misma estructura cristalina.
 La electronegatividad (capacidad del átomo para atraer un electrón) debe ser similar.
 La valencia debe ser la misma.
Si no se cumple una o más de las reglas de Hume-Rothery, sólo es posible obtener una
solubilidad parcial.
A continuación explicaré el otro tipo de soluciones sólidas de sustitución.
2) Soluciones sólidas de sustitución ordenadas:
Los átomos que actúan como soluto desplazan átomos de disolvente adquiriendo una
disposición particular en la propia red del disolvente, es como si tuviéramos dos redes: una de
átomos de soluto y otra de átomos de disolvente. Se formarán entonces lo que se conoce como
Súper-redes.
En el caso de este tipo de soluciones sólidas, la homogeneidad es total, tanto a nivel elemental
o de malla, como a nivel macroscópico.
La conformación de Súper-redes se verá favorecida por diferencias entre los radios atómicos
de soluto y disolvente mayores del 15%, que producirá fuertes distorsiones en la red. Si no se
da lo citado anteriormente, la aleación reacciona disponiendo a los átomos de forma que se
distancien los más posible los átomos semejantes.
Otra circunstancia que favorece las soluciones ordenadas es el hecho de que el número de
átomos de soluto tiene que ser alto, tiene que existir alta solubilidad, además tienen que
concurrir favorablemente las reglas de Hume-Rothery citadas anteriormente. En cuanto a la
afinidad química, favorece el hecho de que exista cierta afinidad, porque así se crean fuerzas
atractivas.
La porción de átomos de soluto y disolvente suele ser fija y determinada, de forma que
garantice una distribución homogénea y regular en el espacio. Puede responder a una relación
estequiométrica entre los átomos de soluto y los de disolvente.
Este tipo de soluciones sólidas, no se generan en el proceso de solidificación, sino que se
producen siempre después y cuando las condiciones de enfriamiento hasta la temperatura
ambiente respondan a las condiciones termodinámicas de enfriamiento, es decir, que se de un
enfriamiento sumamente lento.
Las soluciones sólidas ordenadas sólo existen por debajo de una determinada temperatura: la
temperatura de transformación desorden-orden; de forma que una aleación pueda presentarse
de dos formas: como solución sólida ordenada y como solución sólida desordenada.
Como consecuencia del grado de ordenación, se produce la modificación de las propiedades,
así en una solución sólida ordenada las propiedades resistivas aumentan en comparación con
la solución sólida desordenada.
Ejemplos de soluciones sólidas ordenadas se dan en compuestos binarios de los componentes
en los que los dos cristalizan en el mismo sistema de cristalización.
Consideramos el sistema CuAu: ambos cristalizan en el sistema CCC y la diferencia de radio
atómico es del 14%.
Considerando unos porcentajes del 25%Au y 75%Cu si se dan las condiciones de
enfriamiento lento, los átomos de oro tienden a disolverse ordenadamente en la red de cobre,
de forma que los átomos de oro ocupan los vértices y los de cobre los centros de las caras del
cubo. La relación estequiométrica será AuCu3.
Si consideramos unos porcentajes del 50%Au y 50%Cu y enfriamos en las condiciones
necesarias, se formará una solución sólida de sustitución ordenada en la que los átomos de
cobre ocuparán los vértices y los centros de las caras superior e inferior y los átomos de oro se
situarán en los centros de las caras restantes. La relación estequiométrica es CuAu. Se forma
una estructura estratificada.
Hasta ahora se ha citado la formación de una solución sólida en la que un disolvente metálico
o semiconductor disuelve algunos átomos de soluto. Los principios de formación de
soluciones sólidas sustitucionales también se aplican a los compuestos químicos. Debemos
considerar que en general, la carga de los iones de un compuesto químico afecta a la
naturaleza de la sustitución; por tanto, una regla básica adicional para la formación de
soluciones sólidas en compuestos es el mantenimiento de la neutralidad de la carga.
Bibliografía:
Shackelford J.K. – Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Pearson
Educación. (2005).
Smith W.F. – Fundamentos de la ciencia de materiales. McGraw-Hill. (2006).
José Antonio Pero-Sanz Elorz. ACEROS. Metalurgia Física, Selección y Diseño. Primera
Edición: Marzo 2004.