Solución sólida

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente. El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto (y formará una solución sólida sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Condiciones de formación de soluciones sólidas sustitucionales (Regla de Hume-Rothery)

Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución sólida sustitucional es un asunto complicado que dependerá de las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas (con solubilidad total) siempre que disolvente y soluto tengan:

  • Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener solubilidad total): Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y por tanto mayor solubilidad.
  • Igual estructura cristalina.
  • Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad electroquímica para formar solución sólida. En caso de tener gran afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el carácter iónico o covalente en la aleación.
  • Misma valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el disolvente, se favorece la solubilidad.

Aplicación industrial
Diagrama de fases mostrando soluciones sólidas en todo el rango de concentraciones relativas.

El diagrama de fases de la figura muestra una aleación de dos metales que forman una solución sólida a todas las concentraciones relativas de las dos especies. En este caso, la fase pura de ambos es de idéntica estructura cristalina, y las propiedades similares de los dos elementos permite sustituciones parciales en toda la amplia gama de concentraciones relativas de los dos metales.

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

Tipos

Existen 2 tipos de soluciones sólidas:

  • Sustitucional: El átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente
  • Intersticial: El átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del solvente.

Referencias
  • Callister, William D. Jr. (2006). Materials Science and Engineering: An Introduction, 7th edition, New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73696-1.
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