Una solución sólida, un término popularmente utilizado para los metales, es una mezcla homogénea de dos compuestos en estado sólido y que tiene una estructura monocristalina . [1] Se pueden encontrar muchos ejemplos en metalurgia , geología y 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 , existirá una solución sólida entre los miembros finales (también conocidos como progenitores). Por ejemplo, el cloruro de sodio y el cloruro de potasio tienen la misma estructura cristalina cúbica, por lo que es posible hacer un compuesto puro con cualquier proporción de sodio a potasio (Na 1-x K 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 0.33 K 0.66 )Cl, por lo tanto, 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 los geólogos encuentran más útil discutir la composición de la familia que de un espécimen individual. El olivino se describe mediante la fórmula (Mg, Fe) 2 SiO 4 , que es equivalente a (Mg 1−x Fe x ) 2 SiO 4 . La relación de magnesio a hierro varía entre los dos miembros finales de la serie de soluciones sólidas: forsterita (miembro final de Mg: Mg 2 SiO 4 ) y fayalita (miembro final de Fe: Fe 2 SiO 4 ) [2] pero la relación en el olivino normalmente no está definida. Con composiciones cada vez más complejas, la notación geológica se vuelve significativamente más fácil de manejar que la notación química.
La definición de la IUPAC de una solución sólida es un "sólido en el que los componentes son compatibles y forman una fase única". [3]
La definición "cristal que contiene un segundo constituyente que encaja y se distribuye en la red del cristal anfitrión" dada en las referencias [4] [5] no es general y, por lo tanto, no se recomienda.
La expresión se utiliza para describir una fase sólida que contiene más de una sustancia cuando, por conveniencia, una (o más) de las sustancias, llamadas disolvente, se trata de forma diferente a las otras sustancias, llamadas solutos.
Uno o varios de los componentes pueden ser macromoléculas . Algunos de los otros componentes pueden actuar como plastificantes, es decir, como sustancias dispersas molecularmente que disminuyen la temperatura de transición vítrea en la que la fase amorfa de un polímero pasa del estado vítreo al gomoso.
En las preparaciones farmacéuticas, el concepto de solución sólida se aplica a menudo al caso de mezclas de fármaco y polímero .
El número de moléculas de fármacos que se comportan como disolventes (plastificantes) de polímeros es pequeño. [6]
En un diagrama de fases, una solución sólida se representa mediante 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 solución sólida con diferentes estructuras dictadas por los padres. En este caso, los rangos pueden superponerse y los materiales en esta región pueden tener cualquiera de las dos estructuras, o puede haber una brecha de miscibilidad en estado sólido que indique 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, puede haber fases lineales, que son 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 establecida se denominan compuestos intermetálicos . Es probable que exista una solución sólida cuando los dos elementos (generalmente metales ) involucrados están cerca uno del otro en la tabla periódica ; un compuesto intermetálico generalmente resulta cuando dos metales involucrados no están cerca uno del otro en la tabla periódica. [7]
El soluto puede incorporarse a la red cristalina del disolvente de forma sustitutiva , reemplazando una partícula de disolvente en la red, o de forma intersticial , ajustándose al espacio entre las partículas de disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan las propiedades del material distorsionando la red cristalina y alterando la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente. [8] Cuando el radio atómico del átomo de soluto es mayor que el átomo de disolvente 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, una relación conocida como ley de Vegard . [9]
Algunas mezclas forman fácilmente soluciones sólidas en un rango de concentraciones, mientras que otras no forman soluciones sólidas en absoluto. La propensión de dos sustancias cualesquiera a formar una solución sólida es un asunto complicado que involucra las propiedades químicas , cristalográficas y cuánticas de las sustancias en cuestión. Las soluciones sólidas sustitutivas, de acuerdo con las reglas de Hume-Rothery , pueden formarse si el soluto y el solvente tienen:
Una solución sólida se mezcla con otras para formar una nueva solución.
El diagrama de fases de la figura 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 elaborada del diagrama de fases con más de una curva de solvus dibujada correspondiente a diferentes condiciones químicas de equilibrio. [10]
Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que estas mezclas suelen tener propiedades superiores a las de los materiales puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar las propiedades eléctricas y físicas del disolvente.
El diagrama de fases binario en el diagrama anterior muestra las fases de una mezcla de dos sustancias en concentraciones variables, y . La región etiquetada como " " es una solución sólida, con actuando como soluto en una matriz de . En el otro extremo de la escala de concentración, la región etiquetada como " " también es una solución sólida, con actuando como soluto en una matriz de . La gran región sólida entre las soluciones sólidas y , etiquetada como " + ", no es una solución sólida. En cambio, un examen de la microestructura de una mezcla en este rango revelaría dos fases: solución sólida -en- y solución sólida -en- formarían fases separadas, tal vez láminas o granos .
En el diagrama de fases, en tres concentraciones diferentes, el material será sólido hasta que se caliente hasta su punto de fusión , y luego (después de agregar el calor de fusión ) se volverá líquido a esa misma temperatura:
En otras proporciones, el material entrará en una fase pastosa hasta que se caliente hasta derretirse completamente.
La mezcla en el punto de inmersión del diagrama se denomina aleación eutéctica . Las mezclas de plomo y estaño formuladas en ese punto (mezcla 37/63) son útiles para soldar componentes electrónicos, en particular si se hace manualmente, ya que la fase sólida se introduce rápidamente a medida que la soldadura se enfría. En cambio, cuando se utilizaban mezclas de plomo y estaño para soldar costuras en carrocerías de automóviles, un estado pastoso permitía darle forma con una paleta o herramienta de madera, por lo que se utilizaba una proporción de plomo y estaño de 70-30. (El plomo se está eliminando de dichas aplicaciones debido a su toxicidad y la consiguiente dificultad para reciclar dispositivos y componentes que incluyen plomo).
Cuando una solución sólida se vuelve inestable (debido, por ejemplo, a una temperatura más baja), se produce una exsolución y las dos fases se separan en láminas microscópicas o megascópicas diferenciadas . Esto se debe principalmente a la diferencia en el tamaño del catión. Es poco probable que los cationes que tienen una gran diferencia en los radios se sustituyan fácilmente. [11]
Los minerales de feldespato alcalino , por ejemplo, tienen miembros finales de albita , NaAlSi3O8 y microclina , KAlSi3O8 . A altas temperaturas, Na + y K + se sustituyen fácilmente entre sí y, por lo tanto, los minerales formarán una solución sólida, pero 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 de feldespato alcalino, las delgadas capas blancas de albita se alternarán entre la microclina típicamente rosada, [11] lo que da como resultado una textura de pertita .
