solución sólida

Una solución sólida, término comúnmente utilizado para metales, es una mezcla homogénea de dos compuestos en estado sólido con una estructura cristalina única . ^{[ 1 ]} Se pueden encontrar numerosos ejemplos en metalurgia , geología y química del estado sólido . El término «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 las soluciones sólidas: disolventes y solutos, según la abundancia relativa de las especies atómicas.

El soluto puede incorporarse a la red cristalina del disolvente de forma sustitucional , reemplazando una partícula de disolvente en la red, o de forma intersticial , encajando en el espacio entre las partículas de disolvente. ^{[ 2 ]}

Las soluciones sólidas consisten en composiciones fraccionarias de uno o más de sus iones constituyentes entre extremos puros e isoestructurales, conocidos como miembros extremos o precursores. Por ejemplo, los compuestos precursores cloruro de sodio (NaCl) y cloruro de potasio (KCl) tienen la misma estructura cristalina cúbica, por lo que es posible preparar una solución sólida con cualquier proporción de sodio a potasio (Na₁₋ₓKₓ _{) Cl, por ejemplo ,} disolviendo esa proporción de NaCl y KCl en agua y luego evaporando el agua.

Un ejemplo de solución sólida de esta familia se vende bajo la marca Lo Salt , que es (Na _0.33 K _0.66 )Cl, por lo que contiene un 66 % menos de sodio que el NaCl puro. ^{[ 3 ]} De manera similar, la sal yodada suele estar compuesta por alrededor de 50-100 ppm de yoduro de potasio (KI) disuelto en un disolvente de NaCl. En contraste, un ejemplo de mezcla física es el mineral silvinita , que contiene grandes trozos separados de NaCl y KCl, y por lo tanto es heterogéneo y no una solución sólida.

Debido a que los minerales son materiales naturales, son propensos a grandes variaciones en su composición. En muchos casos, los especímenes pertenecen a una familia de soluciones sólidas y a los geólogos les resulta más útil analizar la composición de la familia que la de un espécimen individual. El olivino se describe mediante la fórmula (Mg, Fe)₂SiO₄ _{, que es equivalente a (Mg₁₋ₓFeₓ)₂SiO₄} . La _proporción de _magnesio a hierro varía entre los dos miembros extremos de la serie _{de soluciones} sólidas: forsterita ( miembro extremo de Mg: Mg₂SiO₄ ₎ y fayalita (miembro extremo de Fe: _Fe₂SiO₄ ) ^[ ₄ ^] _, pero la proporción en el olivino no suele estar definida. Con composiciones cada vez más complejas, la notación geológica resulta significativamente más fácil de manejar que la ^notación química .

La definición de solución sólida de la IUPAC es "un sólido en el que los componentes son compatibles y forman una fase única". ^{[ 5 ]}

La definición "cristal que contiene un segundo constituyente que encaja y se distribuye en la red del cristal anfitrión" dada en las referencias ^{[ 6 ] [ 7 ]} no es general y, por lo tanto, no se recomienda.

Esta expresión se utiliza para describir una fase sólida que contiene más de una sustancia cuando, por conveniencia, una (o más) de las sustancias, denominadas disolvente, se tratan de manera diferente a las demás sustancias, denominadas 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 a la que la fase amorfa de un polímero se convierte entre los estados vítreo y 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 disolvente (plastificante) de polímeros es pequeño. ^{[ 5 ]}

En un diagrama de fases, una solución sólida se representa mediante un área, a menudo etiquetada con el tipo de estructura, que abarca los rangos de composición y temperatura/presión. Cuando los miembros extremos no son isoestructurales, es probable que existan dos rangos de solución sólida con estructuras diferentes determinadas por los componentes originales. En este caso, los rangos pueden superponerse y los materiales en esta región pueden tener cualquiera de las dos estructuras, o puede existir una brecha de miscibilidad en estado sólido, lo que indica que los intentos de generar materiales con esta composición darán como resultado mezclas. En las áreas de un diagrama de fases que no están cubiertas por una solución sólida, pueden existir fases lineales; estas son compuestos con una estructura cristalina conocida y una estequiometría definida. 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 definida 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 los dos metales involucrados no están cerca uno del otro en la tabla periódica. ^{[ 8 ]}

El soluto puede incorporarse a la red cristalina del disolvente de forma sustitucional , reemplazando una partícula de disolvente en la red, o de forma intersticial , encajando en el espacio entre partículas de disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan las propiedades del material al distorsionar la red cristalina y alterar la homogeneidad física y eléctrica del disolvente. ^{[ 9 ]} Cuando el radio atómico de un átomo de soluto es mayor que el del átomo de disolvente al que reemplaza en una estructura cristalina, la celda unitaria generalmente se expande para acomodar el átomo más grande. En este caso, la composición de una solución sólida puede calcularse a partir del volumen de la celda unitaria utilizando una relación conocida como la ley de Vegard . ^{[ 10 ]}

Algunas mezclas formarán fácilmente soluciones sólidas en un rango de concentraciones, mientras que otras no las formarán en absoluto. La propensión de dos sustancias cualesquiera a formar una solución sólida es un asunto complejo que involucra las propiedades químicas , cristalográficas y cuánticas de las sustancias en cuestión. Las soluciones sólidas de sustitución, de acuerdo con las reglas de Hume-Rothery , pueden formarse si el soluto y el solvente tienen:

• radios atómicos similares (diferencia del 15% o menos)
• la misma estructura cristalina
• electronegatividades similares
• valencia similar

Una solución sólida puede mezclarse con otras para formar una nueva solución.

El diagrama de fases binario que se muestra arriba representa una aleación de dos metales que forman una solución sólida en todas las concentraciones relativas de ambas especies. En este caso, la fase pura de cada elemento tiene la misma estructura cristalina, y las propiedades similares de ambos 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 detallada del diagrama de fases, con más de una curva de solvus trazada que corresponda a diferentes condiciones de equilibrio químico. ^{[ 11 ]}

Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, ya que estas mezclas suelen presentar propiedades superiores a las de sus componentes puros. Muchas aleaciones metálicas son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar notablemente 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,${\displaystyle A}$y${\displaystyle B}$. La región etiquetada "${\displaystyle \alpha }$" es una solución sólida, con${\displaystyle B}$actuando como soluto en una matriz de${\displaystyle A}$. En el otro extremo de la escala de concentración, la región etiquetada "${\displaystyle \beta }$" también es una solución sólida, con${\displaystyle A}$actuando como soluto en una matriz de${\displaystyle B}$. La gran región sólida entre los${\displaystyle \alpha }$y${\displaystyle \beta }$soluciones sólidas, etiquetadas "${\displaystyle \alpha }$+${\displaystyle \beta }$", no es una solución sólida. En cambio, un examen de la microestructura de una mezcla en este rango revelaría dos fases: solución sólida${\displaystyle A}$-en-${\displaystyle B}$y solución sólida${\displaystyle B}$-en-${\displaystyle A}$formarían fases separadas, tal vez lamelas o granos .

En el diagrama de fases, a tres concentraciones diferentes, el material será sólido hasta que se caliente a su punto de fusión y luego (después de añadir el calor de fusión ) se convertirá en líquido a esa misma temperatura:

• la extrema izquierda pura
• la extrema derecha pura
• la depresión en el centro (la composición eutéctica ).

En otras proporciones, el material entrará en una fase blanda o pastosa hasta que se caliente y se derrita por completo.

La mezcla en el punto de inflexión 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, especialmente si se realiza manualmente, ya que la fase sólida se alcanza rápidamente al enfriarse la soldadura. En cambio, cuando se utilizaban mezclas de plomo y estaño para soldar juntas en carrocerías de automóviles, su consistencia pastosa permitía darles forma con una paleta o herramienta de madera, por lo que se empleaba una proporción de plomo a estaño de 70:30. (El plomo se está eliminando de estas aplicaciones debido a su toxicidad y la consiguiente dificultad para reciclar dispositivos y componentes que lo contienen).

Cuando una solución sólida se vuelve inestable —debido a una temperatura más baja, por ejemplo— se produce la exsolución y las dos fases se separan en distintas láminas microscópicas a macroscópicas . Esto se debe principalmente a la diferencia en el tamaño de los cationes. Es poco probable que los cationes con una gran diferencia de radios se sustituyan fácilmente. ^{[ 12 ]}

Los minerales de feldespato alcalino , por ejemplo, tienen como miembros extremos albita , NaAlSi₃O₈ _, y microclina , KAlSi₃O₈ _. A altas temperaturas, Na⁺ y ^K⁺ se ^sustituyen fácilmente entre sí, por lo que los minerales formarán una solución sólida; sin embargo, a bajas temperaturas, la albita solo puede sustituir una pequeña cantidad de K⁺, _y ^lo mismo ocurre con el Na⁺ ^{en la microclina.} _Esto conduce a la exsolución, donde se separarán en dos fases distintas. En el caso de los minerales de feldespato alcalino, finas capas blancas de albita se alternarán con microclina típicamente rosada, ^{[ 12 ]} dando como resultado una textura de pertita .

• Fortalecimiento por solución sólida

• Paquete de enseñanza y aprendizaje DoITPoMS: "Soluciones sólidas"