CTM 04 - Soluções sólidas

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4. Soluções Sólidas
Uma solução sólida se forma quando, na medida em que os átomos de soluto são
adicionados ao material hospedeiro (solvente), a estrutura cristalina é mantida e nenhuma
estrutura nova é formada.
Uma solução sólida também é homogênea em termos de sua composição – os átomos de
soluto estão distribuídos aleatoriamente e uniformemente no sólido.
As soluções sólidas, devida a presença dos átomos de soluto, podem ser de dois tipos:
soluções sólidas substitucionais e soluções sólidas intersticiais.
Nas SOLUÇÕES SÓLIDAS SUBSTITUCIONAIS, os átomos de soluto repõem ou substituem os
átomos hospedeiros, enquanto nas soluções sólidas intersticiais, os átomos de soluto estão
posicionados nos interstícios da estrutura cristalina, formada pelos átomos hospedeiros.
Várias características dos átomos o soluto e do solvente determinam o grau no qual os
primeiros se dissolvem nos segundos. Estas características são expressas como as Quatro Regras de
Hume-Rothery.
1. Fator do tamanho atômico – quantidades apreciáveis de soluto podem ser acomodadas
em soluções sólidas substitucionais, mas apenas quando a diferença entre o raio atômico do soluto
e o raio atômico do solvente for menor do que aproximadamente 15%. De outra forma, ao átomos
do soluto criarão distorções na rede e uma nova fase se formará.
2. Estrutura cristalina – para que a solubilidade sólida seja viável, as estruturas cristalinas do
soluto e do solvente devem ser as mesmas.
3. Fator de eletronegatividade – quanto maior for a eletropositividade de um elemento e
maior a eletronegatividade do outro elemento, maior será a probabilidade de formarem um
composto intermetálico, em vez de uma solução sólida substitucional.
4. Valências – se os fatores anteriores forem iguais, um metal terá a maior tendência a se
dissolver em outro metal de maior valência do que em um metal de menor valência.
Exemplo 1: Solução sólida substitucional entre cobre e zinco.
- Os dois elementos são completamente solúveis um no outro.
- Raios atômicos – Cu: 0,128 nm; Ni: 0,125 nm.
- Ambos apresentam estrutura cristalina CFC.
- Eletronegatividade – Cu: 1,9; Ni: 1,8.
- Valências mais comuns – Cu: +1 (em alguns casos +2); Ni: +2.
SOLUÇÕES SÓLIDAS INTERSTICIAIS – ocorrem quando os átomos do soluto preenchem
espaços vazios (interstícios) entre os átomos hospedeiros.
Para os materiais metálicos que possuem fatores de empacotamento atômico relativamente
elevados, as posições intersticiais são relativamente pequenas. Consequentemente o diâmetro
atômico de uma impureza intersticial deve ser substancialmente menor do que o diâmetro
atômico do hospedeiro. Normalmente a concentração máxima permissível de átomos de impureza
interstícial é baixa (inferior a 10%).
Mesmo sendo menores do que os átomos hospedeiros, os átomos de soluto intersticial são
maiores que as posições intersticiais, eles introduzem algumas deformações na rede dos átomos
hospedeiros adjacentes. 
Exemplo 2: Solução sólida intersticial de carbono no ferro.
- Raios atômicos – C: 0,071 nm; Fe: 0,124 nm.
- Concentração máxima de Carbono: aprox. 2%.
ESPECIFICAÇÃO DA COMPOSIÇÃO
A composição, ou concentração, de uma liga em termos de seus elementos constituintes
pode ser expressa em termos de porcentagem de peso (%p.) ou massa (%m.) ou em termos de
porcentagem atômica (%a.).
- Cálculo da porcentagem em peso para uma liga composta de dois elementos, 1 e 2.
Para uma liga, composta por dois elementos distintos, 1 e 2, a concentração do elemento 1,
em % peso, é definida por:
C1=
m1
m1+m2
x100
E a concentração do elemento 2, em %peso, é definida por:
C2=
m2
m1+m2
x100
onde m1 e m2 representam o peso (ou massa) dos elementos 1 e 2, respectivamente.
- Cálculo da porcentagem atômica para uma liga composta de dois elementos, 1 e 2.
Para o elemento 1:
C '1=
nm1
nm1+nm2
x100
onde nm1 é o número de mols em uma dada massa do elemento 1, dado por nm1=
m' 1
A1
onde m’1 é a massa (g) e A1 é o peso atômico do elemento 1 e nm2 é o número de mols em uma
dada massa do elemento 1, dado por nm2=
m' 2
A2
onde m’2 é a massa (g) e A2 é o peso atômico do
elemento 2.
E para o elemento 2:
C '2=
nm2
nm1+nm2
x100.
- Conversão entre as Composições (considerando uma liga com dois elementos).
1. Conversão de %peso para %atômica:
C '1=
C1 A2
C1 A2+C2 A1
x 100 C '2=
C2 A1
C2 A1+C1 A2
x100
C’1 + C’2 = 100
2. Conversão de %atômica para %peso:
C1=
C ' 1 A1
C ' 1 A1+C ' 2 A2
x100 C2=
C ' 2 A2
C ' 2 A2+C ' 1 A1
x100
C1 + C2 = 100
Exemplo 3: 
Determine a composição, em %atômica, de uma liga com 97%peso de Alumínio e 3%peso
de Cobre. 
Dados AAl = 26,98 g/mol e Acu = 63,55 g/mol.