Una solución sólida es
una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente. Tal mezcla
es considerada una solución en lugar de un compuesto siempre que la estructura
cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus átomos
por los átomos de los solutos y además la mezcla permanezca homogénea.
El soluto puede
incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante
sustitución, reemplazando cada partícula del disolvente por una partícula del
soluto, o bien de forma intersticial, encajándose cada partícula de soluto
dentro del espacio que hay entre partículas 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.
Soluciones sustitucionales: En las soluciones sólidas sustitucionales los átomos de B se colocan sustituyendo algunos átomos de A en la red, tal y como se representa en la figura de la izquierda.
Soluciones Intersticiales: Las soluciones sólidas intersticiales son
aquellas en las que los átomos de B se colocan en posiciones huecas (no en
vacantes) dejadas entre los átomos de A en la red.
Las soluciones sólidas intersticiales sólo se producen
cuando el soluto B tiene un radio atómico muy pequeño. Los átomos que se
colocan en los intersticios de la red suelen ser del tipo H, N, C,…
La solubilidad de B en A
puede ser total o parcial.
La solubilidad total sólo
puede darse en el caso de soluciones sólidas sustitucionales y significa que
para cualquier % de B (desde 0% hasta el 100%) los átomos de B se ubican
sustitucionalmente en la red de A. La primera condición de solubilidad total es
que A y B cristalicen según la misma red.
DIAGRAMA DE FASE
Son representaciones
gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases sólida, líquida y gaseosa
de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de
presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de
fusión con la presión.
Un diagrama de fases no
solamente sirve para determinar el estado físico en el que se encuentra una
sustancia a una presión y temperatura dadas, sino también para predecir los
cambios que tienen lugar cuando cambian las condiciones.
Ya sabemos que cuando se
solidifica un metal puro se obtiene una curva de enfriamiento en la que se
produce el cambio de fase a temperatura constante. Sin embargo, en la
solidificación de una aleación el cambio de fase se produce entre un margen de
temperaturas. Si se analiza cómo solidifican la mezcla de los dos mismos
componentes en distintas proporciones tendremos una serie de gráficas como las
siguientes:
Sustancias Puras:
Consideremos un sistema con
un sólo componente (H2O) despreciamos la disociación. Vamos a
representar cualquier estado del sistema mediante un diagrama de fases.
A temperaturas bajas y
presiones moderadas o altas tenemos la fase sólida. A presiones bajas la
fase gaseosa y a temperaturas y presiones intermedias la fase líquida.
·
OA: Equilibrio de fases sólido-gas, nos da
los puntos de sublimación del sólido.
·
AD: Equilibrio sólido-líquido, nos da los
puntos de fusión.
·
AC: Equilibrio líquido-gas, nos da los puntos
de ebullición.
·
A: Punto triple. Punto en el que coexisten
las tres fases: sólido, líquido y gas.
·
C: Punto crítico. Por encima de Tc no
es posible licuar un gas por compresión.
Fijada la presión a 1 atm
los puntos de corte con las líneas AD y AC nos dan los puntos de fusión normal
y ebullición normal (para el agua 0ºC y 100ºC).
En el punto crítico la
densidad de la fase líquida y vapor se igualan, líquido y gas tienen las mismas
propiedades.
Sustancias Isomorfas:
La
palabra isomorfo proviene de las raíces griegas iso, que significa igual y
morfo, que significa forma. Así, un diagrama isomorfo se caracteriza por tener
la misma forma. Estos diagramas hacen alusión al hecho de que siempre son
descritos como una elipse en el medio. Lo que representan físicamente estos
diagramas es que ambos componentes, independientemente de la concentración de
uno y de otro o de la fase en que se encuentren, sea esta sólida, líquida o
gas, siempre estarán disueltos el uno en el otro para un mismo rango de
temperatura y presión.
Un
diagrama isomorfo es aquel que describe por ejemplo el comportamiento del agua
en presencia del alcohol. Ya sea que se agregue un poco de agua al alcohol o
bien un poco de alcohol al agua, o cualquier proporción de uno y otro, el
agua siempre disolverá al alcohol en su totalidad y viceversa.
Estos
diagramas son el resultado de ciertas propiedades químicas similares entre
ambos componentes, tales como polaridad, densidad, interacciones,
electronegatividades, etc. Así, los diagramas de fase isomorfos describen
una miscibilidad total entre las dos sustancias, independientemente de las
concentraciones de una y otra.
Sustancias Eutécticas:
Considerando los aspectos
teóricos del procedimiento, los podemos resumir diciendo que cuando dos
substancias se funden conjuntamente, los líquidos resultantes pueden ser:
- no miscibles
- parcialmente miscibles
- completamente miscibles
Los diagramas de fases de
los sistemas pueden damos información útil acerca de estos fenómenos. En el
caso de substancias no miscibles, el diagrama de fases es muy simple, siempre
que no se formen compuestos intermedios. En el caso de la figura 1.3, que
representa el caso de una mezcla de A y B en diferentes proporciones, el
componente B se separa cuando la mezcla tiene una composición de 0% a 40% de A.
Inversamente, si la mezcla está constituída por 0% a 60% de B, se observará
solamente la separación del producto A.
El punto de
congelamiento inicial para toda composición cae sobre la línea que marca el
límite del área líquida. A una composición líquida determinada y a una
temperatura correspondiente a un punto en esta línea, puede existir un
equilibrio entre dos fases y el líquido debe tener la composición indicada a
cada temperatura cuando está en equilibrio con la fase sólida.
Cuando el
sistema se encuentra a una temperatura dada o a una composición que está
comprendida en las regiones marcadas "líquido + sólido" (A+ líquido o
B + líquido), éste está formado por dos fases en equilibrio. Por ejemplo, en el
diagrama de fases de la figura 1.3, a una temperatura tÂ’ corresponde una
mezcla de B puro y de un líquido que contiene 40% de A 60% de B.
El punto de
intersección, E, de las dos curvas que separan la zona líquida y la zona donde
el líquido se encuentra en equilibrio con el sólido, se llama "punto
eutéctico" (del griego: "fusión fácil") y
es la temperatura más baja a la cual puede existir la fase líquida. A este
punto corresponde una temperatura y una composición determinada que, para la
mezcla del diagrama de la figura 1.3, corresponde a 40% de A y 60% de B. Un
líquido de esta composición, al enfriamiento forma dos fases sólidas separadas,
A y B puras. Cuando una mezcla fundida posee un diagrama de fases como éste, la
última gota de líquido contiene siempre la composición eutéctica y es solamente
en el punto eutéctico que los dos sólidos se separan. El enfriamiento de las
mezclas para cualquier otra composición no dará lugar a la separación de una
sola fase sólida.
