Regras de Hume-Rothery

Quais são as regras de Hume-Rothery?

As Regras de Hume-Rothery Eles são um conjunto de observações que ajudam a prever se dois metais ou dois compostos sólidos serão muito solúveis entre si. Estabelecido pelo inglês William Hume-Rothery, essas regras são amplamente utilizadas no estudo da composição da liga, que nada mais são do que soluções de metal sólido.

Assim, dando uma olhada nas regras do Hume-Rothery, é possível prever a probabilidade de a solubilidade de dois metais. Embora eles levem em consideração vários parâmetros, como o tamanho de átomos, valências e eletronegatividades, nem sempre são bem -sucedidos em todos os casos, tendo exceções inexplicáveis: metais que são levantados mesmo quando em teoria eles não devem.

A grande solubilidade entre prata e ouro na formação de suas ligas obedece às regras de Hume-Rothery

Ouro e prata, dois metais visualmente diferentes, são realmente muito solúveis um para o outro. Graças a essa solubilidade, seus átomos são misturados para formar ligas. Essa solubilidade é suportada pelas regras Hume-Rothery, que indicam que os átomos de Au e AG não terão solubilidades limitadas.

Regras

Regra 1: fator de tamanho

Para dois metais, elementos ou compostos sólidos para misturar, seus átomos não devem diferir muito em tamanho. O metal predominante será o solvente, que é onde o soluto será dissolvido, o metal de menos proporção.

Os átomos de solvente, também chamados de hosts, não serão capazes de dissolver ou hospedar os átomos de soluto se estes forem muito grandes ou pequenos. Porque? Porque isso implicaria deformar a estrutura sólida do solvente e indesejável se o que é procurado for uma liga.

No entanto, a primeira regra de Hume-Rothery estabelece que a diferença entre os rádios atômicos entre os átomos de solvente e solvente não deve ser maior que 15%. Isto é, o átomo de soluto não deve ser 15% maior ou pequeno que os átomos de solvente.

O exposto acima pode ser facilmente calculado com a seguinte equação:

Pode atendê -lo: reações exotérmicas e endotérmicas

%Diferença = (rsoluto - rsolvent) / (rsolvente) x 100%

Onde rsoluto é o raio atômico do soluto, enquanto o rsolvente é o raio atômico do solvente. Este cálculo deve mostrar um valor de %de diferença ≤ 15 %.

Regra 2: Estrutura cristalina

As estruturas cristalinas do soluto e solvente devem ser iguais ou semelhantes. Aqui os comentados acima: a estrutura do solvente não pode ser muito afetada pela adição dos átomos do soluto.

Por exemplo, dois metais com estruturas cúbicas centradas em faces (FCC) se misturam sem muitos inconvenientes. Enquanto um metal com estrutura hexagonal compacta (HCP) não tende a se misturar muito bem com uma com estrutura da FCC.

Regra 3: Valenciais

As solubilidades são ilimitadas quando os dois metais têm as mesmas vales. Por outro lado, quando estes são diferentes, o solvente tende a dissolver o soluto com a maior Valência.

Quanto maior o Valencia, o Smartner, o átomo de soluto e a solução sólida obtida se tornarão do tipo intersticial: o soluto será posicionado dentro do oco ou dos poros da rede cristalina do solvente do solvente.

Por exemplo, se um metal for comum uma valência de +2 (como cobre), apresentará uma solubilidade limitada ao misturar com um metal com valência de +3 (como alumínio).

Regra 4: Eletronegatividade

O solvente e o soluto não devem ter eletronegatividades muito diferentes, caso contrário, sua solubilidade será limitada. Ou seja, um metal "muito eletronegativo" não será completamente liga com um metal muito eletropositivo; Em vez disso, os dois se combinam para formar um composto intermetálico, não uma liga.

Exemplos

As regras de Hume-Rothery estão certas nos seguintes exemplos:

-Ligas de ouro e níquel, Au-ni, no qual o níquel apresenta boa solubilidade em ouro, pois a rede de ouro cristalina é apenas 1.15 vezes maior que níquel

Pode atendê -lo: reagente limitante e excessivo

-Soluções sólidas de Hafnio e Zirconio, HFO Oxides₂-ZRO₂, Onde ambos os íons são misturados perfeitamente para ter rádios e valências semelhantes, HF⁴⁺ e zr⁴⁺

-A absorção de hidrogênio no paládio, pois o raio das moléculas de hidrogênio não difere em menos de 15% dos rádios atômicos do paládio; Caso contrário, h₂ Eu nunca poderia ser retido intersticialmente em cristais de PD

-Ligas de cádmio e magnésio, CD-MG, por razões semelhantes às expostas a ligas Au-Ni. Observe que as valências de ambos os metais são iguais: CD²⁺ e mg²⁺, o que contribui para sua solubilidade, apesar de ter rádios atômicos relativamente diferentes

Exercícios resolvidos

Em seguida e, finalmente, alguns exercícios simples serão exibidos onde as regras do Hume-Rothery são colocadas em prática.

Exercício 1

Tendo os seguintes dados em questão:

Rau: 0.1442 nm, FCC, +1

Pano: 0.1445 nm, FCC, +1

E de acordo com as regras Hume-Rothery, você esperaria solubilidade ilimitada entre os dois metais?

Tanto o ouro quanto a prata têm estruturas da FCC (regra 2) e o mesmo número de Valência (+1, embora o ouro também possa ter +3). Então, devemos confiar em rádios atômicos antes de tirar conclusões superficiais.

Por ser o ouro mais caro, assumiremos que a prata é o solvente e o ouro, o soluto. Tendo seus respectivos rádios atômicos expressos em nanômetros (NM), passamos a calcular a porcentagem de suas diferenças:

%Diferença = (rsoluto - rsolvent) / (rsolvente) x 100%

= (0.1442 - 0.1445) / (0.1445) x 100%

= 0.2076%

Observe que assumimos um valor positivo e que isso é muito menor que 15%. Portanto, podemos afirmar que, de acordo com as regras de Hume-Rothery, o ouro e a prata se misturam sem nenhum problema para formar ligas.

Exercício 2

Tendo os seguintes dados em questão:

RCU: 0.128 nm, FCC, Eletronegatividade 1.8, +2

Pode atendê -lo: óxido de mercúrio (HG2O)

Rni: 0.125 nm, FCC, Eletronegatividade 1.8, +2

Você esperaria que cobre e níquel formarem ligas sem limitações?

Novamente, repetimos o cálculo anterior, pois é o único parâmetro em que eles mostram diferenças. Assumimos que o cobre é o solvente e que o níquel é o soluto:

%Diferença = (rsoluto - rsolvent) / (rsolvente) x 100%

= (0.125 - 0.128) / (0.128) x 100%

= 2.3. 4%

Este valor está abaixo de 15%. Portanto, não é de surpreender que a liga de ambos os metais sem muitas dificuldades.

Exercício 3

De acordo com os seguintes dados:

RSI: 0.117 nm, diamante cúbico, eletronegatividade 1.8, +4

Rge: 0.139 nm, diamante cúbico, eletronegatividade 2.0, +4

Você esperaria que o silício e o Germanio formassem soluções sólidas?

Desta vez, notamos que o Germanio é um pouco mais eletronegativo que o silício, que pode jogar contra a solubilidade entre os dois. Calculamos a diferença entre seus rádios atômicos, assumindo que o Germanio é o solvente e que o silício é o soluto:

%Diferença = (rsoluto - rsolvent) / (rsolvente) x 100%

= (0.117 - 0.139) / (0.139) x 100%

= 15.82%

Observe que a solubilidade entre os cristais de silício e Germanio é limitada: os átomos de silício são 15.82% menores que os átomos de Germanio. Além disso, devemos adicionar a diferença entre suas eletronegatividades.

No entanto, isso não significa que os dois elementos não possam ser misturados, apenas que suas ligas Si-Ge tenham porcentagens limitadas na composição de um dos dois elementos; Desses valores, a liga Si-Ge não existe.

Referências

1. C. Barry Carter & M. Grant Norton. (2007). Ciência e Engenharia de Materiais de Cerâmica. Springer.
2. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Química. (8ª ed.). Cengage Learning.
3. Wikipedia. (2021). Regras de Hume-Rothery. Recuperado de: em.Wikipedia.org
4. H. K. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Soluções sólidas: as regras do Hume-Rothery. Recuperado de: Fase-Trans.MSM.Cam.AC.Reino Unido
5. Elsevier b.V. (2021). ROLE ROULE. Cientedirect. Recuperado de: ScientEdirect.com