Solución sólida

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.

Condiciones de formación (Regla de Hume-Rothery)

Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución sólida es un asunto complicado que dependerá de las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas siempre que solvente y soluto tengan:

• Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener solubilidad total): Cuanto más similares sean, menor distorsión de red y por tanto mayor solubilidad.
• Igual estructura cristalina.
• Similar electronegatividad: Los metales deben tener poca afinidad electroquímica para formar solución sólida. En caso de tener gran afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el carácter iónico o covalente en la aleación.
• Similar valencia: Si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el disolvente, se favorece la solubilidad.

Mineralogía

En los minerales que aparecen de forma natural en las rocas es muy frecuente la existencia de soluciones sólidas, de forma que la sustitución de unos átomos por otros en la estructura cristalina produce distintas variedades del mismo mineral o incluso son considerados minerales distintos cuando las propiedades cambian mucho.

Un ejemplo importante de esto lo constituye la serie de solución sólida continua de las plagioclasas, donde la composición varía entre el extremo sódico de albita (NaAlSi₃O₈) hasta el extremo cálcico de anortita (CaAl₂Si₂O₈)

Aplicación industrial

Diagrama de fases mostrando soluciones sólidas en todo el rango de concentraciones relativas.

El diagrama de fases de la figura muestra una aleación de dos metales que forman una solución sólida a todas las concentraciones relativas de las dos especies. En este caso, la fase pura de ambos es de idéntica estructura cristalina, y las propiedades similares de los dos elementos permite sustituciones parciales en toda la amplia gama de concentraciones relativas de los dos metales.

Las soluciones sólidas tienen importantes aplicaciones comerciales e industriales, tales como la obtención de mezclas que pueden tener propiedades superiores a las de los materiales puros. Muchas aleaciones de metales son soluciones sólidas. Incluso pequeñas cantidades de soluto pueden afectar a las propiedades físicas y eléctricas del solvente.

Referencias

• Callister, William D. Jr. (2006). Materials Science and Engineering: An Introduction, 7th edition, New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-73696-1.