Regole di Hume-Rothery

Quali sono le regole di Hume-Rothery?

IL Regole di Hume-Rothery Sono un insieme di osservazioni che aiutano a prevedere se due metalli o due composti solidi saranno molto solubili tra loro. Fondata dall'inglese Metallurgico William Hume-Rothery, queste regole sono ampiamente utilizzate nello studio della composizione in lega, che non sono altro che soluzioni in metallo solido.

Pertanto, dando un'occhiata alle regole di Hume-Rothery è possibile prevedere quanto sia probabile la solubilità di due metalli. Sebbene tengano conto di diversi parametri come la dimensione di atomi, valenze e elettronegatività, non sempre hanno successo in tutti i casi, avendo eccezioni inspiegabili: i metalli che vengono allevati anche anche quando in teoria non dovrebbero.

La grande solubilità tra argento e oro nella formazione delle sue leghe obbedisce alle regole di Hume-Rothery

Oro e argento, due metalli visivamente diversi, sono in realtà molto solubili tra loro. Grazie a questa solubilità, i loro atomi sono miscelati per formare leghe. Questa solubilità è supportata dalle regole di Hume-Rothery, che indicano che gli atomi di Au e Ag non avranno solubilità limitate.

Regole

Regola 1: fattore di dimensione

Per due metalli, elementi o composti solidi da mescolare, i loro atomi non dovrebbero differire troppo per dimensioni. Il metallo predominante sarà il solvente, che è dove verrà sciolto il soluto, il metallo di meno proporzione.

Gli atomi di solvente, anche chiamati host, non saranno in grado di dissolvere o ospitare gli atomi di soluto se questi ultimi sono molto grandi o piccoli. Perché? Perché implicherebbe deformarsi la struttura solida del solvente, indesiderabile se ciò che viene richiesto è una lega.

Tuttavia, la prima regola di Hume-Rothery stabilisce che la differenza tra le radio atomiche tra atomi di solvente e solvente non dovrebbe essere maggiore del 15%. Cioè, l'atomo del soluto non dovrebbe essere del 15% più grande o piccolo degli atomi di solvente.

Quanto sopra può essere facilmente calcolato con la seguente equazione:

Può servirti: reazioni esotermiche ed endotermiche

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

Dove rsoluto è il raggio atomico del soluto, mentre Rsolvent è il raggio atomico del solvente. Questo calcolo deve mostrare un valore di %di differenza ≤ 15 %.

Regola 2: struttura cristallina

Le strutture cristalline del soluto e del solvente devono essere uguali o simili. Qui il commentato sopra: la struttura del solvente non può essere molto influenzata dall'aggiunta degli atomi del soluto.

Ad esempio, due metalli con strutture cubiche centrate sui volti (FCC) si mescoleranno senza molti inconvenienti. Mentre un metallo con struttura esagonale compatta (HCP), non tende a mescolarsi molto bene con uno con la struttura FCC.

Regola 3: Valencias

Le solubilità sono illimitate quando i due metalli hanno le stesse valenze. D'altra parte, quando questi sono diversi, il solvente tende a dissolvere il soluto con il più grande Valencia.

Maggiore è il Valencia, più smartner è l'atomo del soluto e la soluzione solida ottenuta del tipo interstiziale: il soluto sarà posizionato all'interno della cavità o dei pori della rete cristallina del solvente del solvente.

Ad esempio, se un metallo è ordinario una valenza di +2 (come il rame), presenterà una solubilità limitata quando si mescola con un metallo che ha una valenza di +3 (come l'alluminio).

Regola 4: elettronegatività

Il solvente e il soluto non dovrebbero avere elettronegatività molto diverse, altrimenti la loro solubilità sarà limitata. Cioè, un metallo "molto elettronegativo" non si inchinerà completamente con un metallo molto elettropositivo; Invece, i due si combinano per formare un composto intermetallico, non una lega.

Esempi

Le regole di Hume-Rothery sono giuste nei seguenti esempi:

-Leghe d'oro e nichel, Au-Ni, in cui il nichel presenta una buona solubilità in oro, poiché la rete d'oro cristallina è solo 1.15 volte più grande del nichel

Può servirti: reagente limitante ed eccessivo

-Solido Hafnio e Zirconio, soluzioni di ossidi HFO₂-Zro₂, Dove entrambi gli ioni sono miscelati perfettamente per avere radio e valenze simili, HF⁴⁺ e zr⁴⁺

-L'assorbimento di idrogeno nel paladio, poiché il raggio delle molecole di idrogeno non differisce di meno del 15% delle radio atomiche del paladio; Altrimenti, h₂ Non potrei mai essere mantenuto interstizialmente nei cristalli PD

-Leghe di cadmio e magnesio, CD-MG, per ragioni simili a quelle esposte alle leghe Au-Ni. Si noti che le valenze di entrambi i metalli sono uguali: CD²⁺ e mg²⁺, che contribuisce alla sua solubilità nonostante abbia radio atomiche relativamente diverse

Esercizi risolti

Successivamente e, infine, saranno esposti alcuni semplici esercizi in cui vengono messe in pratica le regole di Hume-Rothery.

Esercizio 1

Avere i seguenti dati a portata di mano:

Rau: 0.1442 nm, FCC, +1

Rag: 0.1445 nm, FCC, +1

E secondo le regole di Hume-Rothery, ti aspetteresti una solubilità illimitata tra i due metalli?

Sia l'oro che l'argento hanno strutture FCC (Regola 2) e lo stesso numero di Valencia (+1, sebbene l'oro può anche avere +3). Quindi, dobbiamo fare affidamento sulle radio atomiche prima di trarre conclusioni superficiali.

Per essere l'oro più costoso, supponiamo che l'argento sia il solvente e l'oro, il soluto. Avendo le loro rispettive radio atomiche espresse in nanometri (nm), procediamo a calcolare la percentuale delle loro differenze:

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

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

= 0.2076%

Si noti che prendiamo un valore positivo e che questo è molto inferiore al 15%. Pertanto, possiamo affermare che, secondo le regole di Hume-Rothery, l'oro e l'argento si mescoleranno senza alcun problema per formare leghe.

Esercizio 2

Avere i seguenti dati a portata di mano:

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

Può servirti: ossido di mercurio (HG2O)

RNI: 0.125 nm, FCC, elettronegatività 1.8, +2

Aspetteresti che il rame e il nichel formi leghe senza limiti?

Ancora una volta, ripetiamo il calcolo precedente poiché è l'unico parametro in cui mostrano differenze. Partiamo dal presupposto che il rame sia il solvente e che il nichel sia il soluto:

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

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

= 2.3. 4%

Questo valore è inferiore al 15%. Pertanto, non sorprende che entrambi i metalli in lega senza molte difficoltà.

Esercizio 3

Secondo i seguenti dati:

RSI: 0.117 nm, Diamond Cubic, Electronegatity 1.8, +4

Rge: 0.139 nm, Diamond Cubic, Electronegatity 2.0, +4

Ti aspetteresti che silicio e germanio formi soluzioni solide?

Questa volta notiamo che Germanio è un po 'più elettronegativo del silicio, che può giocare contro la solubilità tra i due. Calcoliamo la differenza tra le sue radio atomiche supponendo che Germanio sia il solvente e che il silicio sia il soluto:

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

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

= 15.82%

Si noti che la solubilità tra silicio e cristalli germanio è limitata: gli atomi di silicio sono 15.82% più piccolo degli atomi di Germanio. Oltre a ciò, dobbiamo aggiungere la differenza tra le sue elettronegatività.

Tuttavia, ciò non significa che i due elementi non possano essere miscelati, solo che le loro leghe si-Ge hanno percentuali limitate nella composizione di uno dei due elementi; Da questi valori, la lega Si-Ge non esiste.

Riferimenti

1. C. Barry Carter & M. Grant Norton. (2007). Scienza e ingegneria dei materiali in ceramica. Springer.
2. Whitten, Davis, Peck e Stanley. (2008). Chimica. (8 ° ed.). Apprendimento del Cengage.
3. Wikipedia. (2021). Regole di Hume-Rothery. Recuperato da: in.Wikipedia.org
4. H. K. D. H. Bhadeshia. (S.F.). Soluzioni solide: le regole di Hume-Rothery. Recuperato da: trasformati in fase.msm.Camera.AC.UK
5. Elsevier b.V. (2021). Roule Regola. Scienceirect. Estratto da: ScienceDirect.com