Hume-rothery regels

Wat zijn de regels van Hume-Rothery?

De Hume-rothery regels Ze zijn een reeks observaties die helpen voorspellen of twee metalen of twee vaste verbindingen zeer oplosbaar voor elkaar zullen zijn. Opgericht door Engelse metallurgische William Hume-rothery, worden deze regels veel gebruikt in de studie van de samenstelling van de legering, die niets meer zijn dan solide metaaloplossingen.

Dus een kijkje nemen op de Hume-Rothery-regels is het mogelijk om te voorspellen hoe waarschijnlijk de oplosbaarheid van twee metalen zal zijn. Hoewel ze rekening houden met verschillende parameters, zoals de grootte van atomen, valenties en elektronegativiteiten, slagen ze niet altijd in alle gevallen, met onverklaarbare uitzonderingen: metalen die zelfs worden verhoogd, zelfs wanneer ze in theorie niet moeten worden.

De grote oplosbaarheid tussen zilver en goud bij de vorming van zijn legeringen gehoorzaamt de regels van Hume-rothery

Goud en zilver, twee visueel verschillende metalen, zijn eigenlijk zeer oplosbaar voor elkaar. Dankzij deze oplosbaarheid zijn hun atomen gemengd om legeringen te vormen. Deze oplosbaarheid wordt ondersteund door Hume-Rothery-regels, die aangeven dat AU- en AG-atomen geen beperkte oplosbaarheden zullen hebben.

Reglement

Regel 1: Grootte -factor

Voor twee metalen, elementen of vaste verbindingen om te mengen, moeten hun atomen niet te veel in grootte verschillen. Het overheersende metaal zal het oplosmiddel zijn, waar de opgeloste stof wordt opgelost, het metaal van minder verhouding.

De oplosmiddelatomen, ook wel gastheren genoemd, zullen de opgeloste atomen niet kunnen oplossen of hosten als de laatste erg groot of klein is. Omdat? Omdat het zou impliceren van het vervormen van de vaste structuur van het oplosmiddel, ongewenst als wat wordt gezocht een legering is.

De eerste regel van Hume-Rothery stelt echter vast dat het verschil tussen atomaire radio's tussen oplosmiddel- en oplosmiddelatomen niet groter moet zijn dan 15%. Dat wil zeggen, het opgeloste atoom mag niet 15% groter of klein zijn dan de oplosmiddelatomen.

Het bovenstaande kan eenvoudig worden berekend met de volgende vergelijking:

Kan u van dienst zijn: exotherme en endotherme reacties

%Verschil = (RSOLUTO - RSOLVENT) / (RSOLVENTE) X 100%

Waar rsoluto de atomaire straal van de opgeloste stof is, terwijl rSolvent de atomaire straal van het oplosmiddel is. Deze berekening moet een waarde van %verschil ≤ 15 %vertonen.

Regel 2: Kristallijne structuur

De kristallijne structuren van de opgeloste stof en oplosmiddel moeten hetzelfde of vergelijkbaar zijn. Hier heeft het hierboven becommentarieerde: de structuur van het oplosmiddel kan niet erg worden beïnvloed door de toevoeging van de atomen van de opgeloste stof.

Twee metalen met kubieke structuren gecentreerd op gezichten (FCC) zullen bijvoorbeeld zich vermengen zonder veel ongemakken. Terwijl een metaal met compacte zeshoekige structuur (HCP) niet zo goed mengt met één met FCC -structuur.

Regel 3: Valencias

De oplossen zijn onbeperkt wanneer de twee metalen dezelfde valenties hebben. Aan de andere kant, wanneer deze anders zijn, heeft het oplosmiddel de neiging om de opgeloste stof op te lossen met de grootste Valencia.

Hoe groter de Valencia, hoe smartner het opgeloste atoom en de verkregen vaste oplossing van het interstitiële type worden: de opgeloste stof wordt geplaatst in de holte of poriën van het kristallijne netwerk van het oplosmiddel van het oplosmiddel.

Als een metaal bijvoorbeeld gewoon is, een valentie van +2 (zoals koper), zal het een beperkte oplosbaarheid bieden bij het mengen met een metaal met een valentie van +3 (zoals aluminium).

Regel 4: Elektronegativiteit

Het oplosmiddel en de opgeloste stof mogen niet zeer verschillende elektronegativiteiten hebben, anders zal hun oplosbaarheid beperkt zijn. Dat wil zeggen, een "zeer elektronegatief" metaal zal niet volledig legering met een zeer elektropositief metaal; In plaats daarvan combineren de twee om een ​​intermetallische verbinding te vormen, geen legering.

Voorbeelden

Hume-Rothery-regels zijn goed in de volgende voorbeelden:

-Goud- en nikkellegeringen, Au-ni, waarin nikkel een goede oplosbaarheid in goud presenteert, omdat het Crystalline Gold Network slechts 1 is.15 keer groter dan nikkel

Kan u van dienst zijn: beperkend en overmatig reagens

-Solid Hafnio en Zirkonio, HFO Oxides Solutions₂-Zro₂, Waarbij beide ionen perfect worden gemengd voor het hebben van vergelijkbare radio's en valenties, HF⁴⁺ en ZR⁴⁺

-Waterstofabsorptie in paladium, omdat de straal van waterstofmoleculen niet verschilt met minder dan 15% van de atoomradio's van het paladium; Anders h₂ Ik zou nooit interstitieel kunnen worden bewaard bij PD -kristallen

-Cadmium- en magnesiumlegeringen, CD-MG, om redenen die vergelijkbaar zijn met die welke worden blootgesteld aan Au-Ni-legeringen. Merk op dat de valenties van beide metalen hetzelfde zijn: CD²⁺ en mg²⁺, die bijdraagt ​​aan de oplosbaarheid ervan ondanks het feit dat ze relatief verschillende atoomradio's hebben

Opgeloste oefeningen

Vervolgens en ten slotte worden enkele eenvoudige oefeningen tentoongesteld waar de Hume-Rothery-regels in de praktijk worden gebracht.

Oefening 1

De volgende gegevens bij de hand hebben:

RAU: 0.1442 nm, FCC, +1

Rag: 0.1445 nm, FCC, +1

En volgens Hume-Rothery-regels zou je een onbeperkte oplosbaarheid verwachten tussen beide metalen?

Zowel goud als zilver hebben FCC -structuren (regel 2) en hetzelfde aantal Valencia (+1, hoewel goud ook +3 kan hebben). We moeten dus op atomaire radio's vertrouwen voordat we oppervlakkige conclusies trekken.

Omdat we het duurste goud zijn, gaan we ervan uit dat zilver het oplosmiddel is, en het goud, de opgeloste stof. Met hun respectieve atomaire radio's uitgedrukt in nanometers (NM), gaan we verder met het berekenen van het percentage van hun verschillen:

%Verschil = (RSOLUTO - RSOLVENT) / (RSOLVENTE) X 100%

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

= 0.2076%

Merk op dat we een positieve waarde nemen en dat dit veel minder is dan 15%. Daarom kunnen we bevestigen dat volgens de regels van Hume-Rothery, goud en zilver zonder problemen zal mengen om legeringen te vormen.

Oefening 2

De volgende gegevens bij de hand hebben:

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

Kan u van dienst zijn: kwikoxide (hg2o)

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

Zou je wachten tot koper en nikkel legeringen vormen zonder beperkingen?

Nogmaals, we herhalen de vorige berekening, omdat dit de enige parameter is waar ze verschillen vertonen. We gaan ervan uit dat koper het oplosmiddel is en dat het nikkel de opgeloste stof is:

%Verschil = (RSOLUTO - RSOLVENT) / (RSOLVENTE) X 100%

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

= 2.3. 4%

Deze waarde is lager dan 15%. Daarom is het niet verwonderlijk dat beide metalen legering zonder veel moeilijkheden.

Oefening 3

Volgens de volgende gegevens:

RSI: 0.117 nm, diamanten kubieke, elektronegativiteit 1.8, +4

RGE: 0.139 nm, diamanten kubieke, elektronegativiteit 2.0, +4

Zou je verwachten dat silicium en germanio solide oplossingen vormen?

Deze keer merken we dat Germanio iets elektronegatief is dan silicium, dat kan spelen tegen oplosbaarheid tussen de twee. We berekenen het verschil tussen de atoomradio's ervan uitgaande dat Germanio het oplosmiddel is en dat silicium de opgeloste stof is:

%Verschil = (RSOLUTO - RSOLVENT) / (RSOLVENTE) X 100%

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

= 15.82%

Merk op dat de oplosbaarheid tussen silicium- en Germanio -kristallen beperkt is: siliciumatomen zijn 15.82% kleiner dan Germanio -atomen. Daarnaast moeten we het verschil toevoegen tussen de elektronegativiteiten ervan.

Dit betekent echter niet dat de twee elementen niet kunnen worden gemengd, alleen dat hun SI-GE-legeringen beperkte percentages hebben in de samenstelling van een van de twee elementen; Uit deze waarden bestaat de SI-GE-legering niet.

Referenties

1. C. Barry Carter & M. Grant Norton. (2007). Keramische materialen wetenschap en engineering. Springer.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Scheikunde. (8e ed.)). Cengage leren.
3. Wikipedia. (2021). Hume-rothery regels. Opgehaald uit: in.Wikipedia.borg
4. H. K. D. H. Bhadeshia. (S.F.)). Solid Solutions: The Hume-Rothery Rules. Hersteld van: fasetrans.MSM.Cam.AC.Uk
5. Elsevier B.V. (2021). Roule -regel. Wetenschappelijk. Opgehaald uit: Scientedirect.com