Règles Hume-Rothery

Quelles sont les règles de Hume-Rothery?

Le Règles Hume-Rothery Ils sont un ensemble d'observations qui aident à prédire si deux métaux ou deux composés solides seront très solubles les uns aux autres. Créés par l'anglais métallurgique William Hume-Rothery, ces règles sont largement utilisées dans l'étude de la composition en alliage, qui ne sont rien de plus que des solutions de métal solide.

Ainsi, en jetant un œil aux règles Hume-Rothery, il est possible de prédire la probabilité que la solubilité de deux métaux sera. Bien qu'ils prennent en compte plusieurs paramètres tels que la taille des atomes, des valences et des électronégativités, ne réussissent pas toujours dans tous les cas, ayant des exceptions inexplicables: les métaux qui sont soulevés même lorsqu'ils ne devraient pas en théorie, ils ne devraient pas.

La grande solubilité entre l'argent et l'or dans la formation de ses alliages obéit aux règles de Hume-Rothery

L'or et l'argent, deux métaux visuellement différents, sont en fait très solubles les uns aux autres. Grâce à cette solubilité, leurs atomes sont mélangés pour former des alliages. Cette solubilité est soutenue par des règles Hume-Rothery, qui indiquent que les atomes Au et Ag n'auront pas de solubilités limitées.

Règles

Règle 1: Facteur de taille

Pour deux métaux, éléments ou composés solides à mélanger, leurs atomes ne devraient pas différer trop. Le métal prédominant sera le solvant, où le soluté sera dissous, le métal de moins de proportion.

Les atomes de solvant, également appelés hôtes, ne pourront pas dissoudre ou héberger les atomes de soluté si ces derniers sont très grands ou petits. Parce que? Parce que cela impliquerait de déformer la structure solide du solvant, une chose indésirable si ce qui est recherché est un alliage.

Cependant, la première règle de Hume-Rothery établit que la différence entre les radios atomiques entre le solvant et les atomes de solvant ne devrait pas être supérieure à 15%. C'est-à-dire que l'atome de soluté ne doit pas être 15% plus grand ou petit que les atomes de solvant.

Ce qui précède peut être facilement calculé avec l'équation suivante:

Peut vous servir: réactions exothermiques et endothermiques

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

Où rsoluto est le rayon atomique du soluté, tandis que rsolvent est le rayon atomique du solvant. Ce calcul doit montrer une valeur de% différence ≤ 15%.

Règle 2: Structure cristalline

Les structures cristallines du soluté et du solvant doivent être identiques ou similaires. Ici, le commentaire ci-dessus: la structure du solvant ne peut pas être très affectée par l'ajout des atomes du soluté.

Par exemple, deux métaux avec des structures cubiques centrés sur les visages (FCC) se mélangeront sans beaucoup de inconvénients. Alors qu'un métal avec une structure hexagonale compacte (HCP) n'a pas tendance à se mélanger très bien avec une avec une structure FCC.

Règle 3: Valencias

Les solubilités sont illimitées lorsque les deux métaux ont les mêmes valences. D'un autre côté, lorsque ceux-ci sont différents, le solvant a tendance à dissoudre le soluté avec le plus grand valence.

Plus le Valencia est grand, plus l'atome de soluté smartner et la solution solide obtenue deviendra du type interstitiel: le soluté sera positionné dans le creux ou les pores du réseau cristallin du solvant du solvant.

Par exemple, si un métal est ordinaire d'une valence de +2 (comme le cuivre), il présentera une solubilité limitée lors du mélange avec un métal qui a une valence de +3 (comme l'aluminium).

Règle 4: électronégativité

Le solvant et le soluté ne devraient pas avoir d'électronégativités très différentes, sinon leur solubilité sera limitée. C'est-à-dire qu'un métal "très électronégatif" n'alliage pas complètement avec un métal très électropositif; Au lieu de cela, les deux se combinent pour former un composé intermétallique, pas un alliage.

Exemples

Les règles Hume-Rothery sont correctes dans les exemples suivants:

-Alloys d'or et de nickel, AU-NI, dans lequel Nickel présente une bonne solubilité en or, car le réseau d'or cristallin n'est que 1.15 fois plus grand que le nickel

Peut vous servir: réactif limitant et excessif

-Solutions solides hafnio et zirconio, oxydes HFO₂-Zro₂, Où les deux ions sont parfaitement mélangés pour avoir des radios et des valences similaires, HF⁴⁺ et zr⁴⁺

-L'absorption d'hydrogène dans le paladium, car le rayon des molécules d'hydrogène ne diffère pas de moins de 15% des radios atomiques du paladium; Sinon, H₂ Je ne pourrais jamais être conservé interstitial aux cristaux PD

-Alliages de cadmium et de magnésium, CD-MG, pour des raisons similaires à celles exposées aux alliages Au-Ni. Notez que les valences des deux métaux sont les mêmes: CD²⁺ et mg²⁺, qui contribue à sa solubilité malgré les radios atomiques relativement différentes

Exercices résolus

Ensuite et enfin, des exercices simples seront exposés où les règles Hume-Rothery seront mises en pratique.

Exercice 1

Avoir les données suivantes à portée de main:

Rau: 0.1442 nm, FCC, +1

Rag: 0.1445 nm, FCC, +1

Et selon les règles Hume-Rothery, vous attendriez-vous à une solubilité illimitée entre les deux métaux?

L'or et l'argent ont des structures FCC (règle 2), et le même nombre de Valence (+1, bien que l'or puisse également avoir +3). Nous devons donc compter sur les radios atomiques avant de tirer des conclusions superficielles.

Pour être l'or le plus cher, nous supposerons que l'argent est le solvant et l'or, le soluté. Ayant leurs radios atomiques respectives exprimées dans les nanomètres (NM), nous continuons à calculer le pourcentage de leurs différences:

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

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

= 0.2076%

Notez que nous prenons une valeur positive et que ce soit beaucoup moins de 15%. Par conséquent, nous pouvons affirmer que selon les règles de Hume-Rothery, l'or et l'argent se mélangeront sans aucun problème pour former des alliages.

Exercice 2

Avoir les données suivantes à portée de main:

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

Peut vous servir: oxyde de mercure (hg2o)

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

Attendez-vous que le cuivre et le nickel forment des alliages sans limites?

Encore une fois, nous répétons le calcul précédent car c'est le seul paramètre où ils montrent des différences. Nous supposons que le cuivre est le solvant et que le nickel est le soluté:

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

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

= 2.3. 4%

Cette valeur est inférieure à 15%. Par conséquent, il n'est pas surprenant que les deux métaux allient sans beaucoup de difficultés.

Exercice 3

Selon les données suivantes:

RSI: 0.117 nm, diamant cubique, électronégativité 1.8, +4

RGE: 0.139 nm, diamant cube, électronégativité 2.0, +4

Vous attendriez-vous à ce que le silicium et le Germanio forment des solutions solides?

Cette fois, nous remarquons que Germanio est un peu plus électronégatif que le silicium, qui peut jouer contre la solubilité entre les deux. Nous calculons la différence entre ses radios atomiques en supposant que Germanio est le solvant et que le silicium est le soluté:

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

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

= 15.82%

Notez que la solubilité entre les cristaux de silicium et de germanio est limitée: les atomes de silicium sont 15.82% plus petit que les atomes de Germanio. En plus de cela, nous devons ajouter la différence entre ses électronégativités.

Cependant, cela ne signifie pas que les deux éléments ne peuvent pas être mitigés, seulement que leurs alliages Si-Ge ont des pourcentages limités dans la composition de l'un des deux éléments; De ces valeurs, l'alliage Si-Ge n'existe pas.

Les références

1. C. Barry Carter & M. GRANT NORTON. (2007). Science et ingénierie des matériaux en céramique. Springer.
2. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chimie. (8e Ed.). Cengage Learning.
3. Wikipédia. (2021). Règles Hume-Rothery. Récupéré de: dans.Wikipédia.org
4. H. K. D. H. Bhadeshia. (s.F.). Solutions solides: les règles Hume-Rothery. Récupéré de: Trans de phase.MSH.Came.CA.ROYAUME-UNI
5. Elsevier B.V. (2021). Règle de Roule. ScienceDirect. Récupéré de: ScienceDirect.com