DIAGRAMMES BINAIRES SOLIDE-LIQUIDE

DIAGRAMMES BINAIRES SOLIDE-LIQUIDE
Transitions de phase de l’eau salée
On donne le diagramme binaire solide-liquide H 2 O/NaCl . On donne la masse molaire de NaCl M = 58,5 ⋅ 10−3 kg ⋅ mol -1 .
a) Les solides ne sont pas miscibles, et il existe un composé défini de composition massique wNaCl = 61,9% . Déterminer la
stœchiométrie de ce composé défini.
b) Identifier les espèces et leur phase dans les domaines numérotés de I à VII. Par la suite, on ne distingue pas les domaines III
et IV.
c) Peut-on observer la fusion du composé défini ? (on parle de composé à point de fusion non congruent).
d) Quelle sont les phases qui coexistent au point E ? Au point P (appelé péritectique) ? Les variances correspondantes ?
Donner sur le même graphe les allures des courbes d’analyse thermique correspondant aux compositions :
wNaCl = 0%
wNaCl = 10%
wNaCl = 23%
wNaCl = 40%
wNaCl = 61,9% wNaCl = 80%
wNaCl = 100%
e) Soient 100g de mélange contenant 12,5 g de NaCl. À quelle température ce mélange commence-t-il à se solidifier ? Quelle
est la nature du solide qui apparaît ? À quelle température finit-il de se solidifier ? Quelle application cela a-t-il ?
f) Évaluer la masse maximale de sel que l’on peut dissoudre dans un litre d’eau à température ambiante. Quelle est l’influence
de la température sur cette quantité ?
g) On réalise à 25°C une solution d’eau salée de masse m = 981 g de fraction massique wNaCl = 12% . Quelles masses d’eau et
de NaCl a-t-on dû mélanger ?
On porte ce mélange à −40°C . Déterminer les masses d’eau et de NaCl dans toutes les phases présentes.
réponse : a) composé défini NaCl, 2H 2 O b)
c) La verticale passant par wNaCl = 61,9% n’atteint pas le liquidus : le composé défini se décompose en saumure et NaCl(s)
avant de fondre.
d) En E : glace + composé défini + saumure (3 phases : v = 0 ). En P : composé défini + NaCl(s) + saumure ( v = 0 )
f) à 20°C, wNaCl = 26% g) mH 2 O = 863 g , mNaCl = 118 g ; eau glace (100% eau) : 791 g, masse de dihydrate : 190 g dont 118
g de NaCl et 72 g d’eau.
1. Diagramme silicium / germanium
Le diagramme de phases solide-liquide binaire Ge-Si obtenu à pression atmosphérique est donné ci-dessous.
a) Donnez les températures de fusion du germanium et du silicium à la pression de 1 bar.
b) Identifier chaque zone du diagramme (A, B et C) et calculer la variance pour chaque domaine. Comment se nomment les
courbes 1 et 2 ?
c) On considère un alliage obtenu en mélangeant 8,43 g de silicium et 12,65 g de germanium.
— Calculer la fraction massique de silicium dans le mélange.
— On chauffe cet alliage. À quelle température apparaît la première goutte de liquide ? Quelle est sa composition ?
— Cet alliage est maintenant chauffé à 1275°C. Déterminer les masses des phases en présence et la masse de chaque
constituant de chaque phase à cette température.
réponse c) masses dans le liquide : 4,22 g pour Si et 9,84 g pour Ge ; masses dans le solide : 4,22 g pour Si et 2,81 g pour Ge
2. Alliage aluminium / hafnium
L’aluminium s’allie à de nombreux composés. Sa légèreté et son coût modéré le rendent particulièrement intéressant pour
certaines applications où un poids élevé est un handicap, comme en aéronautique. Le hafnium a la particularité de ne pas laisser
passer les neutrons d’où les applications dans l’industrie nucléaire pour arrêter les réacteurs. Du fait aussi de sa haute
température de fusion, il est utilisé dans les briques réfractaires. Avec l’aluminium, il rentre dans la composition de nouveaux
alliages, comme les alliages « superplastiques » au zirconium. On s’intéresse ici au système binaire aluminium / hafnium (de
symbole Hf). On désire construire le diagramme isobare de cristallisation de ce système binaire sachant que les solides sont
tous non miscibles entre eux et que le liquide est homogène. Pour cela on étudie les courbes de refroidissement de différents
mélanges aluminium / hafnium avec une fraction molaire en aluminium comprise entre 0,60 et 0,75. Les différentes courbes
sont rassemblées figure ci-après.
a) À l’aide de ces courbes, tracer le diagramme binaire isobare T(x) du système aluminium / hafnium pour une fraction molaire
x en aluminium comprise inclusivement entre 0,60 et 0,75 et une température comprise entre 1480°C et 1720°C. L’échelle sera
la suivante : abscisse : 10 cm ↔ 0,1 pour la fraction molaire ; ordonnée : 10 cm ↔ 200°C
b) Pour chaque domaine du diagramme binaire, donner la nature des phases en présence. Indiquer le ou les composés définis
trouvés dans cette partie du diagramme binaire.
c) Pour x = 0,62 et x = 0,72 , on observe un point particulier. Comment s’appelle ce point ? Quelle particularité possède le
mélange liquide à cette fraction molaire ?
d) Pour les courbes de refroidissement où x = 0,60 , x = 0,62 et x = 0,69 , décrire ce qui se passe, et calculer la variance du
système pour chaque partie de ces courbes.
réponse b) 3 composés définis Al3 Hf 2 , Al 2 Hf et Al3 Hf c) 2 eutectiques qui fondent pour donner des liquides de même
composition
Purification par fusion de zone du silicium
Après un premier traitement chimique, on obtient du silicium pur à 99,9%, mais cela reste très inférieur à la pureté nécessaire
pour des applications en électronique (taux d’impuretés en mol de l’ordre de 10 −9 à 10 −6 ). On procède alors à une purification
par fusion de zone : on déplace un anneau chauffant le long d’un barre de silicium très étroite, ce qui provoque la fusion locale
d’une petite zone d’épaisseur e. Le liquide obtenu étant plus riche en impuretés que le solide avec lequel il est en équilibre,
expliquer à l’aide d’un diagramme binaire comment ce procédé permet d’obtenir la pureté désirée.