DIAGRAMMES BINAIRES SOLIDE-LIQUIDE

DIAGRAMMES BINAIRES SOLIDE-LIQUIDE

1. Transitions de phase de l’eau salée (sujet classique)

On donne le diagramme binaire solide-liquide O/NaClH2 . On donne la masse molaire de NaCl -13 molkg 105,58 ⋅⋅= −M .

a) Les solides ne sont pas miscibles, et il existe un composé défini de composition massique %9,61NaCl =w . 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 :

%0NaCl =w %10NaCl =w %23NaCl =w %40NaCl =w %9,61NaCl =w %80NaCl =w %100NaCl =w

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 g 981=m de fraction massique %12NaCl =w . Quelles masses d’eau et

de NaCl a-t-on dû mélanger ? On porte ce mélange à C40°− . Déterminer les masses d’eau et de NaCl dans toutes les phases présentes.

réponse : b)

DIAGRAMMES BINAIRES SOLIDE-LIQUIDE

a) composé défini NaCl, O2H2 c) La verticale passant par %9,61NaCl =w 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 : 0=v ). En P : composé défini + NaCl(s) + saumure ( 0=v ) f) à 20°C, %26NaCl =w g) g 863OH2

=m , g 118NaCl =m ; eau glace (100% eau) : 791 g, masse de dihydrate : 190 g dont 118

g de NaCl et 72 g d’eau.

2. Diagramme silicium / germanium (sujet classique)

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

3. 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 sur la figure ci-après. a) 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. Pour chaque domaine du diagramme binaire, donner la nature des phases en présence. b) Indiquer le ou les composés définis et les eutectiques trouvés dans cette partie du diagramme binaire. Quelles particularités possède le mélange liquide aux fractions molaires correspondantes ? c) Pour les courbes de refroidissement où 60,0=x , 62,0=x et 69,0=x , décrire ce qui se passe, et calculer la variance du système pour chaque partie de ces courbes.

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réponse b) 3 composés définis 23HfAl , HfAl2 et HfAl3 c) 2 eutectiques qui fondent pour donner des liquides de même

composition

Compétences fondamentales : >>> savoir lire un diagramme binaire, identifier les différents domaines ainsi que le solidus et le liquidus. >>> savoir décrire le comportement d’un mélange binaire lors d’une variation de température en traçant l’allure de la courbe d’analyse thermique. >>> savoir déterminer les températures de début et de fin de transition de phase ; savoir donner la composition des phases en présence à une température fixée ainsi que les masses dans chaque phase. >>> savoir identifier les compositions relatives aux mélanges indifférents, eutectiques et aux composés définis et leur intérêt dans l’utilisation des alliages métalliques.