Exercices Dernière série d exercices sur les diagrammes binaires Exercice 1 : mélange zinc-arsenic Le diagramme de cristallisation du binaire arsenic-zinc sous une pression de 1 bar est donné ci-dessous. Il montre l existence de deux composés définis de fraction massique en arsenic As : w1 = 0,433 et w2 = 0,696. W(As) w1 w2 0,85 1) Quelle est la formule des composés définis correspondant aux fractions massiques w1 et w2? 2) Préciser la nature des phases et leur contenu dans les domaines qui sont numérotés de 1 à 9 sur le diagramme. 1
3) Donner la nature des points qui sont numérotés C1, C2, E1, E2 et E3. 4) On introduit, dans une enceinte à température constante de 400 C, 1 200 g d un liquide de fraction massique en arsenic égale à 0,85 qui est initialement à une température de 1000 C. 4.1. Tracer la courbe de refroidissement en précisant les phases en présence. 4.2. Donner les quantités et la composition des phases en présence à 750 C et à 400 C. Données : M(Zn) = 65,4 g.mol -1 et M(As) = 75,0 g.mol -1. Exercice 2 : mélange nickel-bore 2
t en C 2 100 2 000 1 3 1 600 1 453 1 200 1 095 1 170 1 100 2 4 1 018 800 400 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 x B H 1 H 2 H 3 H 4 Exercice 3 : mélange aluminium-magnésium Etude comparative de quelques propriétés de l aluminium et du magnésium 1.1 Atomistique 1.1.1 Citer, avec précision, les règles permettant d établir la configuration électronique d un atome dans son état fondamental. 1.1.2 Ecrire la configuration électronique du magnésium, Mg (Z = 12) et de l aluminium, Al (Z = 13), dans leur état fondamental. En déduire le nombre d électrons de valence du magnésium et de l aluminium. 1.1.3 Préciser la place du magnésium et de l aluminium (période et colonne) dans la classification périodique. 1.1.4 Quels sont les nombres d oxydation les plus courants du magnésium et de l aluminium? Justifier votre réponse. 3
1.2 et 1.3 ne sont pas abordées ici 1.4 Diagramme de phases aluminium/magnésium Le diagramme de phases aluminium-magnésium présente les points remarquables suivants (voir tableau cidessous). La fraction molaire en aluminium, x Al (0 x Al 0,60), ainsi que la température de fusion correspondante à cette composition sont indiquées pour une pression fixée à 1 bar : x Al Température de fusion ( C) Magnésium 0,00 650 Eutectique E 1 0,30 440 Composé défini D 1 0,40 460 Eutectique E 2 0,55 455 Composé défini D 2 0,60 470 1.4.1 Quelles sont les formules des composés définis D 1 et D 2? 1.4.2 Représenter, pour 0 x Al 0,60, l allure du diagramme de phases solide-liquide magnésium/aluminium en indiquant clairement la composition et la température des points remarquables. 1.4.3 Qu appelle-t-on eutectique? Tracer l allure de la courbe de refroidissement isobare pour un mélange liquide ayant la composition de l eutectique E 1. Indiquer, pour chaque portion de cette courbe, la variance et les phases en présence. 1.4.4 Tracer l allure de la courbe de refroidissement isobare pour un mélange liquide de fraction molaire en aluminium, x Al = 0,35. Indiquer, pour chaque portion de cette courbe, la variance et les phases en présence. Données : Température de fusion sous 1 bar : T f (Al) = 930 K ; Masse molaire (en g.mol -1 ) : O : 16 ; Al : 27 Numéros atomiques : Mg : 12 ; Al : 13 Exercice 4 : silicate monocalcique - aluminate monocalcique Les mélanges fondus de silicate monocalcique (CaO, SiO2) et d aluminate monocalcique (CaO, Al2O3) peuvent, par refroidissement, fournir des cristaux purs de silicate et d aluminate et aussi des cristaux d un composé appelé gehlénite. L analyse du diagramme binaire solide- liquide de la figure 2 (annexe), permet d interpréter ces résultats. II.B.1) Donner la formule chimique de la gehlénite, sous la forme : xcao, ysio2, zal2o3, où (x, y, z) est un triplet de nombres entiers de valeurs minimales, que l on déterminera. II.B.2) Préciser la nature des phases en présence dans les plages 1 à 7. 4
II.B.3) Indiquer, entre 1700 C et 1100 C, les allures des courbes de refroidissement de la température en fonction du temps, pour les mélanges liquides de compositions indiquées par celles des points I1, G et I2 de la figure 2. Préciser les températures remarquables et les natures des phases en présence sur chaque portion de courbe ; justifier brièvement ces réponses. Données : Le silicate monocalcique apparaît sous deux formes allotropiques : la pseudo- wollastonite en dessous de 1125 C et la wollastonite au- dessus de 1125 C. Masses atomiques molaires en g.mol - 1 des atomes suivants : Ca : 40 ; Si : 28 ; Al : 27 ; O : 16 5