Diagrammes de phase : Types et exemples

Introduction aux diagrammes de phase

En chimie et en science des matériaux, peu d'outils sont aussi puissants et instructifs que le diagramme de phase. Il fournit une feuille de route visuelle de la façon dont une substance se comporte sous différentes combinaisons de température et de pression. Qu'il s'agisse d'analyser comment l'eau se transforme en vapeur, comment l'acier durcit ou comment le silicium fond lors de la fabrication de semi-conducteurs, les diagrammes de phase révèlent les principes physiques sous-jacents qui guident ces transformations.

En cartographiant les limites entre les phases solide, liquide et gazeuse, les scientifiques et les ingénieurs peuvent prévoir la réaction des matériaux au chauffage, au refroidissement ou à la compression. Dans les industries métallurgiques et chimiques, les diagrammes de phase sont essentiels pour concevoir des matériaux stables et des voies de production efficaces.

Types de diagrammes de phases

Tous les diagrammes de phases ne se ressemblent pas : chacun sert un objectif différent en fonction de la complexité du système.

-Les diagrammes unitaires (à un seul composant) montrent la pression, la température et la relation de phase pour un matériau pur. L'exemple le plus courant est le diagramme de phase de l'eau, qui représente les régions solide (glace), liquide (eau) et vapeur.

-Les diagrammes de phase binaires décrivent des systèmes à deux composants tels que le cuivre-nickel ou le fer-carbone. Ils sont particulièrement importants en métallurgie, où la composition d'un alliage a des implications directes sur la dureté, la résistance et le comportement à la fusion.

Les diagrammes de phase ternaires, c'est-à-dire à trois composants, sont utilisés dans des matériaux plus complexes tels que les céramiques, les verres ou les alliages multiphasés. Les diagrammes de phase ternaires aident les scientifiques à comprendre comment les différents rapports de composants affectent la stabilité et la distribution des phases.

Ils permettent de prédire quelle(s) phase(s) existera(ont) dans un ensemble donné de conditions, ce qui est essentiel pour la recherche et les applications industrielles.

Les états de la matière

Pour comprendre les diagrammes de phases, il faut revenir aux étatsfondamentaux de la matière - solide, liquide et gazeux - et à la manière dont ils réagissent aux changements de température et de pression.

- Solide : les molécules sont maintenues étroitement ensemble et oscillent sur place. Les solides ont une forme et un volume définis, sont denses et possèdent une faible entropie. Par exemple, la glace est solide à 0 °C et 1 atm en raison des liaisons hydrogène qui maintiennent les molécules d'eau dans une structure fixe.

- Liquide : Les molécules peuvent se déplacer plus librement, ce qui permet aux liquides de s'écouler sans changer de volume. Un bon exemple est l'eau à 25 °C et 1 atm : elle occupe la forme du récipient mais est incompressible.

- Gaz : Les molécules sont très éloignées les unes des autres et se déplacent rapidement. Les gaz n'ont ni forme ni volume définis et sont hautement compressibles. La vapeur d'eau à 100 °C et à 1 atm présente cet état, qui se caractérise par une entropie et une mobilité moléculaire élevées.

Principales caractéristiques des diagrammes de phases

Chaque diagramme de phase présente plusieurs caractéristiques qui permettent de lire le comportement des matériaux.

-Point triple : Ensemble unique de conditions dans lesquelles les états solide, liquide et gazeux coexistent en équilibre. Pour l'eau, il s'agit de 0,01 °C et 0,006 atm - une condition qui permet aux trois états de coexister en même temps.

- Température et pression de liquide au-dessus desquelles les phases liquide et gazeuse cessent d'être séparées et existent en tant que fluide supercritique. Dans le cas de l'eau, cette température est de 374 °C et 218 atm. Les fluides supercritiques possèdent certaines propriétés des liquides et des gaz et sont utilisés dans des processus avancés d'extraction et de purification.

- Limites de phase : Courbes ou lignes qui délimitent les phases. Le franchissement d'une ligne ou d'une courbe entraîne un changement de phase : fusion, ébullition ou sublimation.

Ensemble, ces caractéristiques donnent aux scientifiques une image complète de la stabilité des matériaux et des changements résultant de l'évolution des conditions environnementales.

Importance des diagrammes de phases

Les diagrammes de phase ont des utilisations fondamentales dans les domaines de la science et de l'industrie.

-Science des matériaux et métallurgie : Dans la fabrication de l'acier, le diagramme de phase fer-carbonedétermine les effets du traitement thermique et de la composition sur la dureté et la ductilité. Par exemple, l'ajout de 0,8 % de carbone et la trempe transforment l'acier en martensite, une phase dure mais cassante. Il est possible d'obtenir des microstructures plus douces et plus ductiles comme la ferrite et la perlite en variant les vitesses de refroidissement.

- Génie chimique : Les diagrammes de phase déterminent l'efficacité de la séparation dans la distillation. Par exemple, le diagramme de phase binaire de l'éthanol et de l'eau indique la composition azéotropique (95,6 % d'éthanol), au-delà de laquelle la distillation normale ne peut plus éliminer d'autres impuretés du mélange.

- Électronique et semi-conducteurs : Les diagrammes de phase du silicium et du germanium, par exemple, sont utilisés pour déterminer les points de fusion et les caractéristiques de solidification, ce qui est essentiel pour la croissance des cristaux et la fabrication des plaquettes.

-Applications environnementales et météorologiques : Les spécialistes de l'atmosphère utilisent les diagrammes de phase de l'eau pour prévoir la formation des nuages et les précipitations. Les transitions entre la vapeur, les gouttelettes liquides et les cristaux de glace dans des conditions de pression variables expliquent des phénomènes tels que la formation de pluie ou de neige surfondue.

En bref, les diagrammes de phase ne sont pas de simples outils théoriques : ils guident la conception, la construction et les prévisions environnementales.

Exemples et tableau récapitulatif

Le diagramme de phase de l'eau est particulièrement bien connu en raison de ses bizarreries. Pour ne citer qu'un exemple, la glace fond à des températures plus basses lorsque la pression est plus élevée, une propriété qui contraste avec la plupart des substances. C'est ce comportement qui permet au patin à glace de fonctionner : la pression exercée sous la lame fait fondre légèrement la glace et crée une fine pellicule lubrifiante.

Pour les métaux, le diagramme binaire cuivre-nickel indique une solubilité totale dans toutes les compositions, ce qui permet la formation d'alliages dotés d'une solidité et d'une résistance à la corrosion spécifiques. En revanche, le diagramme plomb-étain, qui sert de base à la conception des soudures, présente un eutectique à 183 °C - le point de fusion le plus bas pour ce mélange - et convient donc au soudage des composants électroniques.

Pour plus d'informations

Pour obtenir des informations détaillées sur les diagrammes de phase et la réponse des matériaux à des conditions thermiques et de pression variables, consultez le site de Stanford Advanced Materials (SAM). Les documents techniques disponibles sur leur site web fournissent des informations détaillées sur les céramiques, les alliages et les systèmes en verre dans une large gamme d'applications industrielles.

Questions fréquemment posées

Que puis-je apprendre d'un diagramme de phase ?

Un diagramme de phase montre les phases stables d'un matériau à différents niveaux de température et de pression, ce qui permet de prédire les points de fusion, d'ébullition ou de cristallisation.

Pourquoi le point triple est-il important ?

C'est la condition dans laquelle les trois phases - solide, liquide et gazeuse - coexistent en équilibre, ce qui est utile pour l'étalonnage des thermomètres et l'étude des transitions de phase.

Que se passe-t-il au point critique ?

La distinction entre le liquide et le gaz devient nulle, formant un fluide supercritique doté d'excellentes propriétés de solvatation et de transport.

Les diagrammes de phase sont-ils applicables aux mélanges ?

Oui. Les diagrammes de phase pour les systèmes binaires et ternaires décrivent le comportement de plus d'une substance, qui fusionne pour former des alliages, des solutions ou des composés aux propriétés uniques.

Pourquoi les diagrammes de phase sont-ils utilisés dans l'industrie ?

Ils guident des processus tels que la conception d'alliages, la distillation, la croissance cristalline et le frittage de céramiques, en veillant à ce que les matériaux aient la structure et les performances souhaitées.