Solution solide

La notion de solution solide est une notion thermodynamique. c'est un mélange de corps purs formant un solide homogène.

Pour un liquide, la notion de solution est assez intuitive : lorsqu'un corps est en solution, on ne peut pas le distinguer dans le solvant même au microscope optique. Sinon, on parle de précipité ou d'émulsion.

Pour un solide, le cas est un peu différent : dans certains cas de solutions, on peut distinguer des phases différentes.

Solution solide et cristallographie

Défauts ponctuels

Dans le cas général, la solution solide dans un solide cristallin se fait par deux mécanismes :

• la substitution : les atomes étrangers prennent la place des atomes natifs du cristal ;
• l'insertion : les atomes étrangers se glissent entre les atomes natifs, dans des sites dits « interstitiels ».

Dans les deux cas, ce sont des défauts ponctuels. Ces mécanismes furent particulièrement étudiés par William Hume-Rothery dans la première moitié du XX^e siècle sur les alliages d'argent, de cuivre et de fer ainsi que sur les composés intermétalliques.

Eutectiques et eutectoïdes

Le cas des eutectiques et des eutectoïdes est différent. Dans ces cas-là, il se forme deux phases différentes, une phase de chaque corps pur A et B, mais les deux phases sont intimement liées au sein d'un grain. Par exemple, on va avoir une succession de plaquettes (eutectique lamellaire) semblant former un cristallite aux joints définis, ou bien la formation de fibres (bâtonnets, aiguilles, eutectique aciculaire) ou de globules alignés (eutectique globulaire) d'une phase dans les cristallites de l'autre.

Le matériau est alors homogène à l'échelle macroscopique, mais hétérogène à l'échelle mésoscopique (échelle du cristallite). Toutefois, il se comporte thermodynamiquement comme une seule phase.

Métallurgie

Dans l'acier, le carbone est en solution solide dans la matrice de fer. La cémentite est un eutectique fer/carbure de fer de composition Fe₃C.

Minéralogie

Diagramme de phase.

On dit que deux ou plusieurs phases minérales forment une solution solide lorsqu'on passe progressivement de l'une à l'autre par des substitutions de leurs éléments chimiques. On parle plutôt dans ce cas de « série isostructurale » ou de « série isomorphe ».

Exemples :

• les feldspaths plagioclases constituent une solution solide continue dont la composition varie depuis le terme sodique albite (Si₃AlO₈)Na, jusqu'au terme calcique anorthite (Si₂Al₂O₈)Ca ;
• les feldspaths alcalins constituent une solution solide entre le terme potassique orthose, (Si₃AlO₈)K, et le terme sodique albite (Si₃AlO₈)Na, instable à basse température ;
• l'olivine constitue une solution solide entre le terme ferreux fayalite (Fe₂SiO₄) et le terme magnésien forstérite (Mg₂SiO₄).

Les pôles (corps purs) passent d'un comportement liquide à solide sans transition.

Les matériaux intermédiaires sont entièrement liquides à très hautes températures. La diminution de la température est marquée par le passage dans un domaine de transition et l'apparition des premiers cristaux. Ce domaine est caractérisé par les courbes des liquidus et solidus d'un diagramme de phase.

Exsolution

Quand une solution solide devient instable - à cause d'un abaissement de la température par exemple - l'exsolution a lieu et les deux phases se séparent en lamelles pouvant être microscopiques, mésoscopiques ou macroscopiques. La variété perthite du minéral alcalin Feldspath en est un exemple, dans lequel de fines couches d'albite blanc alternent avec des microclines le plus souvent roses. On trouve aussi parfois ce phénomène entre des pyroxènes, par exemple.

Voir aussi