Abstract

Solutions of water and a salt or sugar make excellent experimental analog magmas for teaching concepts of igneous petrology because of the comparatively low temperatures involved, the simplicity of the apparatus needed, and the responsiveness of familiar chemical systems. Boiling of these aqueous solutions on a hot plate can be used to increase the concentration of a dissolved salt or sugar to levels that may be predicted by steam-saturation curves. Sufficiently concentrated solutions will crystallize, partially or completely, upon cooling to room temperature. Binary temperature–composition phase diagrams for H2O and KCl, NaCl, MgCl2, CaCl2, or C12H22O11 have been drawn to provide guidance for experiments, and equations are given for the saturation curves. Possible instructional activities with these simple systems include: (1) determination of saturation (liquidus) curves on binary phase diagrams, (2) measurement of the relative proportions of liquid and solid in a system that has partially crystallized, and comparison with predictions of the lever rule, (3) observation of some consequences of peritectic reactions on crystallization, (4) observation of the kinetic effects of temperature and concentration on crystallization, (5) simulation of a magma chamber with crystals settling because of their density and rising owing to convection, and (6) observation of simultaneous boiling and crystallization that buffer temperature, which can lead to a solid with vapor cavities. Movies of interesting aspects of these experiments are available online as supplementary documents.

Abstract

Des solutions aqueuses d’un sel ou de sucre fournissent d’excellentes analogies à un magma, et s’avèrent utiles dans l’enseignement de concepts en pétrologie ignée à cause de leur faibles températures, la simplicité des appareils requis, et la rapidité de réaction de systèmes chimiques familiers. L’ébullition de ces solutions aqueuses sur une plaque chauffante peut servir à augmenter la concentration d’un sel ou du sucre dissous jusqu’à des niveaux qu’il est possible de prédire à partir des courbes de saturation de la phase vapeur. Les solutions suffisamment concentrées devront cristalliser, en partie ou complètement, au cours d’un refroidissement jusqu’à la température ambiante. Les diagrammes de phase binaires pour H2O et KCl, NaCl, MgCl2, CaCl2, ou C12H22O11 servent à guider les expériences, et les équations présentées permettent de calculer les courbes de saturation. Avec ces systèmes simples, il est possible (1) de déterminer la courbe de saturation (liquidus) d’un diagramme de phases binaire, (2) de mesurer les proportions relatives de liquide et de solide dans un système partiellement cristallisé, avec comparaisons des prédictions selon la règle du levier, (3) d’observer l’influence de certaines séquences de réactions péritectiques sur la cristallisation d’une solution, (4) d’observer les effets cinétiques de la température et de la concentration sur la cristallisation, (5) de simuler une chambre magmatique en observant le tassement de cristaux à cause de leur densité et leur montée due à la convection, et (6) d’observer les effets simultanés de l’ébullition et de la cristallisation, qui tamponnent la température, ce qui peut donner un solide avec vacuoles. Des films téléchargeables démontrent les aspects intéressants de ces expériences comme documentation supplémentaire.

(Traduit par la Rédaction)

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