7. Фазалардың негізгі қандай түрлері қатты күйде түзілуі мүмкін?

Реальные материалы представляют собой композиции, образованные несколькими химическими элементами.

Полупроводниковые соединения состоят из двух или более элементов. Полупроводниковые термоэлектрические материалы содержат 4–5 (и более) элементов, диэлектрические фазы – 4–8 элементов и т.д. Современные металлические сплавы часто представляют еще более сложные композиции. Даже сверхчистые кристаллы германия и кремния всегда содержат фоновые примеси.

Взаимодействие химических элементов, образующих данный сплав, может быть очень сложным. Результат взаимодействия зависит от концентрации элементов, их природы, а также от внешних параметров температуры и давления.

В результате взаимодействия различных элементов возникают химические соединения и растворы, агрегатные состояния, физические и химические свойства которых зависят от состава, давления и температуры.

Прежде чем рассматривать способы описания результатов взаимодействия химических элементов, введем необходимые термодинамические понятия.

Материальная система – это часть пространства, выделенная по тем или иным признакам и заполненное веществом или веществами.

Пространство, из которого выделена материальная система, называется внешней средой по отношению к системе.

Термодинамическая система – это материальная система, между частями которой возможен обмен энергией.

Физико–химическая система – термодинамическая система, между отдельными частями которой возможен обмен веществом. Например:

Система из двух тел – ампулы и помещенного в нее расплава. Расплав не смачивает стенки ампулы и между расплавом и ампулой нет химического взаимодействия. Совокупность этих тел (ампула с веществом) представляет собой 1 термодинамическую и 2 физико-химические системы (ампула и расплав).

Совокупность двух тел: кристалл в контакте с расплавом того же вещества – одна физико-химическая система. Одно вещество в твердой и жидкой фазах (при выращивании кристаллов).

Закрытая система – система, которая не может обмениваться веществом с внешней средой.

Адиабатическая система – система, которая не может обмениваться энергией с внешней средой.

Изолированная (замкнутая) система – система, которая не может обмениваться ни веществом, ни энергией с внешней средой.

Открытая система – система, которая может обмениваться и энергией и веществом с внешней средой. Получение металлов, полупроводников и диэлектриков – открытая система.

Системы могут находиться в равновесном и неравновесном состояниях.

Равновесное состояние системы – неизменное (постоянное) во времени состояние системы. Неизменность состояния не поддерживается протеканием какого-либо внешнего по отношению к системе процесса.

Гетерогенная система – это физико-химическая система, внутри которой есть поверхность раздела (или поверхности), отделяющая одни части системы от других, на которой происходит скачкообразное изменение, по крайней мере, одного из свойств системы. Пример: монокристалл в контакте с расплавом.

Гомогенная система – это физико-химическая система, внутри которой нет ни одной поверхности раздела на которой происходило бы скачкообразное изменение хотя бы одного из свойств системы. Пример: монокристалл, поликристалл.

Вещества, которые образуют систему, называются компонентами системы. Компоненты в системе присутствуют в разных фазах.

Фаза – это гомогенная система, находящаяся в равновесии или совокупность гомогенных частей в гетерогенной системе, находящейся в равновесии. Иными словами, это однородная часть системы, ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно.

Примеры: 1) однофазная система – кристалл кварца. А также много кристаллов кварца.

2) 2-х фазная система – а) кристалл Si, содержащий включения SiO₂;

б) кристалл льда в воде, а также много кристаллов льда в воде.

Процесс перехода из жидкого или газообразного состояния в твердое, в результате чего образуется кристаллическая решетка, и возникают кристаллы, называется кристаллизацией.

Чем объясняется существование при одних температурах жидкого, а при других температурах твердого состояния и почему превращение происходит при строго определенных температурах?

В природе все самопроизвольно протекающие превращения, а, следовательно, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии. Можно сказать, что чем больше свободная энергия системы, тем система менее устойчива, и если имеется возможность, то система переходит в состояние, где свободная энергия меньше.

Для твердых тел важнейшим признаком фазы является ее кристаллическая решетка (атомная структура). Каждая фаза обладает своей, только ей присущей кристаллической решеткой, отличающейся от решеток других фаз либо типом, либо размерами элементарной ячейки.

Аллотропия и полиморфизм – разные структуры одного и того же элемента с практически одинаковой энергией связи.

Энергия связи – энергия, необходимая для разъединения твердого тела на отдельные атомы, молекулы или ионы (в зависимости от состава твердого тела). Е_св – энергия связи равна разности потенциальных энергий системы изолированных атомов и связанной системы за вычетом кинетической энергии, которая, согласно принципу неопределенности, должна быть обусловлена локализацией ядер и электронов внешней оболочки.

Разные аллотропические модификации одного и того же химического элемента (α- и β- олово, α- и γ-железо и т.д.) представляют собой разные фазы; фазами являются также соединения, твердые растворы на основе элементов или соединений.

В твердом теле можно указать 3 основных типа возможных фаз при взаимодействии разнородных компонентов:

соединения;

твердые растворы;

механические смеси.

Соединения. Признаком того, что данная фаза относится к химическим соединениям, является отличие ее кристаллической решетки от решеток элементов, из которых она образована.