Агрегатные состояния вещества

Введение

Предмет «Материаловедение» рассчитан по рабочей программе на 72 часа, из них 38 ч лекции и 34 ч лабораторно-практические работы.

Целью изучения предмета является овладение навыками выбора и использования материалов в производстве радиоэлектронных, электронно-вычислительных средств и других изделий электронной техники (ЭТ) на базе знаний физико-химических основ материаловедения, классификации и маркировки современных материалов, принципов применения материалов для конкретных изделий с учетом их свойств и характеристик.

Задачи изучения предмета:

- овладеть физико-химическими основами материаловедения;

- ознакомиться с основными группами материалов ЭТ (проводниковыми, диэлектрическими, полупроводниковыми, магнитными), с их свойствами, характеристиками, параметрами;

- дать классификацию материалов ЭТ на основе классификационных признаков;

- предоставить информацию о марках материалов и их расшифровке;

- научить пользоваться справочной литературой;

- сформировать навыки выбора материала для конкретного применения в ЭТ.

 

Физико-химические основы материаловедения

Материаловедение- наука изучающая связь между структурой и свойствами материалов, а также их изменения при внешних воздействиях (тепловых, химических, механических и т.д.). Материаловедение условно разделяют на теоретическое и прикладное. Теоретическое материаловедение рассматривает общие закономерности строения материалов и процессов, происходящих в них при внешних воздействиях. Прикладное материаловедение направлено на нахождение оптимальной структуры и технологии переработки материалов при изготовлении конструкции изделий.

Материал промежуточный продукт переработки вещества в изделие, отвечающий потребностям конкретного производственного процесса и имеющий наперед заданную внутреннюю структуру и внешнюю форму. Это стальной прокат, Al-фольга, медная проволока, золотой микропровод, монокристаллический кремниевый слиток, полиэтиленовая пленка, ситалловые, керамические пластинки и др.

Вещество- вид материи, обладающий массой покоя. В трудовой деятельности человек использует вещества как основу продуктов труда, свойства которого обеспечивают желаемый результат. Но вместо понятия «вещественная основа» в технике принят термин «материал».

 Сырье (сырые материалы), предметы труда, подвергшиеся ранее воздействию труда и подлежащие дальнейшей переработки (например, добытая руда).

 

Схема переработки сырья в изделие показана на рисунке 1.1.

 

Рисунок 1.1- Схема переработки сырья в изделие

      

Пример перехода от сырья к устройству:

Сырье-(Fe-руда)- вещество (отливки стали)-материал (листовой прокат

стали)- полуфабрикат(основание и крышка стальные для корпуса ИМС)-радиоэлемент (загерметизированная в стальной корпус микросхема)- устройство(ЭВМ, телевизор, радиоприемник на основе ИМС и др.) Есть примеры, когда сырье находит применение в радиоэлементе, минуя стадии материала, полуфабриката, например слюда для слюдяных конденсаторов, углерод для пленочных резисторов.

Классификация материалов ЭТ приведена на рисунке 1.2

 

1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

Типы химических связей

Все вещества построены из молекул, а молекулы из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны. Каждый электрон испытывает не только при­тяжение со стороны ядра» но и отталкивание со стороны электро­нов. Внутренние электронные слои ослабляют притяжение внешних электронов к ядру. Электроны внешнего слоя называются валент­ными. Они слабее связаны с ядром и могут отрываться от одного атома и присоединяться к другому атому. Атом, лишившись одного или нескольких электронов, становится заряженным положительно, а атом, присоединивший к себе лишние электроны, заряжается от­рицательно. Образующиеся заряженные частицы называют ионами. Ионы различных элементов могут соединяться между собой, образуя' молекулы. Молекула - наименьшая частица вещества, определяющая его химические свойства.

 

 

 

Рассмотрим основные виды связей, за счет которых происходит объединение атомов в молекулы.

Ковалентная связь возникает между атомами путем образования общих пар валентных электронов - по одному от каж­дого атома. Упрощенная схема ковалентной связи в молекуле водо­рода приведена на рисунке 1.3. Эти пары электронов становятся общими для атомов, входящих в состав молекулы.

 

 Рисунок 1.3 - Упрощенная схема ковалентной связи в молекуле водорода

Электроны при движе­нии по молекулярной орбите чаще всего находятся между ядрами; где создается как бы избыток отрицательного заряда, что спо­собствует сближению атомов.

Если молекула состоит из одноимённых атомов (H ₂, N ₂, O ₂, Cl ₂), то электронная пара в одинаковой степени принадлежит обоим ато­мам. Такую молекулу и существующую в ней ковалентную связь называют неполярной или нейтральной. В неполярных молекулах цент­ры положительных и отрицательных зарядов совпадают. Если же двухатомная молекула состоит из атомов различных элементов, электрон­ная пара может быть смещена к одному из атомов. В этом случае ковалентную связь называют полярной, а молекулы, у которых цент­ры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, - поляр­ными или дипольными. Многоатомные молекулы также могут быть неполярными - при симметричном расположении зарядов или полярны­ми - при их асимметричном расположении.

Вещества с ковалентной связью обладают высокой твердостью и хрупкостью. К ним относятся алмаз, кремний, германий, соединения элементов из средних групп таблицы Д.И. Менделеева – SiC, BH. Ковалентные связи характерны и для молекул таких газов, как H ₂, О₂, N ₂, а также молекул многих органических соединений - полиэ­тилена (C ₂ H ₄), политетрафторэтилена (С₂ F ₄)n, и др. (связи меж­ду отдельными молекулами этих соединений - молекулярные).

Ионная связь обусловлена кулоновским притяжением противоположно заряженных ионов. Ионная связь менее прочна, чем ковалентная. К веществам с ионной связью относится большинство солей, (Na – Cl, Li - F) и некоторые оксиды (Cu ₂ O, Zn 0, CdO, Fe ₂ O ₃ и др.)

Молекулярная связь- cвязь между отдельными молекулами за счет электростатического притяжения зарядов с про­тивоположными знаками (сил Ван-дер-Ваальса) Природа этих сил сво­дится к взаимодействий молекулярных диполей, Диполи молекул ориентируются так, что обращенные друг к другу концы соседних диполей разнополярны, и силы притяжения преобладают над силами отталкивания. Эти связи слабые, поэтому.молекулярная связь раз­рушается при тепловом движении молекул. Вещества с молекулярной связью имеют низкие температуры плавления и кипения (парафин, нафталин и др.).

                               

Агрегатные состояния вещества

Большинство веществ при определенных условиях могут быть переведены в одно из трех агрегатных состояний: газообразное, жидкое и твердое. Для газообразного состояния вещества харак­терно равномерное заполнение молекулами газа всего предоставлен­ного им объема. Молекулы газа движутся хаотически. Средняя ско­рость молекул, а следовательно, и их энергия определяются тем­пературой газа. Ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов практич                                                                                                                                                                                           ески одинакова называют плазмой, и ее считают четвертым агрегатным состоянием вещества.

Вакуум− это газ при давлениях ниже атмосферного. При вакууме в объеме частиц газа так мало, что они могут передвигаться от одной стенки камеры до другой, не сталкиваясь друг с другом. Газообразное состояние называют паром, если газовая фаза вещества находится в равновесии с жидкой (испарение) или твердой фазой (сублимация) того же вещества..

Фаза — термодинамическое равновесное состояние вещества, отличающееся по своим свойствам от других возможных равновесных состояний того же вещества. Под действием температуры, давления, электрических, магнитных полей и др. возможны фазовые переходы 2-х родов. Фазовые переходы I рода сопровождаются скачкообразным изменением термодинамических характеристик вещества с выделением или поглощением тепла- это испарение и конденсация, плавление и кристаллизация (затвердевание), сублимация и конденсация в твердой фазе. Например, в сверхпроводниках сильное магнитное поле вызывает фазовый переход I рода из сверхпроводящего состояния в нормальное.

Фазовый переход II рода происходит без изменения теплоты, это, например, переход из немагнитного состояния в магнитное.

От газообразного состояния(например пары воды при T>100°C) можно перейти к жидкому состоянию при T<100°C и затем твердому состоянию(льду) при T<°C. Такие переходы являются фазовыми переходами I рода, а состояние вещества при этом называют агрегатным. Критерием агрегатного состояния считают отношение средней потенциальной энергии En взаимодействия молекул в веществе к их кинетической энергии Eк.Если En/Eк<<1, то это газообразное состояние вещества, если En/Eк» 1, то-жидкое, а если En/Eк>>1, то – твердое агрегатное состояние.

Для жидкостей характерно наличие определенного объема, но она принимает форму того сосуда, в котором она находится. В жид­кой фазе вещества среднее расстояние между молекулами значитель­но меньше (в десятки раз), чем в газе, а значит и межмолекулярные силы сцепления в жидкости гораздо больше, чем в газе. Этим и объясняется различие в характере движения молекул в газе и в жидкости. В расположении частиц жидкости наблюдается так назы­ваемый ближний порядок. Это означает, что по отношению к любой частице расположение ближайших к ней соседних частиц является упорядоченным, однако по мере удаления от данной частицы ста­новится все менее упорядоченным и довольно быстро общий.порядок в расположении частиц полностью исчезает.

Каждая молекула в течение некоторого времени колеблется око­ло положения равновесия, скачками перемещаясь в новое положение, отстоящее от предыдущего на расстоянии порядка размеров самих молекул. Время нахождения молекулы в состоянии равновесия может быть различным, но средняя длительность колебаний молекулы около своего положения равновесия является для каждой жидкости определенной величиной, зависящей от температуры. Из-за отсут­ствия в жидкостях дальнего порядка они изотропны, то есть свой­ства их одинаковы во всех направлениях.

Твердые тела отличаются упорядоченным расположением частиц, что обусловлено значительными силами взаимодействия между ни­ми. Твердые тела подразделяют на аморфные и кристаллические. Аморфные тела можно рассматривать как сильно переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости. Первое разли­чие в свойствах кристаллических и аморфных тел проявляется в свойствах кристаллизации и плавления. Кристаллические тела имеют строго определенную температуру плавления ­.

Это означает, что разрыв связей между частицами, образующими твердые тела, проис­ходит при вполне определенном тепловом режиме. Аморфные тела при нагревании размягчаются постепенно, в широком диапазоне тем­ператур. Энергия связи между частицами аморфного тела различна и такие тела не имеют определенной температуры плавления.

Характерное свойство кристаллических тел - анизотропность, то есть различие механических, физических, тепловых и других свойств по разным кристаллографическим направлениям.

Таким образом, в твердом состоянии вещество существует в равновесии при более низких температурах, чем в жидком и газо­образном. Твердые тела обладают поэтому самой низкой внутренней энергией.