Диаграммы состояния представляют собой графическое отображение устойчивых фаз веществ при различных температурах и давлениях. Основная задача таких диаграмм — показать области термодинамической стабильности кристаллических и аморфных фаз, а также условия фазовых переходов. Диаграммы могут быть одно-, двух- или многокомпонентными, в зависимости от числа химических компонентов системы.
Для чистого вещества основная диаграмма состояния строится в координатах давление–температура (P–T). Важнейшие элементы:
Для кристаллов одно вещество может существовать в нескольких кристаллических модификациях — явление, называемое полиморфизмом. Полиморфные формы различаются кристаллической решеткой, плотностью и термодинамическими свойствами. Диаграмма состояния позволяет выявить температурные и давления условия перехода между полиморфами.
Полиморфные превращения — это переход вещества из одной кристаллической модификации в другую без изменения химического состава. Их классификация:
Энантиотропные превращения Происходят при температуре ниже точки плавления с обратимой изменчивостью: каждая полиморфная форма стабильна в определённом температурном диапазоне. Для таких систем характерно существование пересекающихся линий равновесия на P–T диаграмме. Пример: модификации серы α-S и β-S.
Монотропные превращения Один полиморф устойчив во всём диапазоне температур до плавления, другой — метастабилен. Переход метастабильной формы в стабильную необратим. На диаграмме состояние это отражается как пересечение линий равновесия только в сторону стабильной формы. Пример: трансформация ромбической серы в моноклинную S.
Термодинамические параметры полиморфных переходов включают:
Для практических целей важны метастабильные формы, обладающие уникальными физико-химическими свойствами: растворимостью, плотностью, оптической активностью. Эти формы часто получают синтетически, и их переход в стабильную форму необходимо контролировать.
В системах с двумя компонентами (A–B) диаграммы состояния строятся в координатах температура–состав. Основные типы:
Полиморфные превращения в таких системах могут сопровождаться изменением состава твёрдого раствора и сдвигом эвтектической температуры. Диаграммы состояния в этом случае помогают прогнозировать совместимую кристаллизацию и условия получения нужной полиморфной формы.
Полиморфные превращения и диаграммы состояния исследуются следующими методами:
Понимание диаграмм состояния и полиморфизма важно для:
Систематическое использование диаграмм состояния позволяет управлять кристаллизацией, предотвращать нежелательные переходы полиморфов и оптимизировать свойства конечного материала.