Химические примеси
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( январь 2021 г. ) |
В химии и материаловедении примеси химические представляют собой вещества внутри ограниченного количества жидкости , газа или твердого тела . Они отличаются химическим составом материала или соединения. [ 1 ] Во-первых, чистое химическое вещество должно присутствовать хотя бы в одной химической фазе , а также может быть охарактеризовано его фазовой диаграммой . Во-вторых, чистый химикат должен оказаться однородным (т. е. однородным веществом, имеющим одинаковый состав по всему материалу). [ 2 ] ). Идеально чистое химическое вещество выдержит все попытки его отделения и дальнейшей очистки. В-третьих, и здесь мы сосредотачиваемся на общем химическом определении, оно не должно содержать никаких следов каких-либо других химических веществ. В действительности не существует абсолютно 100% чистых химических соединений, так как всегда имеется какое-то небольшое количество загрязнений .
Уровни примесей в материале обычно определяются в относительных величинах. стандарты Различные организации установили , которые пытаются определить допустимые уровни различных примесей в производимом продукте. Строго говоря, уровень чистоты материала можно определить только как более или менее чистый, чем у какого-либо другого материала.
Примеси либо встречаются в природе, либо добавляются во время синтеза химического или коммерческого продукта. В процессе производства в вещество могут намеренно или случайно добавляться примеси. Удаление нежелательных примесей может потребовать использования методов разделения или очистки, таких как дистилляция или зонная очистка. В других случаях примеси могут быть добавлены для придания определенных свойств материала, таких как цвет драгоценных камней или проводимость в полупроводниках. Примеси также могут влиять на кристаллизацию, поскольку они могут действовать как центры зародышеобразования, которые начинают рост кристаллов. Примеси могут также играть роль в зарождении других фазовых переходов в виде дефектов.
Нежелательные примеси
[ редактировать ]Примеси могут стать нежелательными, если они препятствуют работоспособности материала. Примеры включают пепел и мусор в металлах и кусочки листьев на чистых белых бумагах. Удаление примесей обычно осуществляется химическим путем. Например, при производстве железа карбонат кальция добавляют в доменные печи для удаления диоксида кремния из железной руды . Зонное рафинирование , еще один метод очистки, является экономически важным методом очистки полупроводников.
Однако некоторые виды примесей можно удалить физическими средствами. Смесь воды и соли можно разделить перегонкой , при этом вода является дистиллятом, а соль - твердым остатком . Это делается путем нагревания воды до кипения и оставления соли. Вода охлаждается, и газ снова превращается в чистую жидкость. [ 3 ] Примеси обычно физически удаляются из жидкостей и газов. Удаление частиц песка из металлической руды является одним из примеров твердых частиц.
Независимо от того, какой метод используется, полностью отделить примесь от материала обычно невозможно. Причина невозможности полного удаления примесей имеет термодинамическую природу и предсказывается вторым законом термодинамики. Полное удаление примесей означает снижение их концентрации до нуля. Это потребует бесконечного количества работы и энергии, как предсказывает второй закон термодинамики . Что могут сделать технические специалисты, так это повысить чистоту материала до 100%, насколько это возможно или экономически целесообразно. [ 4 ]
Примеси в фармацевтических и терапевтических препаратах вызывают особую озабоченность, и за последние пару десятилетий произошло немало скандалов: от небезопасных ингредиентов и неправильных лекарственных форм до намеренно обогащенных лекарств и случайных загрязнений. [ 4 ]
Требуемые примеси
[ редактировать ]Иногда нам может потребоваться добавить в материал примеси, чтобы изменить его свойства. Эти примеси могут встречаться в природе и оставаться в материале неизмененными или быть намеренно добавлены во время синтеза. Эти типы примесей могут появляться в нашей повседневной жизни, например, в различных цветах драгоценных камней или в результате легирования для настройки проводимости полупроводников. [ 5 ] [ 6 ]
Пример того, когда примеси желательны, показан на драгоценных камнях. Эти драгоценные камни содержат небольшие примеси, которые действуют как хромофоры и придают камню цвет. Примером может служить берилл из семейства драгоценных камней, основная химическая формула которого: Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 . Чистый берилл кажется бесцветным, но это случается редко, а присутствие микроэлементов меняет его цвет. Зеленый цвет изумрудов обусловлен такими примесями, как хром, ванадий или железо. Примесь марганца дает розовый драгоценный камень, называемый морганитом , а железо создает синий драгоценный камень аквамарин . [ 5 ]
Легирование — это процесс, при котором в полупроводники целенаправленно добавляются примеси для увеличения электропроводности и улучшения функций полупроводников . Примеси , элементы, добавленные к исходной кристаллической структуре, содержат другое количество электронов , чем базовая формула. Полупроводники с p-легированием содержат небольшое количество элементов, у которых меньше валентных электронов, чем у других элементов в кристалле. N-легирование является противоположным, и примесь содержит больше валентных электронов. [ 6 ]
Примеси и зародышеобразование
[ редактировать ]Когда нечистая жидкость охлаждается до точки плавления, жидкость, претерпевая фазовый переход , кристаллизуется вокруг примесей и становится кристаллическим твердым веществом. Если примесей нет, жидкость считается чистой и ее можно переохладить ниже точки плавления, не превращаясь в твердое вещество. Это происходит потому, что жидкости не вокруг чего конденсироваться, поэтому твердое вещество не может образовывать естественное кристаллическое твердое вещество. Твердое тело в конечном итоге образуется, когда происходит динамический арест или стеклование , но вместо этого оно превращается в аморфное твердое вещество – стекло нет дальнего порядка . , поскольку в структуре [ 7 ]
Примеси играют важную роль в зарождении других фазовых переходов. Например, присутствие посторонних элементов может оказывать существенное влияние на механические и магнитные свойства металлических сплавов. Атомы железа в меди вызывают известный эффект Кондо , при котором спины электронов проводимости образуют магнитное связанное состояние с атомом примеси. Магнитные примеси в сверхпроводниках могут служить очагами генерации вихревых дефектов. Точечные дефекты могут образовывать обращенные домены в ферромагнетиках и существенно влиять на их коэрцитивную силу . В целом примеси могут служить точками инициирования фазовых переходов , поскольку энергетические затраты на создание области конечного размера новой фазы ниже при точечном дефекте. Чтобы зародыш новой фазы был стабильным, он должен достичь критического размера. Этот пороговый размер часто ниже в месте примеси.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Определение ПРИМЕСИ» . www.merriam-webster.com . 24 марта 2024 г. Проверено 1 апреля 2024 г.
- ^ «Определение однородности» . www.merriam-webster.com . 10 марта 2024 г. Проверено 27 марта 2024 г.
- ^ Роббинс, Лэнни (27 мая 2011 г.). Управление дистилляцией, оптимизация и настройка: основы и стратегии . Бока-Ратон: CRC Press. дои : 10.1201/b10875 . ISBN 978-0-429-10729-0 .
- ^ Jump up to: а б Абдин, Ахмад Яман; Йебоа, принц; Джейкоб, Клаус (февраль 2020 г.). «Химические примеси: эпистемологическая загадка с серьезными побочными эффектами» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 17 (3): 1030. doi : 10.3390/ijerph17031030 . ISSN 1661-7827 . ПМК 7038150 . ПМИД 32041209 .
- ^ Jump up to: а б Смит, Джордж Фредерик Герберт. «Драгоценные камни и их отличительные черты» . Гутенберг.орг . Проверено 15 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б Кар, Прадип (23 августа 2013 г.). Легирование сопряженных полимеров (1-е изд.). Уайли. дои : 10.1002/9781118816639 . ISBN 978-1-118-57380-8 .
- ^ Урвин, Стефани Дж.; Левилен, Гийом; Марциано, Иван; Мерритт, Джереми М.; Хаусон, Ян; Тер Хорст, Йооп Х. (21 августа 2020 г.). «Структурированный подход к борьбе с примесями во время разработки промышленной кристаллизации» . Исследования и разработки органических процессов . 24 (8): 1443–1456. дои : 10.1021/acs.oprd.0c00166 . ISSN 1083-6160 . ПМЦ 7461122 . ПМИД 32905065 .
- Ченг Э. и др., Химия – современный взгляд , Аристо-Уилсон, Гонконг, 2004 г.