Примеси в химии и материаловедении: определение, характеристики чистоты веществ, фазовые диаграммы и гомогенность материалов. Важно для анализа состава.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Вещество в материале, отличающееся по химическому составу.
Substance within a material that differs from its chemical composition
В химии и материаловедении примеси – это химические вещества, содержащиеся в ограниченном количестве жидкости, газа или твердого тела. Они отличаются от химического состава материала или соединения. Во-первых, чистое химическое вещество должно присутствовать как минимум в одной химической фазе и может также быть охарактеризовано его фазовой диаграммой. Во-вторых, чистое химическое вещество должно быть однородным, то есть представлять собой вещество с одинаковым составом по всему объему материала. Идеально чистое химическое вещество выдержит любые попытки его дальнейшего разделения и очистки. В-третьих, и здесь мы сосредоточимся на общепринятом химическом определении, оно не должно содержать каких-либо следов других химических видов. В реальности абсолютно 100% чистых химических соединений не существует, поскольку всегда присутствует некоторое количество загрязнений. Содержание примесей в материале обычно определяется в относительных величинах. Различные организации устанавливают стандарты, определяющие допустимые уровни различных примесей в готовой продукции. Строго говоря, степень чистоты материала можно определить только относительно другой, более или менее чистой, субстанции. Примеси могут быть природного происхождения или добавлены в процессе синтеза химического или коммерческого продукта. В ходе производства примеси могут быть добавлены в вещество намеренно или случайно. Для удаления нежелательных примесей могут потребоваться методы разделения или очистки, такие как дистилляция или зонная плавка. В других случаях примеси могут быть добавлены для придания материалу определенных свойств, например, цвета драгоценным камням или электропроводности полупроводникам. Примеси также могут влиять на кристаллизацию, выступая в качестве центров зародышеобразования, запускающих рост кристаллов. Примеси также могут играть роль в нуклеации других фазовых переходов, проявляясь в виде дефектов.
In chemistry and materials science, impurities are chemical substances inside a confined amount of liquid, gas, or solid. They differ from the chemical composition of the material or compound. Firstly, a pure chemical should appear in at least one chemical phase and can also be characterized by its phase diagram. Secondly, a pure chemical should prove to be homogeneous (i. e., a uniform substance that has the same composition throughout the material). The perfect pure chemical will pass all attempts to separate and purify it further. Thirdly, and here we focus on the common chemical definition, it should not contain any trace of any other kind of chemical species. In reality, there are no absolutely 100% pure chemical compounds, as there is always some small amount of contamination. The levels of impurities in a material are generally defined in relative terms. Standards have been established by various organizations that attempt to define the permitted levels of various impurities in a manufactured product. Strictly speaking, a material's level of purity can only be stated as being more or less pure than some other material. Impurities are either naturally occurring or added during synthesis of a chemical or commercial product. During production, impurities may be purposely or accidentally added to the substance. The removal of unwanted impurities may require the use of separation or purification techniques such as distillation or zone refining. In other cases, impurities might be added to acquire certain properties of a material such as the color in gemstones or conductivity in semiconductors. Impurities may also affect crystallization as they can act as nucleation sites that start crystal growth. Impurities can also play a role in nucleation of other phase transitions in the form of defects.
Нежелательные примеси
Нежелательные примеси проявляются, когда они препятствуют функционированию материала. Примеры включают золу и включения в металлах, а также частицы листьев в белой бумаге. Удаление примесей обычно осуществляется химическим путем. Например, при производстве железа в доменные печи добавляют карбонат кальция для удаления диоксида кремния из железной руды. Зонная плавка – еще один метод очистки, экономически важный для очистки полупроводников. Однако некоторые примеси можно удалить физическими методами. Смесь воды и соли можно разделить дистилляцией, где вода является дистиллятом, а соль – твердым остатком. Это достигается нагреванием воды до кипения, оставляя соль позади. Затем воду охлаждают, и пар конденсируется в чистую жидкость. Обычно примеси удаляют из жидкостей и газов физическими методами. Удаление песчинок из металлической руды – пример работы с твердыми веществами. Независимо от используемого метода, полностью отделить примесь от материала обычно невозможно. Причина этого кроется в термодинамике и предсказывается вторым законом термодинамики. Полное удаление примесей подразумевает снижение их концентрации до нуля, что потребовало бы бесконечного количества работы и энергии, согласно второму закону термодинамики. Технологи могут лишь максимально повысить чистоту материала, насколько это возможно или экономически целесообразно. Примеси в фармацевтических препаратах и терапевтических средствах вызывают особую обеспокоенность, и последние десятилетия были отмечены рядом скандалов, связанных с небезопасными ингредиентами, неправильной дозировкой, преднамеренным добавлением веществ и случайным загрязнением. Пример, когда примеси желательны, можно увидеть в драгоценных камнях. Эти камни содержат незначительные примеси, которые действуют как хромофоры и придают камню цвет. Например, семейство бериллов имеет базовую химическую формулу Be3Al2(SiO3)6. Чистый берилл бесцветен, но это случается редко, и присутствие микроэлементов изменяет его цвет. Зеленый цвет изумрудов обусловлен примесями, такими как хром, ванадий или железо. Примесь марганца придает розовый цвет морганиту, а железо создает синий аквамарин. Примеси играют важную роль в зародышеобразовании других фазовых переходов. Например, присутствие посторонних элементов может существенно влиять 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 центрами генерации вихревых дефектов. Точечные дефекты могут инициировать обратные домены в ферромагнетиках и значительно влиять на их коэрцитивную силу. В целом, примеси могут служить точками инициации фазовых переходов, поскольку энергетические затраты на создание зародыша новой фазы конечного размера ниже в месте точечного дефекта. Для стабильности зародыша новой фазы он должен достичь критического размера, который часто ниже вблизи примеси.
Impurities can become unwanted when they prevent the working nature of the material. Examples include ash and debris in metals and leaf pieces in blank white papers. The removal of impurities is usually done chemically. For example, in the manufacturing of iron, calcium carbonate is added to the blast furnaces to remove silicon dioxide from the iron ore. Zone refining, another purification method, is an economically important method for the purification of semiconductors. However, some kinds of impurities can be removed by physical means. A mixture of water and salt can be separated by distillation, with water as the distillate and salt as the solid residue. This is done by heating the water so it boils and leaves behind the salt. The water is cooled and the gas turns back to a pure liquid. Impurities are usually physically removed from liquids and gases. Removal of sand particles from metal ore is one example with solids. No matter what method is used, it is usually impossible to separate an impurity completely from a material. The reason that it is impossible to remove impurities completely is of thermodynamic nature and is predicted by the second law of thermodynamics. Removing impurities completely means reducing their concentration to zero. This would require an infinite amount of work and energy as predicted by the second law of thermodynamics. What technicians can do is to increase the purity of a material to as near 100% as possible or economically feasible. Impurities in pharmaceuticals and therapeutics are of special concern and the last couple of decades have witnessed a fair number of scandals, from insecure ingredients and incorrect dosage forms to intentionally fortified medications and accidental contaminations. An example of when impurities are wanted is shown in gems. These gems have slight impurities that act as chromophores and give the stone its color. An example is the gem family beryl witch has the base chemical formula of Be3Al2(SiO3)6. Pure beryl will appear colorless but this rarely occurs and the presence of trace elements change its color. The green of emeralds are from impurities such as chromium, vanadium, or iron. A manganese impurity will give a pink gem called morganite and iron creates the blue gem aquamarine. Impurities play an important role in the nucleation of other phase transitions. For example, the presence of foreign elements may have important effects on the mechanical and magnetic properties of metal alloys. Iron atoms in copper cause the renowned Kondo effect where the conduction electron spins form a magnetic bound state with the impurity atom. Magnetic impurities in superconductors can serve as generation sites for vortex defects. Point defects can nucleate reversed domains in ferromagnets and dramatically affect their coercivity. In general impurities are able to serve as initiation points for phase transitions because the energetic cost of creating a finite size domain of a new phase is lower at a point defect. In order for the nucleus of a new phase to be stable, it must reach a critical size. This threshold size is often lower at an impurity site.