В химии и материаловедении примеси — это химические вещества внутри ограниченного количества жидкости , газа или твердого тела , химический состав которых отличается от химического состава материала или соединения. [1] Во-первых, чистое химическое вещество должно термодинамически проявляться по крайней мере в одной химической фазе , а также может быть охарактеризовано его однокомпонентной фазовой диаграммой . Во-вторых, с практической точки зрения, чистое химическое вещество должно оказаться гомогенным (т. е. не проявлять никаких изменений свойств после прохождения широкого спектра последовательных аналитических химических процедур). Идеально чистый химикат выдержит все попытки и испытания дальнейшего разделения и 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, поскольку всегда есть какое-то незначительное загрязнение . Действительно, по мере снижения пределов обнаружения в аналитической химии количество обнаруживаемых примесей имеет тенденцию к увеличению. [2]
Примеси либо встречаются в природе, либо добавляются во время синтеза химического или коммерческого продукта. В процессе производства примеси могут быть намеренно, случайно, неизбежно или случайно добавлены в вещество.
Уровни примесей в материале обычно определяются в относительных величинах. Различные организации установили стандарты , 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 могут быть разрушительными, 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 доменную печь для удаления диоксида кремния из железной руды . Зонное рафинирование — экономически важный метод 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 . 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.
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. [2]
Когда нечистая жидкость охлаждается до температуры 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 тело — стекло , поскольку в структуре нет дальнего порядка .
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.