В химии и материаловедении примеси — это химические вещества внутри ограниченного количества жидкости , газа или твердого вещества . Они отличаются от химического состава материала или соединения. [1] Во-первых, чистое химическое вещество должно появляться по крайней мере в одной химической фазе и также может быть охарактеризовано его фазовой диаграммой . Во-вторых, чистое химическое вещество должно оказаться однородным (т. е. однородным веществом, имеющим одинаковый состав по всему материалу [2] ). Идеально чистое химическое вещество выдержит все попытки его дальнейшего разделения и очистки. В-третьих, и здесь мы сосредоточимся на общем химическом определении, оно не должно содержать никаких следов каких-либо других видов химических веществ. В действительности не существует абсолютно 100% чистых химических соединений, поскольку всегда есть некоторое небольшое количество загрязнений .
Уровни примесей в материале обычно определяются в относительных терминах. Стандарты были установлены различными организациями, которые пытаются определить допустимые уровни различных примесей в производимом продукте. Строго говоря, уровень чистоты материала может быть указан только как более или менее чистый, чем какой-либо другой материал.
Примеси либо встречаются в природе, либо добавляются в процессе синтеза химического или коммерческого продукта. В процессе производства примеси могут быть намеренно или случайно добавлены в вещество. Удаление нежелательных примесей может потребовать использования методов разделения или очистки, таких как дистилляция или зонная очистка. В других случаях примеси могут быть добавлены для получения определенных свойств материала, таких как цвет драгоценных камней или проводимость полупроводников. Примеси также могут влиять на кристаллизацию, поскольку они могут выступать в качестве центров зародышеобразования, которые начинают рост кристаллов. Примеси также могут играть роль в зародышеобразовании других фазовых переходов в форме дефектов.
Примеси могут стать нежелательными, когда они мешают рабочей природе материала. Примерами служат зола и мусор в металлах и кусочки листьев в чистых белых бумагах. Удаление примесей обычно осуществляется химическим путем. Например, при производстве железа карбонат кальция добавляется в доменные печи для удаления диоксида кремния из железной руды . Зонная очистка , другой метод очистки, является экономически важным методом очистки полупроводников.
Однако некоторые виды примесей можно удалить физическими способами. Смесь воды и соли можно разделить путем перегонки , при этом вода будет 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 — один из примеров с твердыми веществами.
Независимо от того, какой метод используется, обычно невозможно полностью отделить примесь от материала. Причина, по которой невозможно полностью удалить примеси, имеет термодинамическую природу и предсказывается вторым законом термодинамики. Полное удаление примесей означает снижение их концентрации до нуля. Это потребовало бы бесконечного количества работы и энергии, как предсказывает второй закон термодинамики . Что могут сделать техники, так это повысить чистоту материала до максимально возможного или экономически целесообразного уровня 100%. [4]
Примеси в фармацевтических и терапевтических препаратах вызывают особую озабоченность, и за последние пару десятилетий произошло немало скандалов: от небезопасных ингредиентов и неправильных форм дозировки до намеренно обогащенных лекарств и случайных загрязнений. [4]
Иногда мы можем захотеть включить примеси в материал, чтобы изменить его свойства. Эти примеси могут быть естественными и оставаться неизменными в материале или быть намеренно добавленными во время синтеза. Эти типы примесей могут появляться в нашей повседневной жизни, например, в виде различных цветов в драгоценных камнях или путем легирования для настройки проводимости полупроводников. [5] [6]
Примером того, когда примеси желательны, являются драгоценные камни. Эти драгоценные камни имеют небольшие примеси, которые действуют как хромофоры и придают камню его цвет. Примером является драгоценный камень берилл , который имеет базовую химическую формулу Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 . Чистый берилл будет казаться бесцветным, но это случается редко, и присутствие следовых элементов меняет его цвет. Зеленый цвет изумрудов обусловлен примесями, такими как хром, ванадий или железо. Примесь марганца даст розовый камень, называемый морганитом , а железо создает синий камень аквамарин . [5]
Легирование — это процесс, при котором примеси целенаправленно добавляются в полупроводники для увеличения электропроводности и улучшения функции полупроводника . Легирующие примеси , элементы, добавленные к исходной кристаллической структуре, содержат иное количество электронов, чем в базовой формуле. Полупроводники, которые легированы p-примесью, содержат небольшое количество элементов, которые имеют меньше валентных электронов, чем другие элементы в кристалле. Легирование N-примесью — это противоположность, и легирующая примесь содержит больше валентных электронов. [6]
Когда нечистая жидкость охлаждается до точки плавления, жидкость, претерпевая фазовый переход , кристаллизуется вокруг примесей и становится кристаллическим твердым телом. Если примесей нет, то говорят, что жидкость чистая и может быть переохлаждена ниже точки плавления, не превращаясь в твердое тело. Это происходит потому, что жидкости не вокруг чего конденсироваться, поэтому твердое тело не может образовать естественное кристаллическое твердое тело. Твердое тело в конечном итоге образуется, когда происходит динамическая остановка или стеклование , но вместо этого оно превращается в аморфное твердое тело – стекло , поскольку в структуре нет дальнего порядка . [7]
Примеси играют важную роль в зарождении других фазовых переходов. Например, присутствие посторонних элементов может иметь важные эффекты 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 местами генерации вихревых дефектов. Точечные дефекты могут зарождать обращенные домены в ферромагнетиках и существенно влиять на их коэрцитивную силу . В целом примеси способны служить точками инициирования фазовых переходов , поскольку энергетические затраты на создание домена конечного размера новой фазы ниже в точечном дефекте. Для того чтобы зародыш новой фазы был стабильным, он должен достичь критического размера. Этот пороговый размер часто ниже в месте примеси.