Что такое чистота вещества.

Очисткой веществ человек занимается с незапамятных времен. Известно, что еще в далекой древности воду для питья очищали фильтрованием, при помощи овечьего руна отделяли золото от «пустой породы». Опыт очистки, накопленный в практических ремеслах, впоследствии развили алхимики, много занимавшиеся процессами дистилляции, возгонки, кристаллизации. Разработанные способы «очищать и разрешать» вещества сделали возможным открытие новых элементов и определение истинного состава ряда веществ. Необычайно плодотворной в этом отношении была первая половина 19-го столетия: за это время было выделено и изучено 27 ранее неизвестных химических элементов. Установление законов химии с их вершиной — периодическим законом — также обязано чистоте объектов исследования и чувствительности методов и приборов.

На приборном отсеке космического корабля «Союз», изображенного на рисунке, укреплены солнечные батареи: они расходятся в стороны от корпуса корабля, словно крылья диковинной птицы. В батарее применен кремний высокой чистоты: кремниевые диоды преобразуют энергию солнечного излучения в электрическую.

Можно ли получить абсолютно чистое вещество? Под этим термином подразумевают

[smszamok]

химически и физически однородное простое тело или химическое соединение, состоящее из одного определенного вида атомов (ионов) или молекул и обладающее только ему присущим комплексом постоянных свойств. В реальных условиях абсолютно чистых веществ нет, и не может быть. Абсолютная чистота в химии недостижима, подобно абсолютному нулю температуры в физике. Мы приближаемся к ней, но на пути к ее достижению встречаемся с принципиальными трудностями. Дело в том, что очистка производится с помощью той или иной химической реакции. А скорость любой реакции пропорциональна концентрации вещества. По мере снижения концентрации примесных атомов уменьшается и скорость их удаления. Отсюда следует, что удаление «последних» следов примесей и достижение их нулевой концентрации теоретически потребуют бесконечного времени. Другая особенность глубокой очистки связана с сохранением достигнутой чистоты. Не существует такого идеально инертного вещества, атомы которого не участвовали бы в процессах адсорбционного, диффузионного или химического взаимодействия. Эти процессы неизбежно протекают на поверхности образца, приготовленного из очищенного вещества.

Поэтому сохранить высокую чистоту часто бывает даже труднее, чем ее достигнуть.

С точки зрения аналитической химии особо чистым веществом считается такое, в котором тем или иным методом современной экспериментальной техники не обнаруживаются примеси. А это значит, что те вещества, что вчера считались особо чистыми, сегодня могут уже не соответствовать этому определению. В технике вещество считают достаточно чистым, если оно не содержит примесей такого рода и в таких количествах, которые мешают использованию этого вещества для данной конкретной цели. Отсюда возникли и названия частот — вещества реакторной чистоты, полупроводниковой чистоты и пр. До сих пор речь шла о химической чистоте, характеризующей степень загрязненности вещества чужеродными частицами. Не менее важное значение имеет и чистота физическая. Даже очищенное от химических примесей вещество может быть загрязнено своими же атомами, такими же по химическим свойствам, но отличающимися от основных лишь своей массой — изотопами. Содержание изотопов во многих производствах не вызывает интереса. Но в отдельных случаях необходимость изотопической чистоты выдвигает особые требования к методам разделения и очистки. Так, для получения тяжелой воды, содержащей изотоп водорода — дейтерий, создана особая технология производства. Для твердых веществ особое значение имеет строение кристаллической решетки. Алмаз и графит, состоящие из одинаковых атомов углерода, белое и серое олово различаются лишь структурами кристаллов. С точки зрения физиков, эти различия делают их разными веществами. И действительно, алмаз с примесью графита никак нельзя считать чистым, а примесь серого олова в белом изменяет его свойства.

Нарушения или искажения кристаллической решетки способны вызвать такие же изменения, какие возникают от присутствия примесей. Здесь химическая и физическая чистота тесно связаны между собой: появление примесных атомов провоцирует структурные дефекты в кристалле, а нарушение кристаллической решетки облегчает проникновение примеси. Даже весьма чистый в химическом отношении металл бывает иногда непригоден, если он состоит из множества кристаллических зерен, пронизан микротрещинами и порами. В таких случаях предпочтительны монокристаллы — образцы с единой для всего их объема кристаллической решеткой. Для изготовления материалов высокой чистоты обычно используются многоступенчатые процессы с последовательным применением химических и физических методов. Сложность их настолько велика, что, по мнению одного из видных ученых в этой области, академика Н. П. Сажина, «есть все основания считать настоящим научным подвигом разработку технологических методов получения веществ с содержанием примесей менее миллионных долей процента».

Свои истинные свойства вещество может проявлять только в предельно чистом виде. С появлением примеси мы наблюдаем уже, как говорят специалисты, «кооперативные свойства ансамблей атомов».

Еще в начале века английский химик Бейкер обнаружил поразительное явление: различные жидкости после очень длительного обезвоживания (в продолжение 8—9 лет) показали резкое повышение температуры кипения. У бензола она повысилась на 26°, у четыреххлористого углерода — на 34°, у брома — на 55°, у этилового спирта — на 60°, у ртути — на 62°. Коренным образом изменяются и химические свойства обезвоженных веществ: окись углерода не горит больше в кислороде, водород перестает реагировать с хлором, смесь кислорода с водородом, которую за бурную реакцию соединения обычно называют гремучим газом, больше не взрывается. Все эти вещества после удаления следов воды теряют свою химическую активность.

Вот какова степень влияния примесей на свойства веществ! Хром, тантал, молибден, цирконий, титан, вольфрам имели репутацию хрупких металлов, не поддающихся механической обработке. Лишь после того, как содержание примесей удалось снизить до стотысячной доли процента, они предстали в новом качестве — пластичных мягких металлов.
Хром, например, не уступает своей пластичностью ковкому железу. А 10 граммов тугоплавкого вольфрама, нагретого до 500—700°С, можно вытянуть в тонкую нить длиною четыре километра. Долгое время для хрома не была известна температура плавления — в зависимости от чистоты она изменялась от 1513° до 1920°С. Высокой чистоты хром плавится при 1890°С, но и это значение нельзя считать окончательным.

Железо высшей чистоты (Ю-4 процента примесей) теряет способность растворять кислород и другие газы, становится химически инертным. Если столь чистое железо легировать определенными металлами, оно способно выдерживать нагрузку до 600 кГ/мм 2 вместо обычных 17—21.

Алюминий — второй после железа металл по объему потребления — с повышением чистоты изменяет практически все свои свойства. Способностью отражать свет он почти не уступает серебру, притом в отличие от серебра он не темнеет под действием некоторых газов (например, сероводорода). Поэтому им покрывают поверхности технических зеркал, прожекторов, рефлекторов. Чаша самого большого на нашей планете телескопа, установленного в этом году на Северном Кавказе, покрыта тончайшим слоем чистого алюминия. Чистый алюминий не окисляет витамины в пище: им покрывают изнутри кухонную алюминиевую посуду. Но значительнее всего возрастает коррозионная устойчивость алюминия — в 10—25 раз по мере повышения чистоты. Вот почему львиная доля выпускаемого чистого алюминия идет на защитные антикоррозионные покрытия самолетов, судов, на изготовление аппаратуры для химической и пищевой промышленности, на нужды многих других областей народного хозяйства.

Во всех приведенных примерах с повышением чистоты материалы как бы освобождались от недостатков и обретали более полезные и ценные свойства. Но чистота не всегда благо.

Вводимые в чистые вещества дозированные добавки примесей могут вести себя как истинные «друзья», выявляя лучшие черты и свойства материалов. Это относится в первую очередь к полупроводникам. Ничтожно малая примесь может привести к значительному повышению их электропроводности. Полупроводники, в которых проводимость создана преднамеренно внесенными примесями, широко используются для изготовления диодов и триодов.

Иногда чрезмерная чистота может принести не пользу, а вред. Для примера вспомним широко известные фотографические материалы. Все они содержат слой желатины с зернами светочувствительного вещества — бромида серебра. Но, как это ни покажется парадоксальным, совершенно чистый бромид серебра был бы вообще лишен чувствительности к свету. Центрами светочувствительности в зернах бромида серебра служат дефекты кристаллической решетки. Успехи производства органических полимеров во многом обязаны повышению чистоты исходных веществ — мономеров. Химикам известно двоякое влияние примесей на синтез органических полимеров.

[/smszamok]

В одних случаях примеси могут затормозить рост полимерной молекулы. Так было, например, с давно известным процессом полимеризации формальдегида. Попытки наращивать молекулярную массу до необходимой величины оставались безуспешными до тех пор, пока мономер содержал следы воды и метилового спирта. Лишь очистив от них мономер, удалось получить полиформальдегид— одну из самых прочных пластмасс.

В других случаях, наоборот, примесные частицы инициируют полимеризацию. И даже если они несколько ухудшают качество полимера, их все же сознательно вносят — без них не обойтись.

Теперь судите сами, чем же являются примеси — врагами или друзьями.