化学中杂质为什么不能被除尽？
文摘
2024-11-13 06:20
上海
热力学第二定律(熵增原理)告诉我们：对于一个孤立的系统，系统总是朝着最大混乱度的方向(高熵的状态)发展。☆完全纯净的物质是难以维持的
纯净物质的概念只能存在于化学意义之上，在宏观世界是找不到完全纯净的物质。完全纯净的物质的熵必然是极低的，在没有人为干预的情况下，它也能自发地朝着高熵状态发展，变得不纯净。假设你通过神来之手(某种途径)，得到了一瓶完全纯净的物质，你如获至宝，小心翼翼地密封好，期待全世界的媒体人、科学家纷至沓来，磨平你家门槛来参观和研究。但是不幸的是，你的容器本身也是一种物质，容器内的物质和容器的内壁直接两相接触，是会发物质交换的，容器材质的分子或者原子会进入到纯净物质之中，它就有杂质了，它就不纯了。这“该死”的原子和分子就是这样永远做着无规则热运动的，非要和其他物质来开联谊会，打破你对它能永远保持纯净的幻想。此外，你的“纯净的物质”本身也会“自我革命”，发生化学意义上的改变，转换成其他阵营的东西。这些物质可能自己发生分解反应，甚至是自我聚合变成其他的东西，就成为杂质。正如你永远也不要期待着变脏的桌子能自动变干净，你也不要期待不纯净的物质能自发变得纯净起来。变得有序的代价就是要付出能量。☆提纯是件苦差事儿：纯度要求越高，越困难
除杂就是剔除物质中你不需要的部分，这一过程就会使得物质的熵降低，就是让其变得更“有序”一点儿。这就需要付出“代价”，需要向这个系统提供能量。所有的除杂即提纯过程是需要消耗能量的！更搞人心态的是，如果你需要的纯度越高，提纯的技术难度会越大，并且消耗的能量是指数级增长。化学家很早就总结了一套提纯的法宝，过滤、萃取、蒸发浓缩、蒸馏、电解、结晶、反渗透、离子交换、色谱法......这些法宝就好像化学家的“蟹八件”，凭借着这些工具化学家们能把他们瓶子里的东西搞的干干净净的。这些物理办法也好，化学办法也罢，无一例外都是需要消耗能量和资源的！但是，这些提纯的方法往往都有局限性，比如对于液体里面的杂质，可以采用精馏的方法剔除，但是这种方法往往也有限度，比如仅仅使用精馏的方法去提纯酒精（乙醇和水的混合物），当乙醇浓度到了95.63%的时候，乙醇和水形成共沸物，就不能进一步提纯了，如果要达到99%的纯度必须采用其他的办法。同时，精馏的办法也只针对液-液分离（分离液体中的液体杂质）才有效果，如果你想用精馏的办法去分离沙土里面的钻石，那就是在痴人说梦。吃螃蟹不同位置要用不同的工具，有时候还有各种工具搭配起来。同样，分离不同的状态的混合物要用不同的提纯办法，而且有时候还要采用多种提纯方法，才能达到你想要的纯度。这样看来，除杂真的就是技术难度很大的一件事情，不过也正常，要想吃到螃蟹，这些必要的努力是需要付出的。化学家们鼓捣瓶瓶罐罐里的物质还算比较容易，然而化工工程师面对眼前的钢铁巨兽里的产品，着实让人头痛。可以说，化工工程师的难题核心不是说怎么把产品给造出来（这一步化学家早就在实验室里面打通了），而是怎么把这些产品从反应物、副产物、溶剂里面分离和提纯出来。除杂这一化学操作，在化工里面则把它上升到“分离工程”的地位。这个是化工设计中著名的“洋葱模型”，分离工程是化工设计的第二核心层内容，它作为石油化工、有机化工、生物化工、精细化工、制药等行业生产过程中最重要的单元操作之一。通常分离装置在化工厂基建投资中占50%~90%的比例，能耗占到整个流程的30%~50%，可以说化工厂很大部分投资以及日常消耗都在分离这块，对于新型分离的开发和应用在全球范围内也越来越受到重视。化工厂往往都有一个纯度目标，提纯到一定纯度就不会继续提纯了，因为再追求纯度，就要付出更大的消耗。从95%提纯到99%，比从50%提纯到90%要困难的多，因为当杂质含量越低的时候，所采用的分离方法往往就会越精细，消耗就会越大，所以越到后面越困难。我画了一个示意图，目标纯度越高，则提纯的困难程度越大提纯到99.9%，相当于1000个成员有1个叛徒；提纯到99.99%，相当于10000个成员有1个叛徒 ；提纯到99.999%，相当于100000个成员有1个叛徒 ；当你所需要的纯度要求越高，那么这个集体的范围就越大，再进一步提纯，就要在更大范围内去寻找那个叛徒。更可气的是，在提纯的过程中，可能还会有其他的叛徒浑水摸鱼进来；（提纯过程引入的杂质）原来集体里面的成员还可能叛变（纯物质自身的变化）。如果提纯到100%，那么困难程度要达到无穷大，可能只有神来之手才能做到。在化学实验科学里面，对杂质的含量有着很严格的分类，试剂规格基本上按纯度（杂质含量的多少）划分，共有高纯、光谱纯、基准、分光纯、优级纯、分析纯和化学纯等7种，最为大家所知的就是“四大纯”。即优级纯、分析纯、化学纯和实验试剂。1）、优级纯（GR：Guaranteed reagent），又称一级品或保证试剂，99.8%，这种试剂纯度最高，杂质含量最低，适合于重要精密的分析工作和科学研究工作，使用绿色瓶签。2）、分析纯（AR），又称二级试剂，纯度很高，99.7%，略次于优级纯，适合于重要分析及一般研究工作，使用红色瓶签。3）、化学纯（CP），又称三级试剂，≥ 99.5%，纯度与分析纯相差较大，适用于工矿、学校一般分析工作。使用蓝色（深蓝色）标签。4）、实验试剂（LR：Laboratory reagent），又称四级试剂。为了满足一些比较特殊的要求，厂商还会做更纯的试剂。比如做色谱采用的试剂就要用到光谱纯。纯度远高于优级纯的试剂叫做高纯试剂（≥ 99.99%）。还有特纯试剂（杂质含量低于1/1000000～1/1000000000级），此外还有一些比较小众的极纯分类。例如：等离子体质谱纯级试剂（ICP-Mass Pure Grade）:绝大多数杂质元素含量低于0.1ppb，适合等离子体质谱仪（ICP Mass）日常分析工作。原子吸收光谱纯级试剂(AA Pure Grade):绝大多数杂质元素含量低于10 ppb ，适合原子吸收光谱仪（AA）日常分析工作。
--------END--------
