化學(xué)中雜質(zhì)為什么不能被除盡 ???
編輯：轉(zhuǎn)自:材料科學(xué)與工程技術(shù)
發(fā)布時(shí)間：2023-09-26
經(jīng)常有人好奇，化學(xué)品能不能再純凈些，雜質(zhì)能不能除盡？
為什么呢？因?yàn)殪卦鲈怼?/strong>熱力學(xué)第二定律(熵增原理)告訴我們：對于一個孤立的系統(tǒng)，系統(tǒng)總是朝著最大混亂度的方向(高熵的狀態(tài))發(fā)展。
☆完全純凈的物質(zhì)是難以維持的
純凈物質(zhì)的概念只能存在于化學(xué)意義之上，在宏觀世界是找不到完全純凈的物質(zhì)。完全純凈的物質(zhì)的熵必然是極低的，在沒有人為干預(yù)的情況下，它也能自發(fā)地朝著高熵狀態(tài)發(fā)展，變得不純凈。假設(shè)你通過神來之手(某種途徑)，得到了一瓶完全純凈的物質(zhì)，你如獲至寶，小心翼翼地密封好，期待全世界的媒體人、科學(xué)家紛至沓來，磨平你家門檻來參觀和研究。但是不幸的是，你的容器本身也是一種物質(zhì)，容器內(nèi)的物質(zhì)和容器的內(nèi)壁直接兩相接觸，是會發(fā)物質(zhì)交換的，容器材質(zhì)的分子或者原子會進(jìn)入到純凈物質(zhì)之中，它就有雜質(zhì)了，它就不純了。這“該死”的原子和分子就是這樣永遠(yuǎn)做著無規(guī)則熱運(yùn)動的，非要和其他物質(zhì)來開聯(lián)誼會，打破你對它能永遠(yuǎn)保持純凈的幻想。此外，你的“純凈的物質(zhì)”本身也會“自我革命”，發(fā)生化學(xué)意義上的改變，轉(zhuǎn)換成其他陣營的東西。這些物質(zhì)可能自己發(fā)生分解反應(yīng)，甚至是自我聚合變成其他的東西，就成為雜質(zhì)。正如你永遠(yuǎn)也不要期待著變臟的桌子能自動變干凈，你也不要期待不純凈的物質(zhì)能自發(fā)變得純凈起來。變得有序的代價(jià)就是要付出能量。
☆提純是件苦差事兒：純度要求越高，越困難
除雜就是剔除物質(zhì)中你不需要的部分，這一過程就會使得物質(zhì)的熵降低，就是讓其變得更“有序”一點(diǎn)兒。這就需要付出“代價(jià)”，需要向這個系統(tǒng)提供能量。所有的除雜即提純過程是需要消耗能量的！更搞人心態(tài)的是，如果你需要的純度越高，提純的技術(shù)難度會越大，并且消耗的能量是指數(shù)級增長。化學(xué)家很早就總結(jié)了一套提純的法寶，過濾、萃取、蒸發(fā)濃縮、蒸餾、電解、結(jié)晶、反滲透、離子交換、色譜法......這些法寶就好像化學(xué)家的“蟹八件”，憑借著這些工具化學(xué)家們能把他們瓶子里的東西搞的干干凈凈的。這些物理辦法也好，化學(xué)辦法也罷，無一例外都是需要消耗能量和資源的！但是，這些提純的方法往往都有局限性，比如對于液體里面的雜質(zhì)，可以采用精餾的方法剔除，但是這種方法往往也有限度，比如僅僅使用精餾的方法去提純酒精（乙醇和水的混合物），當(dāng)乙醇濃度到了95.63%的時(shí)候，乙醇和水形成共沸物，就不能進(jìn)一步提純了，如果要達(dá)到99%的純度必須采用其他的辦法。同時(shí)，精餾的辦法也只針對液-液分離（分離液體中的液體雜質(zhì)）才有效果，如果你想用精餾的辦法去分離沙土里面的鉆石，那就是在癡人說夢。吃螃蟹不同位置要用不同的工具，有時(shí)候還有各種工具搭配起來。同樣，分離不同的狀態(tài)的混合物要用不同的提純辦法，而且有時(shí)候還要采用多種提純方法，才能達(dá)到你想要的純度。這樣看來，除雜真的就是技術(shù)難度很大的一件事情，不過也正常，要想吃到螃蟹，這些必要的努力是需要付出的。化學(xué)家們鼓搗瓶瓶罐罐里的物質(zhì)還算比較容易，然而化工工程師面對眼前的鋼鐵巨獸里的產(chǎn)品，著實(shí)讓人頭痛。可以說，化工工程師的難題核心不是說怎么把產(chǎn)品給造出來（這一步化學(xué)家早就在實(shí)驗(yàn)室里面打通了），而是怎么把這些產(chǎn)品從反應(yīng)物、副產(chǎn)物、溶劑里面分離和提純出來。除雜這一化學(xué)操作，在化工里面則把它上升到“分離工程”的地位。
這個是化工設(shè)計(jì)中著名的“洋蔥模型”，分離工程是化工設(shè)計(jì)的第二核心層內(nèi)容，它作為石油化工、有機(jī)化工、生物化工、精細(xì)化工、制藥等行業(yè)生產(chǎn)過程中最重要的單元操作之一。通常分離裝置在化工廠基建投資中占50%~90%的比例，能耗占到整個流程的30%~50%，可以說化工廠很大部分投資以及日常消耗都在分離這塊，對于新型分離的開發(fā)和應(yīng)用在全球范圍內(nèi)也越來越受到重視。化工廠往往都有一個純度目標(biāo)，提純到一定純度就不會繼續(xù)提純了，因?yàn)樵僮非蠹兌龋鸵冻龈蟮南摹?5%提純到99%，比從50%提純到90%要困難的多，因?yàn)楫?dāng)雜質(zhì)含量越低的時(shí)候，所采用的分離方法往往就會越精細(xì)，消耗就會越大，所以越到后面越困難。我畫了一個示意圖，目標(biāo)純度越高，則提純的困難程度越大提純到99%，相當(dāng)100個成員有1個叛徒；提純到99.9%，相當(dāng)于1000個成員有1個叛徒；提純到99.99%，相當(dāng)于10000個成員有1個叛徒 ；提純到99.999%，相當(dāng)于100000個成員有1個叛徒 ；當(dāng)你所需要的純度要求越高，那么這個集體的范圍就越大，再進(jìn)一步提純，就要在更大范圍內(nèi)去尋找那個叛徒。更可氣的是，在提純的過程中，可能還會有其他的叛徒渾水摸魚進(jìn)來；（提純過程引入的雜質(zhì)）原來集體里面的成員還可能叛變（純物質(zhì)自身的變化）。如果提純到100%，那么困難程度要達(dá)到無窮大，可能只有神來之手才能做到。在化學(xué)實(shí)驗(yàn)科學(xué)里面，對雜質(zhì)的含量有著很嚴(yán)格的分類，試劑規(guī)格基本上按純度（雜質(zhì)含量的多少）劃分，共有高純、光譜純、基準(zhǔn)、分光純、優(yōu)級純、分析純和化學(xué)純等7種，最為大家所知的就是“四大純”。即優(yōu)級純、分析純、化學(xué)純和實(shí)驗(yàn)試劑。（1）優(yōu)級純（GR：Guaranteed reagent），又稱一級品或保證試劑，99.8%，這種試劑純度最高，雜質(zhì)含量最低，適合于重要精密的分析工作和科學(xué)研究工作，使用綠色瓶簽。（2）分析純（AR），又稱二級試劑，純度很高，99.7%，略次于優(yōu)級純，適合于重要分析及一般研究工作，使用紅色瓶簽。（3）化學(xué)純（CP），又稱三級試劑，≥ 99.5%，純度與分析純相差較大，適用于工礦、學(xué)校一般分析工作。使用藍(lán)色（深藍(lán)色）標(biāo)簽。（4）實(shí)驗(yàn)試劑（LR：Laboratory reagent），又稱四級試劑。為了滿足一些比較特殊的要求，廠商還會做更純的試劑。比如做色譜采用的試劑就要用到光譜純。純度遠(yuǎn)高于優(yōu)級純的試劑叫做高純試劑（≥ 99.99%）。還有特純試劑（雜質(zhì)含量低于1/1000000～1/1000000000級），此外還有一些比較小眾的極純分類。
例如：等離子體質(zhì)譜純級試劑（ICP-Mass Pure Grade）:絕大多數(shù)雜質(zhì)元素含量低于0.1ppb，適合等離子體質(zhì)譜儀（ICP Mass）日常分析工作。原子吸收光譜純級試劑(AA Pure Grade):絕大多數(shù)雜質(zhì)元素含量低于10 ppb ，適合原子吸收光譜儀（AA）日常分析工作。
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