化学的不純物

化学および材料科学において、不純物とは、限られた量の液体、気体、または固体の中に含まれる化学物質のことです。それらは、材料または化合物の化学組成とは異なります。 ^[1]まず、純粋な化学物質は、少なくとも1つの化学相で現れ、その相図によって特徴付けることもできます。第二に、純粋な化学物質は均質であることが証明される必要があります（つまり、材料全体にわたって同じ組成を持つ均一な物質です^[2]）。完璧な純粋な化学物質は、それをさらに分離および精製するすべての試みを通過します。第三に、ここでは一般的な化学的定義に焦点を当てますが、他の種類の化学種の痕跡を一切含んではなりません。実際には、常に少量の汚染が存在するため、絶対に100％純粋な化合物は存在しません。

材料の不純物レベルは、一般的に相対的に定義されます。製造された製品に含まれるさまざまな不純物の許容レベルを定義するために、さまざまな組織によって標準が確立されています。厳密に言えば、材料の純度レベルは、他の材料よりも純度が高いか低いかでしか表現できません。

不純物は、自然に発生するか、化学製品や商業製品の合成中に添加されます。製造中に、不純物が意図的にまたは偶然に物質に添加されることがあります。不要な不純物を除去するには、蒸留やゾーン精製などの分離または精製技術の使用が必要になる場合があります。他のケースでは、宝石の色や半導体の導電性など、材料の特定の特性を得るために不純物が添加されることがあります。不純物は、結晶成長を開始する核形成部位として機能する可能性があるため、結晶化に影響を与えることもあります。不純物は、欠陥の形で他の相転移の核形成にも役割を果たすことがあります。   

不純物は、材料の機能性を妨げると不要になることがあります。例としては、金属内の灰や破片、白紙内の紙片などが挙げられます。不純物の除去は通常、化学的に行われます。たとえば、鉄の製造では、鉄鉱石から二酸化ケイ素を除去するために高炉に炭酸カルシウムが追加されます。 別の精製方法であるゾーン精製は、半導体の精製にとって経済的に重要な方法です。

しかし、ある種の不純物は物理的な手段で除去することができます。水と塩の混合物は蒸留によって分離することができ、水は留出物、塩は固体残留物となります。これは水を加熱して沸騰させ、塩を残すことによって行われます。水は冷却され、ガスは純粋な液体に戻ります。^[3]不純物は通常、液体やガスから物理的に除去されます。金属鉱石から砂粒子を除去することは、固体の場合の一例です。

どのような方法を使用しても、通常、不純物を材料から完全に分離することは不可能です。不純物を完全に除去することが不可能である理由は、熱力学的な性質であり、熱力学の第二法則によって予測されます。不純物を完全に除去するということは、その濃度をゼロにすることを意味します。これには、熱力学の第二法則で予測されるように、無限の量の作業とエネルギーが必要になります。技術者ができることは、材料の純度を可能な限り100％に近づけること、または経済的に実現可能な範囲で高めることです。^[4]

医薬品や治療薬に含まれる不純物は特に懸念されており、過去数十年間に、安全でない成分や誤った投与形態から、意図的に強化された医薬品や偶発的な汚染まで、かなりの数のスキャンダルが発生しています。^[4]

場合によっては、材料の特性を変えるために不純物を材料に含めたい場合があります。これらの不純物は自然に発生し、材料内でそのまま残される場合もあれば、合成中に意図的に追加される場合もあります。これらの種類の不純物は、宝石の色の違いや半導体の導電性を調整するためのドーピングなど、私たちの日常生活に現れることがあります。^{[5] [6]}

不純物が望まれる例が宝石に見られる。これらの宝石には、発色団として働き、石に色を与えるわずかな不純物がある。一例として、 Be ₃ Al ₂ (SiO ₃ ) ₆という基本化学式を持つ宝石ファミリーの緑柱石がある。純粋な緑柱石は無色に見えるが、これはめったに起こらず、微量元素の存在によって色が変わる。エメラルドの緑色は、クロム、バナジウム、鉄などの不純物によるものである。マンガン不純物はモルガナイトと呼ばれるピンクの宝石を与え、鉄は青い宝石アクアマリンを作り出す。^[5]

ドーピングとは、半導体に意図的に不純物を添加して電気伝導性を高め、半導体の機能を向上させるプロセスです。ドーパント、つまり元の結晶構造に添加される元素には、基本式とは異なる数の電子が含まれます。pドーピングされた半導体には、結晶内の他の元素よりも価電子が少ない元素が少量含まれています。nドーピングはその逆で、ドーパントにはより多くの価電子が含まれます。^[6]

不純な液体を融点まで冷却すると、液体は相転移を起こし、不純物の周囲で結晶化し、結晶性固体になる。不純物がなければ、液体は純粋であるとされ、固体にならずに融点以下に過冷却することができる。これは、液体の周囲に凝縮するものがないため、固体が自然な結晶性固体を形成できないために起こる。動的停止またはガラス転移が起こると、最終的に固体が形成されるが、構造に長距離秩序がないため、非晶質固体、つまりガラスになる。 ^[7]

不純物は、他の相転移の核生成において重要な役割を果たします。たとえば、異元素の存在は、金属合金の機械的特性と磁気的特性に重要な影響を及ぼす可能性があります。銅中の鉄原子は、伝導電子スピンが不純物原子と磁気結合状態を形成する、有名な近藤効果を引き起こします。超伝導体中の磁性不純物は、渦欠陥の発生場所として機能する可能性があります。点欠陥は、強磁性体の反転ドメインの核となり、その保磁力に劇的な影響を及ぼす可能性があります。一般に、点欠陥では新しい相の有限サイズのドメインを作成するためのエネルギーコストが低いため、不純物は相転移の開始点として機能することができます。新しい相の核が安定するには、臨界サイズに到達する必要があります。このしきい値サイズは、不純物サイトでは低いことがよくあります。

• ドロス
• 繊細さ
• 汚染
• 半導体
• スラグ
• スピン波

• Cheng, E. 他著『化学 - 現代的視点』、Aristo-Wilson、香港、2004年