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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、または固体中に存在する化学物質のことです。これらは、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つの化学相で存在し、その相図によって特徴付けられることもあります。次に、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、材料全体で同じ組成を持つ均一な物質です[ 2 ]）。完全に純粋な化学物質は、それをさらに分離および精製するすべての試みに合格します。第三に、ここでは一般的な化学の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いない必要があります。実際には、常に少量の汚染があるため、完全に100%純粋な化学化合物は存在しません。
物質中の不純物の含有量は、一般的に相対的な尺度で定義されます。様々な組織が、製造製品中の様々な不純物の許容レベルを定めるための基準を設けています。厳密に言えば、物質の純度は、他の物質と比較して純度が高いか低いかという形でしか表現できません。
不純物は、天然に存在するか、化学製品や商業製品の合成過程で添加されるかのいずれかです。製造過程では、不純物が意図的に、あるいは偶発的に物質に混入することがあります。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・精製技術が必要となる場合があります。また、宝石の色や半導体の導電性など、物質の特定の特性を得るために不純物が添加されることもあります。不純物は結晶成長の核生成サイトとして作用するため、結晶化にも影響を与える可能性があります。さらに、不純物は欠陥として、他の相転移の核生成にも関与することがあります。
不純物は、材料の機能性を損なう場合、望ましくないものとなる。例えば、金属中の灰や破片、白紙中の葉片などが挙げられる。不純物の除去は通常、化学的に行われる。例えば、鉄の製造においては、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添加される。 ゾーン精製は、半導体の精製において経済的に重要な方法の一つである。
しかし、ある種の不純物は物理的な手段で除去できます。水と塩の混合物は蒸留によって分離でき、水が留出物、塩が固体の残留物となります。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。水を冷却すると、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。金属鉱石から砂の粒子を除去することは、固体の例の1つです。
どのような方法を用いても、不純物を材料から完全に分離することは通常不可能です。不純物を完全に除去することが不可能な理由は熱力学的な性質のものであり、熱力学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、その濃度をゼロに減らすことを意味します。これは、熱力学第二法則によって予測されるように、無限の仕事とエネルギーを必要とします。技術者ができることは、材料の純度を可能な限り、または経済的に実現可能な範囲で100%に近づけることです。[ 4 ]
医薬品や治療薬中の不純物は特に懸念される問題であり、ここ数十年の間に、安全でない成分や不適切な剤形から、意図的に強化された医薬品や偶発的な汚染に至るまで、数多くのスキャンダルが発生している。[ 4 ]
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、自然に存在するもので、材料中にそのまま残される場合もあれば、合成中に意図的に添加される場合もあります。このような不純物は、宝石のさまざまな色や、半導体の導電率を調整するためのドーピングなど、私たちの日常生活にも現れます。[ 5 ] [ 6 ]
不純物が望ましい例を宝石に見ることができます。これらの宝石には、発色団として働き、石に色を与える微量の不純物が含まれています。例として、ベリルという宝石族があり、その基本化学式は Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 です。純粋なベリルは無色に見えますが、これはまれであり、微量元素の存在によって色が変わります。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す。マンガンの不純物はモルガナイトと呼ばれるピンク色の宝石を生み出し、鉄はアクアマリンと呼ばれる青色の宝石を生み出します。[ 5 ]
ドーピングとは、半導体の電気伝導率を高め、半導体の機能を向上させるために、不純物を意図的に添加するプロセスです。ドーパント、つまり元の結晶構造に添加される元素は、基本式とは異なる数の電子を持っています。p型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の少ない元素が少量含まれています。n型ドーピングはその逆で、ドーパントはより多くの価電子を持っています。[ 6 ]
不純物を含む液体を融点まで冷却すると、相転移を起こした液体は不純物の周囲で結晶化し、結晶性固体になります。不純物がない場合、液体は純粋であると言われ、融点以下に過冷却しても固体になりません。これは、液体には凝縮するものが何もないため、固体が自然な結晶性固体を形成できないためです。固体は最終的に動的停止またはガラス転移が起こるときに形成されますが、構造に長距離秩序がないため、代わりに非晶質固体、つまりガラスが形成されます。 [ 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。例えば、異種元素の存在は、金属合金の機械的特性や磁気特性に重要な影響を与える可能性があります。銅中の鉄原子は、伝導電子スピンが不純物原子と磁気的に束縛された状態を形成する、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、渦状欠陥の発生源となることがあります。点欠陥は、強磁性体において反転ドメインの核生成を引き起こし、保磁力に劇的な影響を与える可能性があります。一般に、不純物は相転移の開始点となり得ます。なぜなら、点欠陥では、新しい相の有限サイズのドメインを生成するのに必要なエネルギーコストが低いためです。新しい相の核が安定するためには、臨界サイズに達する必要があります。この閾値サイズは、不純物サイトではしばしば低くなります。