化学中杂质为什么不能被除尽?

发布时间:2021-10-23 来源:有机合成 阅读:985

因为熵增原理。

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

打个比方:提纯就好比从集体中找到叛徒;

提纯到99%,相当100个成员有1个叛徒;

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。

☆化学纯度分级,治疗你的“完美主义”

不要过度地去追求纯度!

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。


关键词:化学 杂质 除尽

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