Impurità

Le impurità sono sostanze chimiche all'interno di una quantità limitata di liquido, gas o solido, che differiscono dalla composizione chimica del materiale o del composto.

Le impurità sono presenti in natura o aggiunte durante la sintesi di un prodotto chimico o commerciale. Durante la produzione, le impurità possono essere aggiunte intenzionalmente, accidentalmente, inevitabilmente o incidentalmente alla sostanza.

I livelli di impurità in un materiale sono generalmente definiti in termini relativi. Sono state stabilite norme da varie organizzazioni che tentano di definire i livelli consentiti di varie impurità in un prodotto fabbricato. A rigor di termini, allora il livello di purezza di un materiale può essere dichiarato solo più o meno puro di qualche altro materiale.

Impurità distruttive

Le impurità possono essere distruttive quando ostacolano la natura lavorativa del materiale. Esempi includono cenere e detriti nei metalli e pezzi di foglie in fogli bianchi vuoti. La rimozione delle impurità viene solitamente eseguita chimicamente. Ad esempio, nella produzione di ferro, carbonato di calcio viene aggiunto all'altoforno per rimuovere il biossido di silicio dal minerale di ferro. La raffinazione delle zone è un metodo economicamente importante per la purificazione dei semiconduttori.

Tuttavia, alcuni tipi di impurità possono essere rimossi con mezzi fisici. Una miscela di acqua e sale può essere separata per distillazione, con acqua come distillato e sale come residuo solido. Le impurità vengono solitamente rimosse fisicamente da liquidi e gas. La rimozione di particelle di sabbia dal minerale metallico è un esempio di solidi.

Indipendentemente dal metodo utilizzato, di solito è impossibile separare completamente un'impurità da un materiale. Il motivo per cui è impossibile rimuovere completamente le impurità è di natura termodinamica ed è previsto dalla seconda legge della termodinamica. Rimuovere completamente le impurità significa ridurre a zero l'entropia del sistema. Ciò richiederebbe una quantità infinita di lavoro ed energia, come previsto dalla seconda legge della termodinamica. Ciò che i tecnici possono fare è aumentare la purezza di un materiale il più vicino possibile al 100% o economicamente fattibile.

Impurità e nucleazione

Quando un liquido impuro viene raffreddato fino al suo punto di fusione, il liquido, subendo una transizione di fase, si cristallizza attorno alle impurità e diventa un solido cristallino. Se non ci sono impurità, si dice che il liquido è puro e può essere raffreddato al di sotto del suo punto di fusione senza diventare solido. Ciò si verifica perché il liquido non ha nulla da condensare, quindi il solido non può formare un solido cristallino naturale. Il solido alla fine si forma quando si verifica un arresto dinamico o una transizione vetrosa, ma si forma in un solido amorfo - un vetro, invece, poiché nella struttura non esiste un ordine a lungo raggio.

Le impurità svolgono un ruolo importante nella nucleazione di altre transizioni di fase. Ad esempio, la presenza di elementi estranei può avere effetti importanti sulle proprietà meccaniche e magnetiche delle leghe metalliche. Gli atomi di ferro nel rame provocano il famoso effetto Kondo in cui gli spin dell'elettrone di conduzione formano uno stato magnetico associato con l'atomo di impurità. Le impurità magnetiche nei superconduttori possono servire come siti di generazione per difetti da vortice. I difetti dei punti possono nucleare domini invertiti nei ferromagneti e influire drammaticamente sulla loro coercività. In generale, le impurità sono in grado di fungere da punti di inizio per le transizioni di fase perché il costo energetico della creazione di un dominio di dimensioni finite di una nuova fase è inferiore in un punto difettoso. Affinché il nucleo di una nuova fase sia stabile, deve raggiungere una dimensione critica. Questa dimensione della soglia è spesso inferiore in un sito di impurità.