化学中,杂质为什么不能被除尽?

化学中,杂质为什么不能被除尽?

汤川,

杂质如果被除尽,材料为了热力学上的稳定,会自发形成缺陷。一方面是熵,一方面是原子的自发移动。现实中的固体材料,绝大部分是多晶体,不是按照单一晶格排列的单晶,而是围绕多个晶核形成的多晶。我们从结晶的角度来看待缺陷 / 杂质的问题。

物质的形成,为什么总是喜欢带一点其他物质的杂质呢?我们用一种极限的思维来看,物质中即使没有其他物质的杂质,体系内在材料生长的时候,也倾向于自发形成结构性的杂质,并在这个所谓的“杂质”上继续生长。杂质的存在,减少了成核所需的表面能,在动力学上是物质生长所喜欢的,所以会从能量角度出发,物质倾向于带一些杂质,如果这个杂质是一些特定的物质,例如聚乙烯之于酒石酸,就是一个叫做辅生结晶的机理,在工业生产中,有专门的产品叫做成核剂(它本质是一种杂质),用于诱导特定的晶形。

没有“杂质(缺陷)”,晶体难以生长,物质难以形成。

就好比一个电路,我们把灯泡两侧连接一个电线,电子确实可以从灯泡中流过,但它更倾向于从短路的电线走过。同样的,晶体在生长的时候,理论上可以从无缺陷的位置生长,但实际上只会在有缺陷的位置形成。

右图为左图的生长后续。晶体的生长位置是一定的,先结晶的位置,后续会更大。

我们以高分子薄膜的球晶生长为例,晶体的出现在特定的位置,即使我们将它们熔融,仍然可能在同样的位置首先结晶。这种所谓的成核位置,可能是一个杂质,也可能是结晶物质本身,但具有一定的链段取向,就好比,我们拉拉链的时候,会先把拉链排排好,就跟容易把拉链拉上去。即使是纯净物本身,也可能从构象的角度形成一个“杂质”。

分子好像没结晶,又看起来很像结晶的样子,我们说它是 metaphase,有利于结晶

所以,不是说物质里的杂质不能去除,而是因为有杂质,才形成了这个物质。那么,如果我们用重结晶方法提纯物质的时候,虽然可能去除大部分的杂质,但少部分的杂质维持着重结晶的进行,不能用这种方式去除。更为直白的,我们可以通过在高分子薄膜上剐蹭,故意制造缺陷的方式来促进结晶。

在薄膜横着上划一道,诱导结晶,类似于过冷水震一下。

使用超高温,消除分子的所有构象,能否消除缺陷

也不能,高温的时候,这种所谓的缺陷还多一些,而且常见物体也不能一直保持高温。

有温度,原子就不会乖乖不动,而是会通过振动,尝试跳跃到临近的位置。原子本身有一个热震动频率,加热会增加这个频率

原子的运动,可能导致空出一些位置,热力学平衡状态下,这种缺陷的数量是温度的状态函数。

高温时,N 个原子中的缺陷数量为 n(适当数量缺陷的出现,使得混合熵增加):

温度越高,缺陷越多,那么只要这个物质降温,热力学所要求的缺陷数量减少。材料因为淬冷,可能会将这些缺陷在内部保留下来,而形成一种高能状态,为了降低能量,物质就会自己想办法了。为了填补这些空穴,消除应力,材料可能发生一些畸变,就像是错位一样,我们一般称之为位错(dislocation)

晶体沿着突出的那个暴露的表面生长,一圈一圈的长上去(screw dislocation),类似于旋转的金字塔。[1]而如果没有这种位错(或者认为这是个杂质吧),晶体的生长会变得非常慢,甚至会因为晶核涨落自发消失。

这个回答,一方面是,用重结晶的方法,为什么不能除去某些杂质。另一方面,从热力学角度解释,少量缺陷的存在在热力学上是有好处的。