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      新聞分類

      化學中雜質可以被除盡嗎?

      2021-11-20

      不能,因為熵增原理。

      熱力學第二定律(熵增原理)告訴我們:對于一個孤立的系統,系統總是朝著最大混亂度的方向(高熵的狀態)發展。

      ☆完全純凈的物質是難以維持的

      純凈物質的概念只能存在于化學意義之上,在宏觀世界是找不到完全純凈的物質。完全純凈的物質的熵必然是極低的,在沒有人為干預的情況下,它也能自發地朝著高熵狀態發展,變得不純凈。

      假設你通過神來之手(某種途徑),得到了一瓶完全純凈的物質,你如獲至寶,小心翼翼地密封好,期待全世界的媒體人、科學家紛至沓來,磨平你家門檻來參觀和研究。

      但是不幸的是,你的容器本身也是一種物質,容器內的物質和容器的內壁直接兩相接觸,是會發物質交換的,容器材質的分子或者原子會進入到純凈物質之中,它就有雜質了,它就不純了。

      這“該死”的原子和分子就是這樣永遠做著無規則熱運動的,非要和其他物質來開聯誼會,打破你對它能永遠保持純凈的幻想。

      此外,你的“純凈的物質”本身也會“自我革命”,發生化學意義上的改變,轉換成其他陣營的東西。這些物質可能自己發生分解反應,甚至是自我聚合變成其他的東西,就成為雜質。

      正如你永遠也不要期待著變臟的桌子能自動變干凈,你也不要期待不純凈的物質能自發變得純凈起來。變得有序的代價就是要付出能量。

      ☆提純是件苦差事兒:純度要求越高,越困難

      除雜就是剔除物質中你不需要的部分,這一過程就會使得物質的熵降低,就是讓其變得更“有序”一點兒。

      這就需要付出“代價”,需要向這個系統提供能量。所有的除雜即提純過程是需要消耗能量的!更搞人心態的是,如果你需要的純度越高,提純的技術難度會越大,并且消耗的能量是指數級增長。

      化學家很早就總結了一套提純的法寶,過濾、萃取、蒸發濃縮、蒸餾、電解、結晶、反滲透、離子交換、色譜法......這些法寶就好像化學家的“蟹八件”,憑借著這些工具化學家們能把他們瓶子里的東西搞的干干凈凈的。

      這些物理辦法也好,化學辦法也罷,無一例外都是需要消耗能量和資源的!

      但是,這些提純的方法往往都有局限性,比如對于液體里面的雜質,可以采用精餾的方法剔除,但是這種方法往往也有限度,比如僅僅使用精餾的方法去提純酒精(乙醇和水的混合物),當乙醇濃度到了95.63%的時候,乙醇和水形成共沸物,就不能進一步提純了,如果要達到99%的純度必須采用其他的辦法。

      同時,精餾的辦法也只針對液-液分離(分離液體中的液體雜質)才有效果,如果你想用精餾的辦法去分離沙土里面的鉆石,那就是在癡人說夢。吃螃蟹不同位置要用不同的工具,有時候還有各種工具搭配起來。同樣,分離不同的狀態的混合物要用不同的提純辦法,而且有時候還要采用多種提純方法,才能達到你想要的純度。

      這樣看來,除雜真的就是技術難度很大的一件事情,不過也正常,要想吃到螃蟹,這些必要的努力是需要付出的。

      化學家們鼓搗瓶瓶罐罐里的物質還算比較容易,然而化工工程師面對眼前的鋼鐵巨獸里的產品,著實讓人頭痛??梢哉f,化工工程師的難題核心不是說怎么把產品給造出來(這一步化學家早就在實驗室里面打通了),而是怎么把這些產品從反應物、副產物、溶劑里面分離和提純出來。

      除雜這一化學操作,在化工里面則把它上升到“分離工程”的地位。


      這個是化工設計中著名的“洋蔥模型”,分離工程是化工設計的第二核心層內容,它作為石油化工、有機化工、生物化工、精細化工、制藥等行業生產過程中最重要的單元操作之一。

      通常分離裝置在化工廠基建投資中占50%~90%的比例,能耗占到整個流程的30%~50%,可以說化工廠很大部分投資以及日常消耗都在分離這塊,對于新型分離的開發和應用在全球范圍內也越來越受到重視。

      化工廠往往都有一個純度目標,提純到一定純度就不會繼續提純了,因為再追求純度,就要付出更大的消耗。從95%提純到99%,比從50%提純到90%要困難的多,因為當雜質含量越低的時候,所采用的分離方法往往就會越精細,消耗就會越大,所以越到后面越困難。


      我畫了一個示意圖,目標純度越高,則提純的困難程度越大

      打個比方:提純就好比從集體中找到叛徒;

      提純到99%,相當100個成員有1個叛徒;

      提純到99.9%,相當于1000個成員有1個叛徒;

      提純到99.99%,相當于10000個成員有1個叛徒 ;

      提純到99.999%,相當于100000個成員有1個叛徒 ;

      ... ...

      當你所需要的純度要求越高,那么這個集體的范圍就越大,再進一步提純,就要在更大范圍內去尋找那個叛徒。

      更可氣的是,在提純的過程中,可能還會有其他的叛徒渾水摸魚進來;(提純過程引入的雜質)

      原來集體里面的成員還可能叛變(純物質自身的變化)。

      如果提純到100%,那么困難程度要達到無窮大,可能只有神來之手才能做到。

      ☆化學純度分級,治療你的“完美主義”

      不要過度地去追求純度!

      在化學實驗科學里面,對雜質的含量有著很嚴格的分類,試劑規格基本上按純度(雜質含量的多少)劃分,共有高純、光譜純、基準、分光純、優級純、分析純和化學純等7種,最為大家所知的就是“四大純”。即優級純、分析純、化學純和實驗試劑。

      (1)優級純(GR:Guaranteed reagent),又稱一級品或保證試劑,99.8%,這種試劑純度最高,雜質含量最低,適合于重要精密的分析工作和科學研究工作,使用綠色瓶簽。

      (2)分析純(AR),又稱二級試劑,純度很高,99.7%,略次于優級純,適合于重要分析及一般研究工作,使用紅色瓶簽。

      (3)化學純(CP),又稱三級試劑,≥ 99.5%,純度與分析純相差較大,適用于工礦、學校一般分析工作。使用藍色(深藍色)標簽。

      (4)實驗試劑(LR:Laboratory reagent),又稱四級試劑。

      為了滿足一些比較特殊的要求,廠商還會做更純的試劑。比如做色譜采用的試劑就要用到光譜純。純度遠高于優級純的試劑叫做高純試劑(≥ 99.99%)。還有特純試劑(雜質含量低于1/1000000~1/1000000000級),此外還有一些比較小眾的極純分類。

      例如:等離子體質譜純級試劑(ICP-Mass Pure Grade):絕大多數雜質元素含量低于0.1ppb,適合等離子體質譜儀(ICP Mass)日常分析工作。原子吸收光譜純級試劑(AA Pure Grade):絕大多數雜質元素含量低于10 ppb ,適合原子吸收光譜儀(AA)日常分析工作。

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