因為熵增原理。
熱力學第二定律(熵增原理)告訴我們:對於一個孤立的系統,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於化學意義之上,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,在沒有人為幹預的情況下,它也能自發地朝著高熵狀態發展,變得不純凈。
假設你透過神來之手(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幹凈,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份,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,並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裏的東西搞的幹幹凈凈的。
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,比如對於液體裏面的雜質,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裏面的鉆石,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裏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裏的產品,著實讓人頭痛。可以說,化工工程師的難題核心不是說怎麽把產品給造出來(這一步化學家早就在實驗室裏面打通了),而是怎麽把這些產品從反應物、副產物、溶劑裏面分離和提純出來。
除雜這一化學操作,在化工裏面則把它上升到「分離工程」 [1] 的地位。
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% [2] ,可以說化工廠很大部份投資以及日常消耗都在分離這塊,對於新型分離的開發和套用在全球範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,所以越到後面越困難。
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%,相當於1000個成員有1個叛徒;
提純到99.99%,相當於10000個成員有1個叛徒 ;
提純到99.999%,相當於100000個成員有1個叛徒 ;
... ...
當你所需要的純度要求越高,那麽這個集體的範圍就越大,再進一步提純,就要在更大範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)
原來集體裏面的成員還可能叛變(純物質自身的變化)。
如果提純到100%,那麽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!
在化學實驗科學裏面,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 [3] 。
(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,適合於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%,略次於優級純,適合於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,適用於工礦、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 。 純度遠高於優級純的試劑叫做 高純試劑 [4] (≥ 99.99%)。還有 特純試劑 (雜質含量低於1/1000000~1/1000000000級),此外還有一些比較小眾的極純分類。
例如: 電漿質譜純級試劑 (ICP-Mass Pure Grade):絕大多數雜質元素含量低於0.1ppb,適合電漿質譜儀(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於10 ppb ,適合原子吸收光譜儀(AA)日常分析工作。
參考
- ^ 分離工程是研究化工及其它相關過程中物質的分離和純化方法的一門技術科學,是化學工程學科的重要組成部份。
- ^ 方利國. 化工過程系統分析與合成[M]. 化學工業出版社, 2013:262
- ^ 化學試劑純度 http://muchong.com/html/200905/1341825.html
- ^ 高純試劑是在通用試劑基礎上發展起來的,它是為了專門的使用目的而用特殊方法生產的純度最高的試劑。它的雜質含量要比優級試劑低2個、3個、4個或更多個數量級。