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化學中,雜質為什麽不能被除盡?

2022-11-02知識

雜質如果被除盡,材料為了熱力學上的穩定,會自發形成缺陷。一方面是熵,一方面是原子的自發移動。現實中的固體材料,絕大部份是多晶體,不是按照單一晶格排列的單晶,而是圍繞多個晶核形成的多晶。我們從結晶的角度來看待缺陷/雜質的問題。

物質的形成,為什麽總是喜歡帶一點其他物質的雜質呢?我們用一種極限的思維來看,物質中即使沒有其他物質的雜質,體系內在材料生長的時候,也傾向於自發形成結構性的雜質,並在這個所謂的「雜質」上繼續生長。雜質的存在,減少了成核所需的表面能,在動力學上是物質生長所喜歡的,所以會從能量角度出發,物質傾向於帶一些雜質,如果這個雜質是一些特定的物質,例如聚乙烯之於酒石酸,就是一個叫做輔生結晶的機理,在工業生產中,有專門的產品叫做成核劑(它本質是一種雜質),用於誘導特定的晶形。

沒有「雜質(缺陷)」,晶體難以生長,物質難以形成。

就好比一個電路,我們把燈泡兩側連線一個電線,電子確實可以從燈泡中流過,但它更傾向於從短路的電線走過。同樣的,晶體在生長的時候,理論上可以從無缺陷的位置生長,但實際上只會在有缺陷的位置形成。

右圖為左圖的生長後續。晶體的生長位置是一定的,先結晶的位置,後續會更大。

我們以高分子薄膜的球晶生長為例,晶體的出現在特定的位置,即使我們將它們熔融,仍然可能在同樣的位置首先結晶。這種所謂的成核位置,可能是一個雜質,也可能是結晶物質本身,但具有一定的鏈段取向,就好比,我們拉拉鏈的時候,會先把拉鏈排排好,就跟容易把拉鏈拉上去。即使是純凈物本身,也可能從構象的角度形成一個「雜質」。

分子好像沒結晶,又看起來很像結晶的樣子,我們說它是metaphase,有利於結晶

所以,不是說物質裏的雜質不能去除,而是因為有雜質,才形成了這個物質。那麽,如果我們用重結晶方法提純物質的時候,雖然可能去除大部份的雜質,但少部份的雜質維持著重結晶的進行,不能用這種方式去除。更為直白的,我們可以透過在高分子薄膜上剮蹭,故意制造缺陷的方式來促進結晶。

在薄膜橫著上劃一道,誘導結晶,類似於過冷水震一下。

使用超高溫,消除分子的所有構象,能否消除缺陷

也不能,高溫的時候,這種所謂的缺陷還多一些,而且常見物體也不能一直保持高溫。

有溫度,原子就不會乖乖不動,而是會透過振動,嘗試跳躍到臨近的位置。原子本身有一個熱震動頻率,加熱會增加這個頻率

\nu = \nu_0 e^{-\epsilon /kT}

原子的運動,可能導致空出一些位置,熱力學平衡狀態下,這種缺陷的數量是溫度的狀態函式。

高溫時,N個原子中的缺陷數量為n(適當數量缺陷的出現,使得混合熵增加):

n= Ne^{- \omega //kT}

溫度越高,缺陷越多,那麽只要這個物質降溫,熱力學所要求的缺陷數量減少。材料因為淬冷,可能會將這些缺陷在內部保留下來,而形成一種高能狀態,為了降低能量,物質就會自己想辦法了。為了填補這些電洞,消除應力,材料可能發生一些畸變,就像是錯位一樣,我們一般稱之為位錯(dislocation)

晶體沿著突出的那個暴露的表面生長,一圈一圈的長上去(screw dislocation),類似於旋轉的金字塔。 [1] 而如果沒有這種位錯(或者認為這是個雜質吧),晶體的生長會變得非常慢,甚至會因為晶核漲落自發消失。

這個回答,一方面是,用重結晶的方法,為什麽不能除去某些雜質。另一方面,從熱力學角度解釋,少量缺陷的存在在熱力學上是有好處的。

參考

  1. ^https://www.science.org/doi/10.1126/science.abc4284