Кунсткамера

Ю.В.Корякин, И.И.Ангелов

Чистые химические вещества

Абсолютно чистое вещество и возможность его получения

В заключение рассмотрим вопрос о возможности получения абсолютно чистых веществ.

Прежде всего следует подчеркнуть, что в практическом смысле чистота вещества понятие относительное, зависящее от назначения вещества. Так, в быту называют чистой обычную воду и уж, во всяком случае, относят к этой категории дистиллированную воду, поскольку в многочисленных случаях ее использования такая вода ведет себя как химический индивидуум.

На самом деле дистиллированная вода далеко не является чистым веществом, она содержит растворенные газы, пылинки и в небольших количествах соли и кремневую кислоту, извлеченные из стекла. Такая вода не только не может служить эталоном чистоты, но даже не может быть использована во многих ответственных работах (определение электропроводности, получение полупроводниковых материалов и т. д.).

Часто дается определение чистого вещества как физически и химически однородного материала, обладающего определенным комплексом постоянных свойств и не изменяющегося при дальнейшей очистке его самыми совершенными средствами. Однако такое определение далеко не безупречно, и оценка чистоты в сильной степени зависит от уровня развития техники.

Содержание примесей в препаратах особой чистоты измеряется миллионными и миллиардными долями процента и с точки зрения практического использования такие препараты можно считать вполне чистыми. В самом деле: что значит примесь 3*10^-8 %? Это значит, что один атом примеси приходится на 30 миллиардов атомов вещества. Казалось бы, что мы близки к идеальной чистоте. Но простой расчет показывает, что, например, 1 мм³ германия такой чистоты содержит еще 16 миллиардов атомов примесей.

Любая работа с веществами столь высокой чистоты требует исключительной аккуратности и самых тщательных предосторожностей против возможного загрязнения препарата. Малейший недосмотр приводит к резкому понижению чистоты препарата. Если, например, растереть препарат в агатовой ступке, содержание Cu увеличивается с 6*10^-8 до 1*10^-7 %, т. е. в 2 раза.
Достаточно проводить анализ чистейшей НNО₃ или НСl на открытом воздухе (а не в боксе со специально очищенным воздухом), как содержание Са, Mg, Fe, Ni, Рb и других примесей возрастает на целый порядок.
Следует отметить, что труднее всего проводить очистку вещества от "обычных" загрязнений, как перечисленные выше. Это объясняется тем, что имеется очень много источников загрязнения кальцием, магнием, железом и подобными примесями.
Лабораторная посуда, вода, пыль, находящаяся в воздухе и на спецодежде, - все это создает возможность попадания ничтожных загрязнений в очищаемый препарат. Даже использование экспериментатором косметических средств (пудра, губная помада) может привести к снижению качества препарата высокой чистоты из-за загрязнения его цинком, магнием и др.

Чем меньше допустимое количество примесей в очищаемом веществе, тем сложнее удаление этих примесей и тем больше вероятность загрязнения. В этом и кроется трудность получения веществ предельной чистоты. Когда мы подходим к удалению последних "следов" загрязнений, то сталкиваемся с удивительным фактом: чем чище становится вещество, тем сильнее меняются его свойства. Известно, что полупроводниковые свойства германия проявляются только в том случае, если содержание примесей становится меньше 10^-7 %.

В меньшей мере известен тот факт, что тщательное высушивание веществ, т. е. удаление последних следов сорбированной воды, приводит к резкому изменению физико-химических констант. Когда метиловый спирт высушили оксидом фосфора(V) в течение 9 лет, то температура кипения спирта вместо 66 оказалась 120 °С.
Аналогичная сушка была проведена с таким хорошо изученным веществом, как металлическая ртуть, при этом температура кипения ртути с 358 поднялась до 425 °С.
Но достаточно было этим препаратам на мгновение соприкоснуться с влажным воздухом, как их температура кипения вернулась к обычному значению.

Следовательно, если бы удалось найти пути получения идеально чистых веществ, не содержащих никаких примесей (в том числе и влаги), то работать с ними было бы практически невозможно. Малейшее соприкосновение с воздухом сводило бы на нет идеальную чистоту. Более того, даже если такое "идеальное" вещество хранить в запаянной ампуле, то помимо неизбежных загрязнений материалами ампулы пришлось бы столкнуться еще с некоторыми опасностями.
Известно, что космические лучи, достигающие поверхности нашей планеты, приводят к некоторым ядерным процессам. Например, в чистейшем образце галлия постепенно возникала бы примесь германия. Ничтожная β-радиоактивность калия неизбежно приведет к появлению в любом соединении калия примеси кальция.

Таким образом, помимо неимоверных трудностей получения абсолютно чистых веществ, работать с ними практически невозможно, а при хранении (и даже в самом процессе очистки) в них неизбежно постепенно накапливаются примеси.
Это приводит к выводу о бесперспективности попыток получения "идеально чистых" препаратов. Однако это ни в какой степени не снимает вопроса о необходимости дальнейшего совершенствования методов получения сверхчистых веществ и достижения большей чистоты, чем возможно сегодня. Уже сейчас предъявляются требования к снижению содержания некоторых примесей до 1*10^-10 % и нет сомнения, что эти требования будут в дальнейшем еще более возрастать.

Надо помнить и об очень серьезной проблеме, стоящей сегодня перед учеными - это контроль чистоты ультрачистых материалов. Самые совершенные методы современной техники, включая активационный анализ и масс-спектрометрию, далеко не всегда могут обеспечить контроль качества веществ высшей чистоты. Это связано, в частности с тем что заметные количества примесей могут попасть в анализируемое вещество в процессе подготовки пробы для анализа, при соприкосновении с химической посудой, при контакте с воздухом и т.д.

Чтобы полнее охарактеризовать трудности, стоящие на пути получения веществ особой чистоты, следует добавить, что при некоторых физических экспериментах требуется, чтобы применяемый препарат не только не содержал бы примесей посторонних элементов, но был бы "изотопно чистым" т.е. состоял бы из одного изотопа. Требуется, например, не просто "железо особой чистоты", а "⁵⁶Fe ос.ч.". Естественно, что при изготовлении таких препаратов трудности неизмеримо возрастают, поскольку приходится опасаться и "изотопного загрязнения".

Читать дальше || Вернуться назад || Содержание книги

|| Содержимое кунсткамеры || Читальный зал