Impureza química

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En química y ciencia de los materiales , las impurezas son sustancias químicas dentro de una cantidad confinada de líquido , gas o sólido . Se diferencian de la composición química del material o compuesto. ^[1] En primer lugar, una sustancia química pura debe aparecer en al menos una fase química y también puede caracterizarse por su diagrama de fases . En segundo lugar, una sustancia química pura debe demostrar ser homogénea (es decir, una sustancia uniforme que tiene la misma composición en todo el material ^[2] ). La sustancia química pura perfecta pasará todos los intentos de separarla y purificarla más. En tercer lugar, y aquí nos centramos en la definición química común, no debe contener ningún rastro de ningún otro tipo de especie química. En realidad, no hay compuestos químicos absolutamente 100% puros, ya que siempre hay alguna pequeña cantidad de contaminación .

Los niveles de impurezas de un material se definen generalmente en términos relativos. Diversas organizaciones han establecido normas que intentan definir los niveles permitidos de diversas impurezas en un producto fabricado. En sentido estricto, el nivel de pureza de un material solo puede indicarse como más o menos puro que el de otro material.

Las impurezas se producen de forma natural o se añaden durante la síntesis de un producto químico o comercial. Durante la producción, las impurezas pueden añadirse a la sustancia de forma intencionada o accidental. La eliminación de impurezas no deseadas puede requerir el uso de técnicas de separación o purificación, como la destilación o el refinado por zonas. En otros casos, las impurezas pueden añadirse para adquirir determinadas propiedades de un material, como el color de las piedras preciosas o la conductividad de los semiconductores. Las impurezas también pueden afectar a la cristalización, ya que pueden actuar como sitios de nucleación que inician el crecimiento de los cristales. Las impurezas también pueden desempeñar un papel en la nucleación de otras transiciones de fase en forma de defectos.   

Las impurezas pueden volverse indeseables cuando impiden la naturaleza funcional del material. Algunos ejemplos incluyen cenizas y desechos en metales y trozos de hojas en papeles blancos en blanco. La eliminación de impurezas generalmente se realiza químicamente. Por ejemplo, en la fabricación de hierro , se agrega carbonato de calcio a los altos hornos para eliminar el dióxido de silicio del mineral de hierro . La refinación por zonas , otro método de purificación, es un método económicamente importante para la purificación de semiconductores.

Sin embargo, algunos tipos de impurezas se pueden eliminar por medios físicos. Una mezcla de agua y sal se puede separar por destilación , con agua como destilado y sal como residuo sólido . Esto se hace calentando el agua para que hierva y deje atrás la sal. El agua se enfría y el gas se vuelve a convertir en un líquido puro. ^[3] Las impurezas generalmente se eliminan físicamente de los líquidos y gases. La eliminación de partículas de arena del mineral metálico es un ejemplo con los sólidos.

Independientemente del método que se utilice, suele ser imposible separar por completo una impureza de un material. La razón por la que es imposible eliminar las impurezas por completo es de naturaleza termodinámica y está prevista por la segunda ley de la termodinámica. Eliminar las impurezas por completo significa reducir su concentración a cero. Esto requeriría una cantidad infinita de trabajo y energía, como predice la segunda ley de la termodinámica . Lo que los técnicos pueden hacer es aumentar la pureza de un material hasta el 100 % tanto como sea posible o económicamente factible. ^[4]

Las impurezas en los productos farmacéuticos y terapéuticos son motivo de especial preocupación y en las últimas dos décadas hemos sido testigos de un buen número de escándalos, desde ingredientes inseguros y formas de dosificación incorrectas hasta medicamentos fortificados intencionalmente y contaminaciones accidentales. ^[4]

Ocasionalmente, podemos querer incluir impurezas en un material para cambiar sus propiedades. Estas impurezas pueden estar presentes de manera natural y no modificarse en un material o pueden agregarse intencionalmente durante la síntesis. Este tipo de impurezas pueden aparecer en nuestra vida cotidiana, como los diferentes colores en las piedras preciosas o mediante el dopaje para ajustar la conductividad de los semiconductores. ^{[5] [6]}

Un ejemplo de cuándo se desean impurezas se muestra en las gemas. Estas gemas tienen ligeras impurezas que actúan como cromóforos y dan a la piedra su color. Un ejemplo es la familia de gemas beryl que _tiene la fórmula química base de Be3Al2 ₍ SiO3 ₎ 6 _. El berilo puro parecerá incoloro, pero esto rara vez ocurre y la presencia de oligoelementos cambia su color. El verde de las esmeraldas proviene de impurezas como el cromo, el vanadio o el hierro. Una impureza de manganeso dará una gema rosa llamada morganita y el hierro crea la gema azul aguamarina . ^[5]

El dopaje es un proceso en el que se añaden impurezas a los semiconductores para aumentar la conductividad eléctrica y mejorar su funcionamiento . Los dopantes , los elementos añadidos a la estructura cristalina original, contienen una cantidad de electrones diferente a la fórmula base. Los semiconductores dopados con p contienen una pequeña cantidad de elementos que tienen menos electrones de valencia que los demás elementos del cristal. El dopaje con N es lo opuesto y el dopante contiene más electrones de valencia. ^[6]

Cuando un líquido impuro se enfría hasta su punto de fusión, el líquido, al experimentar una transición de fase , cristaliza alrededor de las impurezas y se convierte en un sólido cristalino. Si no hay impurezas, se dice que el líquido es puro y se puede sobreenfriar por debajo de su punto de fusión sin convertirse en un sólido. Esto ocurre porque el líquido no tiene nada alrededor de lo cual condensarse, por lo que el sólido no puede formar un sólido cristalino natural. El sólido finalmente se forma cuando ocurre el arresto dinámico o la transición vítrea , pero se convierte en un sólido amorfo , un vidrio , ya que no hay un orden de largo alcance en la estructura. ^[7]

Las impurezas desempeñan un papel importante en la nucleación de otras transiciones de fase. Por ejemplo, la presencia de elementos extraños puede tener efectos importantes en las propiedades mecánicas y magnéticas de las aleaciones metálicas. Los átomos de hierro en el cobre causan el famoso efecto Kondo , en el que los espines de los electrones de conducción forman un estado de unión magnética con el átomo de impureza. Las impurezas magnéticas en los superconductores pueden servir como sitios de generación de defectos de vórtice . Los defectos puntuales pueden nuclear dominios invertidos en ferroimanes y afectar drásticamente su coercitividad . En general, las impurezas pueden servir como puntos de iniciación para las transiciones de fase porque el costo energético de crear un dominio de tamaño finito de una nueva fase es menor en un defecto puntual. Para que el núcleo de una nueva fase sea estable, debe alcanzar un tamaño crítico. Este tamaño umbral suele ser menor en un sitio de impureza.

• Escoria
• Finura
• Contaminación
• Semiconductor
• Escoria
• Onda de giro

• Cheng, E. et al., Química: una visión moderna , Aristo-Wilson, Hong Kong, 2004