En química y ciencia de 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 resultar homogénea (es decir, una sustancia uniforme que tiene la misma composición en todo el material [2] ). El químico puro perfecto superará todos los intentos de separarlo y purificarlo aún 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 existen compuestos químicos absolutamente 100% puros, pues siempre hay alguna pequeña cantidad de contaminación .
Los niveles de impurezas en un material generalmente se definen en términos relativos. Varias organizaciones han establecido estándares que intentan definir los niveles permitidos de diversas impurezas en un producto fabricado. Estrictamente hablando, el nivel de pureza de un material sólo puede indicarse si es 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, se pueden agregar impurezas a la sustancia de manera intencional 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, se podrían añadir impurezas 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 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 no deseadas cuando impiden el funcionamiento del material. Los ejemplos incluyen cenizas y escombros en metales y trozos de hojas en papeles blancos en blanco. La eliminación de impurezas suele realizarse químicamente. Por ejemplo, en la fabricación de hierro , se añade carbonato de calcio a los altos hornos para eliminar el dióxido de silicio del mineral de hierro . El refinado 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 la sal. El agua se enfría y el gas vuelve a ser 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 de sólidos.
No importa qué método se utilice, normalmente es imposible separar completamente una impureza de un material. La razón por la que es imposible eliminar completamente las impurezas es de naturaleza termodinámica y está predicha por la segunda ley de la termodinámica. Eliminar completamente las impurezas significa reducir su concentración a cero. Esto requeriría una cantidad infinita de trabajo y energía como lo predice la segunda ley de la termodinámica . Lo que los técnicos pueden hacer es aumentar la pureza de un material lo más cerca posible del 100% o económicamente viable. [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 intencionalmente fortificados y contaminaciones accidentales. [4]
En ocasiones, es posible que queramos incluir impurezas en un material para cambiar sus propiedades. Estas impurezas pueden ocurrir naturalmente y dejarse inalteradas en un material o agregarse intencionalmente durante la síntesis. Este tipo de impurezas pueden aparecer en nuestra vida cotidiana, como diferentes colores en las piedras preciosas o mediante dopaje para ajustar la conductividad de los semiconductores. [5] [6]
Un ejemplo de cuando se buscan impurezas se muestra en las gemas. Estas gemas tienen ligeras impurezas que actúan como cromóforos y dan color a la piedra. Un ejemplo es la familia de gemas berilo que tiene la fórmula química base de Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 . El berilo puro parecerá incoloro, pero esto rara vez ocurre y la presencia de oligoelementos cambia su color. El verde de las esmeraldas se debe a impurezas como el cromo, el vanadio o el hierro. Una impureza de manganeso dará como resultado una gema rosa llamada morganita y el hierro crea la gema azul aguamarina . [5]
El dopaje es un proceso en el que se añaden intencionalmente impurezas a los semiconductores para aumentar la conductividad eléctrica y mejorar la función de los semiconductores . Los dopantes , los elementos añadidos a la estructura cristalina original, contienen un número de electrones diferente al de la fórmula base. Los semiconductores dopados con p contienen una pequeña cantidad de elementos que tienen menos electrones de valencia que los otros elementos del cristal. El dopaje con N es lo contrario y el dopante contiene más electrones de valencia. [6]
Cuando un líquido impuro se enfría hasta su punto de fusión, el líquido, que sufre 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 puede sobreenfriarse por debajo de su punto de fusión sin convertirse en sólido. Esto ocurre porque el líquido no tiene nada alrededor donde condensarse, por lo que el sólido no puede formar un sólido cristalino natural. El sólido finalmente se forma cuando se produce una detención dinámica o una 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 juegan un papel importante en la nucleación de otras transiciones de fase. Por ejemplo, la presencia de elementos extraños puede tener efectos importantes sobre las propiedades mecánicas y magnéticas de las aleaciones metálicas. Los átomos de hierro en el cobre causan el famoso efecto Kondo, donde los espines de los electrones de conducción forman un estado magnético unido 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 dramáticamente 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 punto defectuoso. Para que el núcleo de una nueva fase sea estable, debe alcanzar un tamaño crítico. Este tamaño de umbral suele ser menor en un sitio de impurezas.