Impureza

En química y ciencia de materiales, las impurezas son sustancias químicas dentro de una cantidad confinada de líquido, gas o sólido, que difieren de la composición química del material o compuesto. En primer lugar, una sustancia química pura debe presentarse termodinámicamente en al menos una fase química y también puede caracterizarse por su diagrama de fases de un componente. En segundo lugar, en términos prácticos, una sustancia química pura debería resultar homogénea (es decir, no mostrar ningún cambio de propiedades después de someterse a una amplia variedad de procedimientos químicos analíticos consecutivos). El químico puro perfecto pasará todos los intentos y pruebas de mayor separación y purificación. 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, ya que siempre hay alguna pequeña contaminación. De hecho, a medida que disminuyen los límites de detección en química analítica, el número de impurezas detectadas tiende a aumentar.

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 intencionada, accidental, inevitable o incidental.

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, entonces el nivel de pureza de un material sólo puede afirmarse como más o menos puro que el de algún otro material.

Impurezas destructivas

Las impurezas pueden ser destructivas cuando obstruyen 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 al alto horno para eliminar el dióxido de silicio del mineral de hierro. El refinado por zonas 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 mediante destilación, siendo el agua el destilado y la sal el residuo sólido. Las impurezas suelen eliminarse 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, generalmente 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.

Las impurezas en productos farmacéuticos y terapéuticos son motivo de especial preocupación y en las últimas dos décadas se han producido numerosos escándalos, desde ingredientes inseguros y formas de dosificación incorrectas hasta medicamentos intencionalmente fortificados y contaminaciones accidentales.

Impurezas y nucleación

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, entonces 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.

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 provocan el famoso efecto Kondo, en el que 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 ferromagnetos 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.