化学中杂质为什么不能被除尽？ 第1页

因为熵增原理。

热力学第二定律(熵增原理)告诉我们：对于一个孤立的系统，系统总是朝着最大混乱度的方向(高熵的状态)发展。

☆完全纯净的物质是难以维持的

纯净物质的概念只能存在于化学意义之上，在宏观世界是找不到完全纯净的物质。完全纯净的物质的熵必然是极低的，在没有人为干预的情况下，它也能自发地朝着高熵状态发展，变得不纯净。

假设你通过神来之手(某种途径)，得到了一瓶完全纯净的物质，你如获至宝，小心翼翼地密封好，期待全世界的媒体人、科学家纷至沓来，磨平你家门槛来参观和研究。

但是不幸的是，你的容器本身也是一种物质，容器内的物质和容器的内壁直接两相接触，是会发物质交换的，容器材质的分子或者原子会进入到纯净物质之中，它就有杂质了，它就不纯了。

这“该死”的原子和分子就是这样永远做着无规则热运动的，非要和其他物质来开联谊会，打破你对它能永远保持纯净的幻想。

此外，你的“纯净的物质”本身也会“自我革命”，发生化学意义上的改变，转换成其他阵营的东西。这些物质可能自己发生分解反应，甚至是自我聚合变成其他的东西，就成为杂质。

正如你永远也不要期待着变脏的桌子能自动变干净，你也不要期待不纯净的物质能自发变得纯净起来。变得有序的代价就是要付出能量。

☆提纯是件苦差事儿：纯度要求越高，越困难

除杂就是剔除物质中你不需要的部分，这一过程就会使得物质的熵降低，就是让其变得更“有序”一点儿。

这就需要付出“代价”，需要向这个系统提供能量。所有的除杂即提纯过程是需要消耗能量的！更搞人心态的是，如果你需要的纯度越高，提纯的技术难度会越大，并且消耗的能量是指数级增长。

化学家很早就总结了一套提纯的法宝，过滤、萃取、蒸发浓缩、蒸馏、电解、结晶、反渗透、离子交换、色谱法......这些法宝就好像化学家的“蟹八件”，凭借着这些工具化学家们能把他们瓶子里的东西搞的干干净净的。

这些物理办法也好，化学办法也罢，无一例外都是需要消耗能量和资源的！

但是，这些提纯的方法往往都有局限性，比如对于液体里面的杂质，可以采用精馏的方法剔除，但是这种方法往往也有限度，比如仅仅使用精馏的方法去提纯酒精（乙醇和水的混合物），当乙醇浓度到了95.63%的时候，乙醇和水形成共沸物，就不能进一步提纯了，如果要达到99%的纯度必须采用其他的办法。

同时，精馏的办法也只针对液-液分离（分离液体中的液体杂质）才有效果，如果你想用精馏的办法去分离沙土里面的钻石，那就是在痴人说梦。吃螃蟹不同位置要用不同的工具，有时候还有各种工具搭配起来。同样，分离不同的状态的混合物要用不同的提纯办法，而且有时候还要采用多种提纯方法，才能达到你想要的纯度。

这样看来，除杂真的就是技术难度很大的一件事情，不过也正常，要想吃到螃蟹，这些必要的努力是需要付出的。

化学家们鼓捣瓶瓶罐罐里的物质还算比较容易，然而化工工程师面对眼前的钢铁巨兽里的产品，着实让人头痛。可以说，化工工程师的难题核心不是说怎么把产品给造出来（这一步化学家早就在实验室里面打通了），而是怎么把这些产品从反应物、副产物、溶剂里面分离和提纯出来。

除杂这一化学操作，在化工里面则把它上升到“分离工程”^[1]的地位。

通常分离装置在化工厂基建投资中占50%~90%的比例，能耗占到整个流程的30%~50%^[2]，可以说化工厂很大部分投资以及日常消耗都在分离这块，对于新型分离的开发和应用在全球范围内也越来越受到重视。

化工厂往往都有一个纯度目标，提纯到一定纯度就不会继续提纯了，因为再追求纯度，就要付出更大的消耗。从95%提纯到99%，比从50%提纯到90%要困难的多，因为当杂质含量越低的时候，所采用的分离方法往往就会越精细，消耗就会越大，所以越到后面越困难。

打个比方：

提纯就好比从集体中找到叛徒；
提纯到99%，相当100个成员有1个叛徒；
提纯到99.9%，相当于1000个成员有1个叛徒；
提纯到99.99%，相当于10000个成员有1个叛徒 ；
提纯到99.999%，相当于100000个成员有1个叛徒 ；
... ...
当你所需要的纯度要求越高，那么这个集体的范围就越大，再进一步提纯，就要在更大范围内去寻找那个叛徒。

更可气的是，在提纯的过程中，可能还会有其他的叛徒浑水摸鱼进来；（提纯过程引入的杂质）
原来集体里面的成员还可能叛变（纯物质自身的变化）。

如果提纯到100%，那么困难程度要达到无穷大，可能只有神来之手才能做到。

☆化学纯度分级，治疗你的“完美主义”

不要过度地去追求纯度！

在化学实验科学里面，对杂质的含量有着很严格的分类，试剂规格基本上按纯度（杂质含量的多少）划分，共有高纯、光谱纯、基准、分光纯、优级纯、分析纯和化学纯等7种，最为大家所知的就是“四大纯”。即优级纯、分析纯、化学纯和实验试剂^[3]。

（1）优级纯（GR：Guaranteed reagent），又称一级品或保证试剂，99.8%，这种试剂纯度最高，杂质含量最低，适合于重要精密的分析工作和科学研究工作，使用绿色瓶签。
（2）分析纯（AR），又称二级试剂，纯度很高，99.7%，略次于优级纯，适合于重要分析及一般研究工作，使用红色瓶签。
（3）化学纯（CP），又称三级试剂，≥ 99.5%，纯度与分析纯相差较大，适用于工矿、学校一般分析工作。使用蓝色（深蓝色）标签。
（4）实验试剂（LR：Laboratory reagent），又称四级试剂。

为了满足一些比较特殊的要求，厂商还会做更纯的试剂。比如做色谱采用的试剂就要用到光谱纯。 纯度远高于优级纯的试剂叫做高纯试剂^[4]（≥ 99.99%）。还有特纯试剂（杂质含量低于1/1000000～1/1000000000级），此外还有一些比较小众的极纯分类。

例如：等离子体质谱纯级试剂（ICP-Mass Pure Grade）:绝大多数杂质元素含量低于0.1ppb，适合等离子体质谱仪（ICP Mass）日常分析工作。原子吸收光谱纯级试剂(AA Pure Grade):绝大多数杂质元素含量低于10 ppb ，适合原子吸收光谱仪（AA）日常分析工作。

参考

1. ^ 分离工程是研究化工及其它相关过程中物质的分离和纯化方法的一门技术科学，是化学工程学科的重要组成部分。
2. ^ 方利国. 化工过程系统分析与合成[M]. 化学工业出版社, 2013：262
3. ^化学试剂纯度 http://muchong.com/html/200905/1341825.html
4. ^ 高纯试剂是在通用试剂基础上发展起来的，它是为了专门的使用目的而用特殊方法生产的纯度最高的试剂。它的杂质含量要比优级试剂低2个、3个、4个或更多个数量级。