impureza química

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, un químico puro debe aparecer en al menos una fase química y también puede caracterizarse por su diagrama de fases . En segundo lugar, un químico puro debe demostrar ser homogéneo (es decir, una sustancia uniforme que tiene la misma composición en todo el material ^{[ 2 ]} ). El químico perfectamente puro pasará 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, ya que siempre hay una pequeña cantidad de contaminación .

Los niveles de impurezas en un material generalmente se definen en términos relativos. Diversas organizaciones han establecido normas que intentan definir los niveles permitidos de distintas impurezas en un producto manufacturado. En rigor, el nivel de pureza de un material solo puede expresarse como mayor o menor que el de otro material.

Las impurezas pueden ser de origen natural o añadirse durante la síntesis de un producto químico o comercial. Durante la producción, pueden añadirse a la sustancia de forma intencionada o accidental. La eliminación de impurezas no deseadas puede requerir técnicas de separación o purificación, como la destilación o el refinado zonal. En otros casos, las impurezas pueden añadirse para conferir a un material ciertas propiedades, como el color en las piedras preciosas o la conductividad en los semiconductores. Las impurezas también pueden afectar a la cristalización, ya que actúan como núcleos de cristalización que inician el crecimiento cristalino. Asimismo, pueden influir en la nucleación de otras transiciones de fase en forma de defectos.   

Las impurezas pueden volverse indeseables cuando impiden el correcto funcionamiento del material. Algunos ejemplos son las cenizas y los residuos en los metales , y los restos de hojas en el papel blanco. La eliminación de impurezas se realiza generalmente por vía química. 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 pueden eliminarse por medios físicos. Una mezcla de agua y sal puede separarse por destilación , obteniéndose el agua como destilado y la sal como residuo sólido . Esto se logra calentando el agua hasta que hierva y separe la sal. El agua se enfría y el gas vuelve a convertirse en un líquido puro. ^{[ 3 ]} Las impurezas generalmente se eliminan físicamente de líquidos y gases. La eliminación de partículas de arena del mineral metálico es un ejemplo con sólidos.

Independientemente del método utilizado, suele ser imposible separar completamente una impureza de un material. La razón de esta imposibilidad es de naturaleza termodinámica y se predice mediante la segunda ley de la termodinámica. Eliminar completamente las impurezas implica reducir su concentración a cero, lo que requeriría una cantidad infinita de trabajo y energía, tal como predice la segunda ley de la termodinámica . Lo que los técnicos pueden hacer es aumentar la pureza de un material hasta un nivel lo más cercano posible al 100%, o hasta donde sea económicamente viable. ^{[ 4 ]}

Las impurezas en los 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 farmacéuticas incorrectas hasta medicamentos fortificados intencionadamente y contaminaciones accidentales. ^{[ 4 ]}

En ocasiones, podemos querer incluir impurezas en un material para modificar sus propiedades. Estas impurezas pueden ser naturales y permanecer inalteradas en el material, o bien añadirse intencionadamente durante la síntesis. Este tipo de impurezas se manifiestan en nuestra vida cotidiana, por ejemplo, en los distintos colores de las piedras preciosas o mediante el dopaje para ajustar la conductividad de los semiconductores . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Un ejemplo de cuándo se buscan impurezas se observa en las gemas. Estas gemas contienen pequeñas impurezas que actúan como cromóforos y les dan su color. Un ejemplo es el berilo, _una gema de la familia de las gemas , cuya fórmula química básica es Be₃Al₂ ₍ SiO₃ ) ₆ _{. El berilo puro es incoloro ,} pero esto rara vez ocurre, y la presencia de oligoelementos modifica su color. El verde de las esmeraldas se debe a impurezas como el cromo, el vanadio o el hierro. Una impureza de manganeso produce una gema rosa llamada morganita , y el hierro crea la gema azul llamada aguamarina . ^{[ 5 ]}

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

Cuando un líquido impuro se enfría hasta su punto de fusión , experimenta 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 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 se forma finalmente cuando ocurre una detención dinámica o una transición vítrea , pero en este caso se convierte en un sólido amorfo (un vidrio) , ya que no hay 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 provocan el conocido efecto Kondo, donde los espines de los electrones de conducción forman un estado ligado magnético 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 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
• Escoria
• Onda giratoria

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