Особливо чисті речовини
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Ще 100 років тому вчені не думали про чистоту хімічних речовин. А спробуйте сьогодні виготовити напівпровідник, люмінофор, фотокатод, квантовий генератор або паливний елемент за допомогою матеріалів, які століття тому вважалися чистими – вони не будуть працювати. «Вибагливість» сучасної техніки дійшла до того, що хімічних сполук іноді дозволяється мати домішок не більше 1 атома на 100 мільярдів атомів основної речовини.
У системі управління міжпланетних кораблів використаний напівпровідниковий кремній. Він виготовляється з трихлоренлана або з чотирьох хлористого кремнію. У вихідній сировині 30-40 різних домішок. Серед них не лише загальновідомі елементи – залізо, алюміній, мідь, фосфор, миш’як, золото, але й рідкісні: галій, індій, селен, цезій, рубідій і деякі інші. Система управління тільки в тому випадку стане дійсно надійною, якщо кожної із цих домішок в напівпровіднику буде менше однієї десятимільярдної частки відсотка.
Оптичні квантові генератори – лазери нерідко порівнюють з гіперболоїдом інженера Гаріна. Сфокусований промінь лазера може бути видно неозброєним оком на астрономічну відстань – 9 000 000 000 000 кілометрів. (Для довідки: відстань між Землею і Місяцем – «всього» 384 400 кілометрів.) Але щоб його побачити на такій відстані, потрібні як мінімум найвищої чистоти трьоокись алюмінію, двоокис титану, фторид і вольфрамат кальцію.
Отже, чистота речовин – альфа і омега сучасної техніки. Недарма бурхливий розвиток радіоелектроніки викликав до життя нове поняття – «особливо чисті речовини». Що ж називають «особливо чистими речовинами»?
У першому наближенні до них відносять такі речовини, в яких спектральний аналіз вже не може «помітити» контрольні домішки. Іншими словами, це речовини з вмістом домішок менше однієї десятитисячної частки відсотка.
Отримання особливо чистих речовин, природно, вимагає особливо чистих робочих приміщень. Там допускається поява тільки однієї пилинки на десяти квадратних сантиметрах робочої поверхні за 6 годин роботи. Причому розмір порошинки теж обмежений – не більше п’яти тисячних міліметра, Між тим у кожному літрі звичайного повітря знаходиться 2 – 3 міліграми пилу, в якому міститься 10% кальцію, 5,0% кремнію, 3,0% заліза, 1,5% алюмінію, 1,5% натрію і ще цілий ряд неорганічних і органічних домішок.
Для напівпровідників небезпечна будь-яка домішка, але такі речовини, як фосфор, бор, сірка, миш’як, – просто отрути. Ці отрути постійно присутні в повітрі у вигляді летючих сполук. Наприклад, при спалюванні будь-яких видів палива (вугілля, газу, нафти) завжди утворюється двоокис сірки; її вміст у повітрі великих міст коливається від однієї сотої до однієї стотисячної частки відсотка. Тому доводиться ретельно дбати про чистоту повітря. Його фільтрують, очищають від розчинених у ньому домішок; його «наганяють» в приміщення з надлишком, щоб, підтримуючи підвищений тиск, застрахуватися від підтягування «чужого» повітря.
Не менші вимоги висувають і до апаратури, в якій проводять очищення речовини. Вона повинна бути виготовлена з термічно і хімічно стійких матеріалів, у яких, по-перше, відсутні видалені з даної речовини елементи, а по-друге, немає поверхневих включень, різних сторонніх тіл.
Зазвичай в хімічних лабораторіях скляний і кварцовий посуд миють хромовою сумішшю. Але виявилося, що в даному випадку миття, очищаючи посуд від одного бруду, забруднює його іншим. І навіть якщо після цього посуд ретельно промити дистильованою водою, він все одно буде «брудним»; на ньому залишаються домішки хрому, і він може потрапити в особливо чисті речовини. Тому зараз все більшого значення набувають процеси, в яких глибоке очищення речовини відбувається як би в повітрі, без зіткнення з поверхнею апарату. Наприклад, зонну плавку можна вести без контейнера, підвішуючи розплавлену золу в магнітному полі.
Особлива чистота диктує свої закони зовнішнім виглядом не тільки приміщень і апаратів, а й самих хіміків. Їх халати й шапочки зроблені з лавсану: це волокно менше всіх інших «ворситься». І поліетиленові тапочки надійно оберігають повітря приміщень від пилу «далеких мандрів».
Мало отримати високо чисту речовину, треба ще довести її особливу чистоту. Звичайні хімічні та спектральні методи аналізу в цьому випадку неприйнятні: вони вже «не відчувають» зникаюче малі кількості домішок. Доводиться застосовувати спеціальні методи. Таким чином, проблема одержання особливо чистих речовин – проблема комплексна. У гонитві за тисячними і мільйонними частками відсотка беруть участь не тільки хіміки, а й фізики, технологи. Тільки їх об’єднані зусилля можуть дати право речовинам називатися особливо чистими.
Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка
При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв'язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту pavelchaika1983@gmail.com або у Фейсбук.