شوائب كيميائية

في الكيمياء وعلوم المواد ، تُعرَّف الشوائب بأنها مواد كيميائية موجودة داخل كمية محددة من سائل أو غاز أو مادة صلبة . وهي تختلف عن التركيب الكيميائي للمادة أو المركب. ^{[ 1 ]} أولًا، يجب أن يظهر المركب الكيميائي النقي في طور كيميائي واحد على الأقل ، ويمكن أيضًا وصفه من خلال مخطط الطور الخاص به . ثانيًا، يجب أن يكون المركب الكيميائي النقي متجانسًا (أي مادة موحدة لها نفس التركيب في جميع أنحاء المادة ^{[ 2 ]} ). المركب الكيميائي النقي تمامًا يجتاز جميع محاولات فصله وتنقيته. ثالثًا، وهنا نركز على التعريف الكيميائي الشائع، يجب ألا يحتوي على أي أثر لأي نوع آخر من المركبات الكيميائية. في الواقع، لا توجد مركبات كيميائية نقية بنسبة 100%، إذ توجد دائمًا كمية ضئيلة من الشوائب .

تُحدد مستويات الشوائب في المواد عمومًا بشكل نسبي. وقد وضعت منظمات مختلفة معايير لتحديد المستويات المسموح بها لمختلف الشوائب في المنتجات المصنعة. وبدقة، لا يمكن وصف مستوى نقاء مادة ما إلا بأنه أعلى أو أقل نقاءً من مادة أخرى.

الشوائب إما أن تكون موجودة بشكل طبيعي أو تُضاف أثناء تصنيع المواد الكيميائية أو المنتجات التجارية. خلال عملية الإنتاج، قد تُضاف الشوائب إلى المادة عمدًا أو عن طريق الخطأ. قد تتطلب إزالة الشوائب غير المرغوب فيها استخدام تقنيات الفصل أو التنقية، مثل التقطير أو التكرير النطاقي. في حالات أخرى، قد تُضاف الشوائب لإكساب المادة خصائص معينة، مثل اللون في الأحجار الكريمة أو الموصلية في أشباه الموصلات. قد تؤثر الشوائب أيضًا على التبلور، إذ يمكن أن تعمل كمواقع تنوية لبدء نمو البلورات. كما يمكن أن تلعب الشوائب دورًا في تنوي تحولات طورية أخرى على شكل عيوب.   

تُصبح الشوائب غير مرغوب فيها عندما تُعيق خصائص المادة. ومن الأمثلة على ذلك الرماد والحطام في المعادن ، وقطع الأوراق في الأوراق البيضاء. وعادةً ما تتم إزالة الشوائب كيميائيًا. فعلى سبيل المثال، في صناعة الحديد ، يُضاف كربونات الكالسيوم إلى أفران الصهر لإزالة ثاني أكسيد السيليكون من خام الحديد . وتُعدّ عملية التكرير النطاقي ، وهي طريقة تنقية أخرى، طريقةً مهمةً اقتصاديًا لتنقية أشباه الموصلات.

مع ذلك، يمكن إزالة بعض أنواع الشوائب بالوسائل الفيزيائية. يمكن فصل خليط الماء والملح بالتقطير ، حيث يكون الماء هو الناتج المقطر والملح هو المتبقي الصلب . يتم ذلك بتسخين الماء حتى يغلي ويترك الملح. ثم يُبرد الماء ويعود الغاز إلى حالته السائلة النقية. ^{[ 3 ]} عادةً ما تُزال الشوائب فيزيائيًا من السوائل والغازات. ومن الأمثلة على ذلك إزالة جزيئات الرمل من خام المعادن.

بغض النظر عن الطريقة المستخدمة، فإنه من المستحيل عادةً فصل الشوائب تمامًا عن المادة. ويعود سبب استحالة إزالة الشوائب كليًا إلى طبيعة الديناميكا الحرارية، وهو ما يتنبأ به القانون الثاني للديناميكا الحرارية. فإزالة الشوائب كليًا تعني خفض تركيزها إلى الصفر، وهو ما يتطلب كمية هائلة من الشغل والطاقة، كما يتنبأ به القانون الثاني للديناميكا الحرارية . أما ما يمكن للفنيين فعله فهو زيادة نقاء المادة إلى أقرب ما يمكن أو ما هو ممكن اقتصاديًا. ^{[ 4 ]}

تُعدّ الشوائب في المستحضرات الصيدلانية والعلاجية مصدر قلق خاص، وقد شهد العقدان الماضيان عدداً لا بأس به من الفضائح، بدءاً من المكونات غير الآمنة وأشكال الجرعات غير الصحيحة وصولاً إلى الأدوية المدعمة عمداً والتلوثات العرضية. ^{[ 4 ]}

قد نرغب أحيانًا في إضافة شوائب إلى مادة ما لتغيير خصائصها. قد تكون هذه الشوائب موجودة بشكل طبيعي في المادة دون تغيير، أو قد تُضاف عمدًا أثناء عملية التصنيع. يمكن أن تظهر هذه الأنواع من الشوائب في حياتنا اليومية، مثل اختلاف ألوان الأحجار الكريمة، أو من خلال التطعيم لضبط موصلية أشباه الموصلات . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

_{يُعدّ وجود} الشوائب في الأحجار الكريمة مثالاً على الحالات التي يُفضّل فيها وجودها. إذ تحتوي هذه الأحجار على شوائب طفيفة تعمل كصبغات تُكسبها لونها. ومن الأمثلة على ذلك حجر البريل، الذي صيغته الكيميائية الأساسية Be₃Al₂ ₍ SiO₃ ) ₆ _. يكون البريل النقي عديم اللون، ولكن هذا نادر الحدوث، إذ يُغيّر وجود العناصر النزرة لونه. أما اللون الأخضر في _الزمرد فينتج عن شوائب مثل الكروم والفاناديوم والحديد. وتُعطي شوائب المنغنيز حجر المورغانيت الوردي، بينما يُعطي الحديد حجر الأكوامارين الأزرق . ^{[ 5 ]}

التطعيم عملية يتم فيها إضافة شوائب عمدًا إلى أشباه الموصلات لزيادة التوصيل الكهربائي وتحسين وظائفها. تحتوي الشوائب ، وهي العناصر المضافة إلى البنية البلورية الأصلية، على عدد مختلف من الإلكترونات عن الصيغة الأساسية. تحتوي أشباه الموصلات المُطعّمة من النوع p على كمية صغيرة من العناصر ذات عدد إلكترونات تكافؤ أقل من العناصر الأخرى في البلورة. أما التطعيم من النوع n فهو عكس ذلك، حيث تحتوي الشوائب على عدد أكبر من إلكترونات التكافؤ. ^{[ 6 ]}

عند تبريد سائل غير نقي إلى درجة انصهاره ، يخضع السائل لتحول طوري ، فيتبلور حول الشوائب ويتحول إلى مادة صلبة بلورية. أما إذا لم تكن هناك شوائب، فيُقال إن السائل نقي ويمكن تبريده إلى ما دون درجة انصهاره دون أن يتحول إلى مادة صلبة. يحدث هذا لأن السائل لا يجد ما يتكثف حوله، فلا يمكن للمادة الصلبة أن تُشكّل مادة صلبة بلورية طبيعية. تتشكل المادة الصلبة في النهاية عند حدوث توقف ديناميكي أو تحول زجاجي ، ولكنها تتشكل إلى مادة صلبة غير متبلورة - زجاج - لعدم وجود ترتيب طويل المدى في بنيتها. ^{[ 7 ]}

تلعب الشوائب دورًا هامًا في بدء التحولات الطورية الأخرى. فعلى سبيل المثال، قد يؤثر وجود العناصر الغريبة تأثيرًا كبيرًا على الخواص الميكانيكية والمغناطيسية لسبائك المعادن. تتسبب ذرات الحديد في النحاس في ظاهرة كوندو الشهيرة ، حيث تشكل لفات إلكترونات التوصيل حالة ارتباط مغناطيسي مع ذرة الشوائب. ويمكن للشوائب المغناطيسية في الموصلات الفائقة أن تعمل كمواقع لتوليد عيوب الدوامات . كما يمكن للعيوب النقطية أن تُنشئ نطاقات معكوسة في المواد المغناطيسية الحديدية ، مما يؤثر بشكل كبير على إكراهها المغناطيسي . وبشكل عام، تُعد الشوائب نقاط بدء للتحولات الطورية، لأن التكلفة الطاقية لإنشاء نطاق محدود الحجم من طور جديد تكون أقل عند وجود عيب نقطي. ولكي تكون نواة الطور الجديد مستقرة، يجب أن تصل إلى حجم حرج، وغالبًا ما يكون هذا الحجم الحرج أصغر عند موقع الشوائب.

• الخبث
• صفاء
• تلوث
• الخبث
• موجة الدوران

• تشنغ، إي. وآخرون، الكيمياء  - نظرة حديثة ، أريستو ويلسون، هونغ كونغ، 2004