Файл: Девятых Г.Г. Глубокая очистка веществ учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 15.07.2024
Просмотров: 112
Скачиваний: 0
Г. Г. Д Е В Я Т Ы Х , Ю . Е. Е Л Л И Е В
ГЛУБОКАЯ ОЧИСТКА ВЕЩЕСТВ
Допущено Министерством выс шего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студен тов химических и химико-тех нологических специальностей вузов
МОСКВА ВЫСШАЯ ШКОЛА
1974
541 |
1 — |
|
|
Д22 |
|
УДК 541.1(075) |
|
|
Девятых Г. Г. и Еллиев Ю. Е. |
|
|
|
Г22 |
Глубокая очистка |
веществ. Учеб. пособие для |
вузов. |
|
|
М., «Высш. школа», |
1974. |
|
|
|
1G0 с. с ил. |
|
|
|
|
Д а н н о е учебное пособие япляется первеп попыткой изложить |
на |
совре |
|
|
менном уровне теорию глубокой очистки веществ. Авторы на научном |
уровне |
||
|
дают классификацию веществ особой чистоты н методов глубокой очистки. |
|||
|
Описываются химические, днетнлляцпонные, кристаллизационные и другие |
|||
|
методы очистки веществ. |
|
|
|
Авторы книги сумели преодолеть трудности, связанные с применением математического аппарата при описании ряда процессов, в частности, неста ционарного массообмена в ректификационной колонне и стационарного массообмена в кристаллизационной колонне.
Д |
0254—523 |
72—74 |
001(01)—74 |
||
|
|
541 |
Р е ц е н з е н т ы : проф. С. И. Дракин (МХТИ им. Менделеева) н кафедра неорганической химии MI-ITXT им. Ломоносова (зав. ка федрой проф. Б. Д. Степпн)
© Издательство «Высшая школа»,. 1974
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время научно-технический прогресс не возможен без веществ особой чистоты. Атомная энерге тика, полупроводниковая техника, физика сверхпровод ников — вот далеко не полный перечень потребителей веществ особой чистоты. Еще большее применение они найдут в будущем. Уже сейчас совершенно ясно, что сверхпрочные материалы для техники завтрашнего дня можно создать лишь на основе веществ высокой степени чистоты.
Проблема получения веществ особой чистоты возник ла, конечно, далеко не сразу. Химики всегда стремились получать как простые, так и сложные вещества в наибо лее чистом состоянии, справедливо полагая, что свой ства веществ зависят от степени их чистоты. Еще алхи мики, считали необходимым «очищать и разрешать» ве щества. Эта тенденция в дальнейшем приобретала все большее развитие вследствие возрастающих потребно стей науки и техники в чистых материалах. Особенно резкое возрастание требований к чистоте ряда веществ имело место в связи с развитием полупроводниковой радиоэлектроники, которая потребовала кремния, гер мания, селена и других металлов с содержанием приме сей на уровне Ю - 6 — Ю - 7 вес. %• Тогда нее получил рас пространение термин «элементы особой чистоты». Так стали называть простые вещества, содержание примесей в которых было на несколько порядков ниже, чем в тех же веществах, получаемых промышленностью до второй мировой войны. Это название обосновано, так как при таком изменении содержания примесей часто наблюда лось резкое изменение свойств вещества.
Наряду с производством простых особо чистых ве ществ появилось производство и сложных веществ осо бой чистоты. Это полупроводниковые соединения, ди электрики, реактивы и т. д. Допустимое содержание при месей в веществах особой чистоты может изменяться в
3
широких пределах. Это зависит от того, где вещество применяется, от сложности технологии получения и труд ности анализа. Так, содержание ряда примесей в полу проводниковых кремнии и германии не должно превы шать Ю - 7 — 1 0 _ 8 % . В то же время даже в наиболее чи стых образцах кремния и германия содержание приме
сей углерода и кислорода может |
достигать |
Ю - 4 — Ю - 5 , |
|
а иногда и 10_ 3 %• Это объясняется тем, |
что очистка |
||
кремния и германия от углерода, кислорода, азота |
и оп |
||
ределение последних представляет |
собой наиболее |
труд |
ную задачу, а главное •— в основном не эти примеси ли митируют полупроводниковые свойства кремния и гер мания.
Требования к чистоте веществ постепенно возраста ют как за счет того, что анализируется все большее ко личество примесей, так и за счет уменьшения предель ного содержания лимитируемых примесей. В настоящее время как простые, так и сложные вещества могут быть,
по-видимому, названы особо |
чистыми, |
если |
суммарное |
|
содержание |
примесей в них |
не превышает |
Ю-3—10-*%, |
|
а содержание лимитируемых |
примесей |
лежит на уровне |
||
— 10—6— 10-7 |
% и ниже. |
|
|
|
Получение вещества особой чистоты, как правило, состоит в очистке данного вещества от содержащихся в нем примесей. Настоящая книга является попыткой -си стематического и достаточно популярного изложения основ теории методов, находящих применение для глубо кой очистки веществ. Она представляет собой несколько расширенный конспект курса лекций, читаемых автора ми на химическом факультете Горьковского государст венного университета им. Н. И. Лобачевского.
1. Классификация веществ особой чистоты
До настоящего времени еще не существует единой международной классификации химических препаратов по степени их чистоты. Наиболее чистые вещества, при меняющиеся при химическом анализе, а также для на учных исследований, получили название реактивов. В Советском Союзе эти вещества делятся на три кате гории: «чистые», «чистые для анализа» и «химически чистые». Перечень недопустимых примесей и предельное значение их содержания лимитируются техническими условиями. Предельное значение содержания' примесей
4
в двух различных реактивах одной и той же категории, например «чистый», может быть различным и опреде ляется трудностью освобождения реактива от той или иной примеси.
С возникновением производства веществ особой чи стоты в 1959 г. в СССР Государственным научно-техни ческим комитетом была утверждена новая система клас сификации веществ по степени их чистоты. По этой клас
сификации все чистые вещества |
делятся на |
3 |
класса: |
|
А, В, С. Суммарное |
содержание |
примесей |
в |
веществе |
указывается в виде |
отрицательного десятичного лога |
рифма их атомного процента и записывается сразу же после буквы, характеризующей класс чистоты. Вещества с содержанием суммы примесей от Ю - 1 до 10~2% со ставляют класс А и обозначаются-.А1—А2. Вещества с содержанием примесей от 10~3 до 10_ 6 % составляют класс В и обозначаются ВЗ—В6. И, наконец, вещества с содержанием примесей от Ю - 7 до 10—10% составляют класс С и обозначаются С7—СЮ. Указанной системой маркировки предлагалось пользоваться в первую оче редь при характеристике степени чистоты полупроводни ковых веществ. Подобная классификация имеется и в ряде других стран. В частности, в ФРГ содержание при месей в веществах особой чистоты указывается в виде индекса чистоты R—п, где индекс R (Reinheitsgrad) обозначает степень чистоты, /?=—lgc-!-2, а с — суммар ная концентрация примесей в весовых процентах. Та ким образом, например, индекс чистоты R—4 означает, что препарат содержит 99,99 вес.% основного вещества.
Существенным недостатком приведенных вариантов классификации является отсутствие в них указания на число контролируемых примесей. Поэтому в 1965 г. в
СССР Комитетом стандартов, мер и измерительных при боров была введена новая система классификации осо бо чистых веществ. По этой системе каждому особо чи стому веществу присваивается определенная марка в зависимости от числа контролируемых в нем примесей и их суммарного содержания. Для веществ, в которых лимитируются только примеси неорганических веществ, марка обозначается буквенным индексом «осч» и сле дующими за ним двумя цифрами. Первая из этих цифр показывает количество лимитируемых примесей неорга нических веществ';'а вторая представляет собой'отрица тельный десятичный логарифм суммарного процентного
5
содержания этих примесей (цифры пишутся через тире).
Например, марка «осч 10—6» характеризует |
особо чи |
||||
стое вещество, |
в котором количественно |
определены |
|||
10 лимитируемых |
(контролируемых) |
примесей с их сум |
|||
марным |
содержанием |
1 • 10~6 —4-Ю- 6 |
вес.%. |
|
|
Для |
особо чистых |
веществ, в которых |
контролиру |
ются только примеси органических веществ, марка обоз начается буквами «оп» (органические примеси) с циф рой (через тире), которая соответствует отрицательному десятичному логарифму суммарного процентного содер жания примесей органических веществ, и индексом «осч».. Так, марка особо чистого вещества, в котором суммарное содержание примесей органических веществ
составляет 2-10~3 %, |
обозначается «оп — 3 осч». Если |
же в интересующем |
веществе контролируются примеси |
неорганических и органических веществ, то при установ лении его марки необходимо учитывать содержание и тех и других примесей. Например, марка особо чистого ве щества, в котором суммарное содержание примесей ор ганических веществ равно 4- 10_ 3 %, а суммарное содер жание 8 лимитируемых примесей неорганических ве ществ составляет 3•10- 5 %, обозначается «оп—3 осч 8—5».
2. Классификация методов глубокой очистки веществ
Природа, к сожалению, не приготовила для людей ни простых, ни сложных веществ в особо чистом состоянии. Например, она «заботливо» перемешала все атомы. Лю бое природное вещество содержит, по-видимому, все эле менты периодической системы с той лишь разницей, что одних много, других мало. Если мы имеем дело с серой самородной, то в ней, кроме атомов серы, составляющих основную массу вещества, находятся атомы селена, мышьяка, железа, углерода и других элементов. Любое простое или сложное вещество — это смесь многих ве ществ; и задача химика в данном случае состоит в выде лении из этой смеси основного вещества, в отделении от него других веществ или хотя бы тех, содержание кото рых можно обнаружить. При получении того или иного вещества в колбе примеси, сопровождающие реагирую щие вещества, частично переходят в продукты реакции. Кроме того, при этом всегда образуются побочные про дукты реакции. Получение простых и сложных веществ
6
в особо чистом состоянии заключается |
в |
глубокой |
их |
||
очистке, в освобождении |
их от примесей. |
|
Другими |
сло |
|
вами, глубокая |
очистка вещества состоит |
в разделении |
|||
смеси веществ, |
какими |
являются все |
природные |
или |
|
искусственно получаемые материалы, в |
|
выделении |
из |
смеси нужного вещества. Отличие от обычного разделе ния здесь состоит лишь в том, что при получении ве ществ особой чистоты глубина разделения должна быть значительно большей, а материал стенок аппаратуры не должен в сколько-нибудь заметной степени загрязнять очищаемое вещество.
Методы, применяемые для глубокой очистки ве ществ, разнообразны. Выбор метода определяется свой ствами очищаемого вещества и природой отделяемых примесей. В настоящее время теория глубокой очистки еще не достигла такого уровня, чтобы можно было пред сказать, какой метод будет наилучшим для очистки то го или иного элемента или вещества. В каждом случае приходится проводить специальные исследования, даю щие возможность выбрать оптимальный метод или най ти метод, позволяющий достигнуть требуемой степени чистоты.
Глубокая очистка веществ потребовала усовершен ствования ранее известных методов разделения смесей, например метода перекристаллизации, а также разра ботки новых методов, например метода реакций перено са (транспортных реакций).
Характерной особенностью распространенных в на стоящее время методов глубокой очистки является то, что все они основаны на использовании различия в хи мических или физико-химических свойствах разделяе мых веществ (т. е. в свойствах, обусловленных главным образом строением электронных оболочек атомов или молекул разделяемых веществ). Методы, в основе кото рых лежит различие в физических свойствах разделяе мых веществ, например разделение в центрифугах, элект ромагнитная сепарация, широко используются для раз
деления изотопов; |
для |
глубокой очистки |
веществ |
применения они пока не нашли. |
|
||
Все используемые в настоящее время методы глубо |
|||
кой очистки веществ |
по природе эффекта, лежащего в |
||
их основе, можно объединить в две группы: |
химические |
||
методы и физико-химические |
методы. |
|