불순물

불순물(不純物, )은 한정된 양의 액체, 기체 또는 고체 안에 있는 화학 물질로, 물질이나 화합물의 화학 조성과는 구별된다. 첫째로 순수 화학 물질은 열역학적으로 적어도 하나의 화학적 단계로 나타나며 1성분 단계 다이어그램으로 그 특징을 나타낼 수도 있다. 둘째로 현실적으로 순수 화학물질은 동질적임이 입증되어야 한다.(예: 다양한 연속된 분석화학과정을 거친 뒤 속성의 변화를 보이지 않음) 완전한 순수 화학물질은 추가 분리와 정제의 모든 시도와 테스트를 통과하게 된다. 셋째로, 그리고 여기서 공통적인 화학적 정의에 초점을 두는데, 어떠한 기타 종류의 화학종이 조금도 포함되어서는 안 된다. 현실적으로 100% 절대적으로 순수한 화학 물질은 존재하지 않으며 일정 부분의 오염 물질이 무조건 존재한다.

물질 내 불순물의 수준은 일반적으로 상대적인 용어로 정의된다. 제조된 제품에서 다양한 불순물의 허용 수준을 정의하기 위해 다양한 조직에 의해 표준이 수립되었다. 엄밀히 말하면, 한 물질의 순도 수준은 다른 어떤 물질보다 더 순수하거나 덜 순수하다는 식으로만 언급될 수 있다.

불순물은 자연적으로 발생하거나 화학 물질 또는 상업적 제품의 합성 중에 추가된다. 생산 과정에서 불순물은 의도적으로 또는 실수로 물질에 첨가될 수 있다. 원치 않는 불순물을 제거하려면 증류나 존 정제(zone refining)와 같은 분리 또는 정제 기술을 사용해야 할 수 있다. 다른 경우에는 보석의 색상이나 반도체의 전도도와 같은 물질의 특정 특성을 얻기 위해 불순물을 첨가하기도 한다. 불순물은 결정 성장을 시작하는 핵 형성 지점 역할을 할 수 있으므로 결정화에 영향을 미칠 수도 있다. 또한 불순물은 결함의 형태로 다른 상전이의 핵 형성에서 역할을 할 수 있다.

 원치 않는 불순물 

불순물은 물질의 작동 특성을 방해할 때 원치 않는 것이 될 수 있다. 그 예로는 금속의 재와 부스러기, 백지의 잎 조각 등이 있다. 불순물의 제거는 일반적으로 화학적으로 수행된다. 예를 들어, 철 제조 과정에서 철광석으로부터 이산화 규소를 제거하기 위해 용광로에 탄산칼슘을 첨가한다. 또 다른 정제 방법인 존 정제(Zone refining)는 반도체 정제에 있어 경제적으로 중요한 방법이다.

섬네일|기본적인 증류 장치
그러나 일부 종류의 불순물은 물리적인 수단으로 제거할 수 있다. 소금과 물의 혼합물은 증류를 통해 분리할 수 있으며, 물은 증류액으로, 소금은 고체 잔류물로 남는다. 이는 물을 가열하여 끓임으로써 소금을 남겨두는 방식으로 이루어진다. 수증기는 냉각되어 다시 순수한 액체로 변한다. 불순물은 대개 액체와 기체에서 물리적으로 제거된다. 금속 광석에서 모래 입자를 제거하는 것은 고체에서의 한 예이다.

어떤 방법을 사용하더라도 물질에서 불순물을 완전히 분리하는 것은 대개 불가능하다. 불순물을 완전히 제거하는 것이 불가능한 이유는 열역학적 특성 때문이며 열역학 제2법칙에 의해 예측된다. 불순물을 완전히 제거한다는 것은 그 농도를 0으로 줄이는 것을 의미한다. 열역학 제2법칙이 예측하듯이, 이는 무한한 양의 작업과 에너지를 필요로 한다. 기술자가 할 수 있는 일은 물질의 순도를 가능한 한 100%에 가깝게 또는 경제적으로 실현 가능한 수준으로 높이는 것이다.

의약품 및 치료제 내의 불순물은 특별한 관심 대상이며, 지난 수십 년 동안 안전하지 않은 성분과 잘못된 제형부터 의도적으로 강화된 약물 및 우발적인 오염에 이르기까지 상당한 수의 스캔들이 목격되었다.

 원하는 불순물 
때때로 물질의 특성을 바꾸기 위해 불순물을 포함시키기를 원할 수도 있다. 이러한 불순물은 자연적으로 발생하여 물질 내에 변하지 않은 상태로 남아 있거나 합성과정에서 의도적으로 첨가될 수 있다. 이러한 유형의 불순물은 보석의 다양한 색상이나 반도체의 전도도를 조절하기 위한 도핑과 같이 우리 일상생활에서 나타날 수 있다.

원하는 불순물의 예는 보석에서 찾아볼 수 있다. 이러한 보석에는 발색단 역할을 하여 원석에 색을 입히는 미량의 불순물이 들어 있다. 한 예로 기본 화학식이 Be3Al2(SiO3)6인 녹주석군 보석이 있다. 순수한 녹주석은 무색으로 보이지만 이는 드물게 발생하며, 미량 원소의 존재가 색을 변화시킨다. 에메랄드의 녹색은 크롬, 바나듐 또는 철과 같은 불순물에서 비롯된다. 망간 불순물은 모르가나이트라고 불리는 분홍색 보석을 만들고, 철은 푸른색 보석인 아쿠아마린을 만든다.
섬네일|서로 다른 색상을 가진 녹주석군의 세 가지 보석.
도핑은 전기 전도도를 높이고 반도체의 기능을 향상시키기 위해 반도체에 불순물을 의도적으로 첨가하는 과정이다. 원래의 결정 구조에 첨가되는 원소인 도펀트는 기본 화학식과 다른 수의 전자를 포함한다. p형 도핑된 반도체는 결정 내의 다른 원소보다 원자가 전자가 적은 원소를 소량 포함한다. n형 도핑은 그 반대로 도펀트가 더 많은 원자가 전자를 포함한다.

 불순물과 핵 형성 
불순물이 섞인 액체가 녹는점까지 냉각되면, 상전이를 겪는 액체는 불순물 주위에 결정화되어 결정질 고체가 된다. 불순물이 없으면 액체는 순수하다고 하며, 고체가 되지 않고 녹는점 이하로 과냉각될 수 있다. 이는 액체가 응축될 중심이 없어 고체가 자연적인 결정질 고체를 형성할 수 없기 때문이다. 결국 동적 정지(dynamic arrest)나 유리 전이가 일어날 때 고체가 형성되지만, 구조에 장거리 질서가 없기 때문에 대신 비정질 고체인 유리로 형성된다.

불순물은 다른 상전이의 핵 형성에서 중요한 역할을 한다. 예를 들어, 이물질의 존재는 금속 합금의 기계적 및 자기적 특성에 중요한 영향을 미칠 수 있다. 구리 속의 철 원자는 전도 전자 스핀이 불순물 원자와 자기 결합 상태를 형성하는 유명한 곤도 효과를 일으킨다. 반도체 내의 자기 불순물은 소용돌이 결함의 생성 지점 역할을 할 수 있다. 점 결함은 강자성체에서 반전된 도메인의 핵을 형성하고 보자성에 극적인 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 불순물은 새로운 상의 유한한 크기 도메인을 생성하는 에너지 비용이 점 결함에서 더 낮기 때문에 상전이의 시작점 역할을 할 수 있다. 새로운 상의 핵이 안정적이려면 임계 크기에 도달해야 한다. 이 임계치 크기는 종종 불순물 지점에서 더 낮다.

 같이 보기 
 오염
 불순물반도체
 불순물준위

 각주 

 Longman's English-Chinese Dictionary of Chemistry, Hong Kong, 1997.
 Cheng, E. et al., Chemistry – A Modern View, Aristo-Wilson, Hong Kong, 2004

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분류:불순품