XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Ряд физических измерений необходимо проводить в низкофоновых условиях. Для обеспечения низкофоновых условий вещества должны содержать низкие концентрации радиоактивных примесей (торий, уран, радий, актиний, калий и ряд других элементов). В качестве защиты низкофоновых установок обычно используются конструкционные материалы из меди и свинца, поверхность которых необходимо предварительно очищать. Для очистки поверхностей обычно используют смеси поверхностно активных веществ, либо травление кислотами, которое зачастую проводят в «полевых» условиях.

Целью данной работы является разработка методик травления меди в растворах уксусной и ортофосфорной кислот.

Медь — красный ковкий мягкий металл. Не изменяется на воздухе в отсутствие влаги и СО₂, при нагревании тускнеет. Слабый восстановитель; не реагирует с водой, с разбавленной хлороводородной кислотой. Окисляется концентрированными серной и азотной кислотами, «царской водкой», кислородом, галогенами и др.

В электрохимическом ряду напряжений металлов медь расположена правее водорода (E^o= +0,34 В), поэтому не реагирует с растворами кислот-неокислителей при обычных условиях. Медь окисляется кислородом воздуха и растворённым кислородом до оксида меди (II), оксид меди (II) реагирует с кислотами-неокислителями.

Азотная и серная кислоты являются хорошими реагентами для травления, окисление металла происходит за счёт азота и серы, а не водорода, поэтому данные кислоты–окислители способны окислять медь. Серная кислота не является хорошим стандартом для травления из-за образования нерастворимых сульфатов.

При проведении низкофоновых измерений с азотной кислотой зачастую сложно организовать процесс в «полевых условиях», требуется поиск и экспериментальное исследование методик травления с безопасными кислотами-неокислителями.

Однако некоторые многоосновные кислоты могут вызывать сорбцию нерастворимых продуктов на поверхности металла.

Для эксперимента были выбраны неагрессивные кислоты-неокислители - уксусная и ортофосфорная.

Экспериментальная часть. Ход эксперимента:

Обезжирили медные пластины с обеих сторон этиловым спиртом;

Измерили массы пластин на аналитических весах с точностью 0,0002 г.;

Приготовили растворы для травления пластин;

Поместили медные пластины в травильные растворы;

Периодически извлекали и взвешивали медные пластины на аналитических весах;

После взвешивания погружали пластины обратно в растворы;

Наблюдали динамику уменьшения массы медной пластины в растворах уксусной и ортофосфорной кислот.

Эксперимент 1. Травление медной пластины в растворе уксусной кислоты (ω = 24 %)

Рис. 1. Динамика изменения массы медной пластины в 24 % растворе уксусной кислоты	Рис. 2. Поверхность медной пластины после извлечения из раствора 24 % раствора уксусной кислоты (до обработки водой)

За все время эксперимента масса пластины уменьшилась на 0,1258 г. Толщина пластины уменьшилась на 0,057 мм. Поверхность медной пластины после извлечения из раствора уксусной кислоты была покрыта кристаллами ацетата меди (II), после обработки пластины водой кристаллы полностью исчезли, а поверхность пластины стала глянцевой.

Предполагаемая химическая реакция, протекающая в ходе эксперимента:

2Cu + 4CH₃COOH + О_{2 (воздух)} = 2(CH₃COO)₂Cu + 2H₂O

Вывод: данный метод не подходит для травления медной пластины, так как в растворе и на поверхности пластины образуются кристаллы.

Эксперимент 2. Травление медной пластины в растворе ортофосфорной кислоты (ω = 23,5 %)

Рис. 3. Динамика изменения массы медной пластины в 23,5 % растворе ортофосфорной кислоты	Рис. 4. Поверхность медной пластины после извлечения из раствора 23,5 % раствора ортофосфорной кислоты (до обработки водой)

Поверхность медной пластины после извлечения из раствора 23,5 % раствора ортофосфорной кислоты - ровная, матовая, без кристаллов.

Предполагаемая химическая реакция, протекающая в ходе эксперимента:

2Cu + 2H₃PO₄+ О_{2 (воздух)} = 2CuHPO₄ + 2H₂O

Вывод: данный метод может рассматриваться как возможный для травления медной пластины. Но он не может считаться оптимальным, так как поверхность платины не глянцевая, а матовая.

Эксперимент 3. Травление медной пластины в растворе уксусной кислоты в присутствии хлорида натрия и пероксида водорода

Эксперимент длился 1 час. За это время масса медной пластины уменьшилась на 1,02 г. Толщина пластины уменьшилась на 0,46 мм.

Рис. 5. Поверхность медной пластины после извлечения из раствора 16,2% уксусной кислоты с пероксидом водорода и хлоридом натрия (до обработки водой)

Поверхность медной пластины после извлечения из раствора уксусной кислоты с пероксидом водорода и хлоридом натрия была покрыта зеленым налётом. После обработки поверхности пластины водой налет исчез. Поверхность стала частично матовой, частично глянцевой.

Предполагаемые химические реакции, протекающие в ходе эксперимента:

2Cu + 4CH₃COOH + 4H₂О₂ = 2(CH₃COO)₂Cu + 6H₂O + О₂

Cu + 2CH₃COOH + H₂О₂ = (CH₃COO)₂Cu + 2H₂O

Хлорид натрия в данном случае выступает в роли катализатора, который одновременно предотвращает кристаллизацию малорастворимого ацетата меди и катализирует разрушение осадка, образующегося на поверхности пластины.

Вывод: Данный метод не стоит рассматривать, как возможный для травления медной пластины, так как поверхность протравилась частично и неравномерно, также наблюдали образование осадка.

Эксперимент 4. Травление медной пластины в растворе ортофосфорной кислоты в присутствии хлорида натрия и пероксида водорода

Эксперимент длился 1 час. За все время эксперимента масса пластины уменьшилась на 1,44 г. Толщина пластины уменьшилась на 0,65 мм. После извлечения пластины из раствора для травления её поверхность была чистой. После обработки поверхности пластины водой поверхность стала матовой. Предполагаемые химические реакции, протекающие в ходе эксперимента:

2Cu + 4H₃PO₄+ 4H₂О₂ = 2Cu(H₂PO₄)₂ + 6H₂O+ О₂

Cu + 2H₃PO₄ + H₂О₂ = Cu(H₂PO₄)₂ + 2H₂O

В данном случае хлорид натрия является катализатором травления медной пластины, ещё больше ускоряя процесс стравливания верхнего слоя поверхности пластины.

Вывод: данный метод не стоит рассматривать, как возможный для травления медной пластины, так как поверхность протравилась частично и неравномерно.

Эксперимент 5. Травление медной пластины в растворе уксусной кислоты в присутствии пероксида водорода

Эксперимент длился 5 часов. За это время масса пластины уменьшилась на 0,46 г. Толщина пластины уменьшилась на 0,21 мм

Рис. 6. Поверхность медной пластины после извлечения из раствора 23, 3 % уксусной кислоты и пероксида водорода (после обработки водой)

После извлечения пластины из раствора для травления её поверхность оказалась покрыта голубым осадком.

Предполагаемые химические реакции, протекающие в ходе эксперимента:

2Cu + 4CH₃COOH + 4H₂О₂ = 2(CH₃COO)₂Cu + 6H₂O + О₂

Cu + 2CH₃COOH + H₂О₂ = (CH₃COO)₂Cu + 2H₂O

В присутствии пероксида водорода количество растворенного в растворе кислорода увеличивается, что способствует более сильному растворению меди и образованию малорастворимый ацетат меди (II) на поверхности пластины.

Вывод: данный метод не подходит для травления медной пластины, так как на поверхности пластины образовался осадок, не растворимый в воде.

Эксперимент 6. Травление медной пластины в растворе ортофосфорной кислоты в присутствии пероксида водорода

Эксперимент длился 5 часов. За это время масса пластины уменьшилась на 1,09 г. Толщина пластины уменьшилась на 0,50 мм. После извлечения пластины из раствора для травления её поверхность оказалась чистой и глянцевой. После обработки водой поверхность пластины осталась глянцевой.

Предполагаемые химические реакции, протекающие в ходе эксперимента:

2Cu + 4H₃PO₄+ 4H₂О₂ = 2Cu(H₂PO₄)₂ + 6H₂O+ О₂

Cu + 2H₃PO₄ + H₂О₂ = Cu(H₂PO₄)₂ + 2H₂O

Вывод: данный метод больше всего подходит для травления медной пластины, так как при травлении в растворе не образуется осадков, поверхность пластины даже после обработки водой остается глянцевой.

Выводы

Окисление и растворение меди в растворах кислот-неокислителей происходит за счет растворенного кислорода;

Пероксид водорода и хлорид натрия сильно увеличивают скорость травления медных пластин. Добавление этих веществ можно использовать для быстрого травления пластин. Хлорид натрия действительно служит катализатором травления в присутствии пероксида водорода и кислот – неокислителей (ускоряет реакцию в 5 – 10 раз).

Пероксид водорода и ортофосфорная кислота служат хорошими реагентами для проведения травления меди. Скорость травления в их растворе немного меньше, чем в случае с добавлением хлорида натрия, но это компенсируется упрощением системы и качеством протравленной поверхности.

На основании всех проведенных экспериментов, можно сказать, что травление лучше протекает в растворах, содержащих фосфорную кислоту, чем в растворах, содержащих уксусную кислоту. Наиболее оптимальный метод травления медной платины - травление в растворе, который состоит из фосфорной кислоты и пероксида водорода.

Код для цитирования: Скопировать