XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

В конце 70-х годов XX века получило развитие новое направление исследований, которое было названо “подземная физика”. Данный термин относится к исследованиям по поиску редких событий– ядерных распадов и электрослабых процессов, для обнаружения которых необходим сверхнизкий уровень фонового излучения. Для этого размещенные в лабораториях детекторы окружаются дополнительными слоями защиты, в качестве которой могут служить медные пластины. Однако на поверхности пластин присутствует слой загрязнений (слой Бейлби), возникающий во время механической обработки. Во избежание ложных результатов производится очистка (травление) поверхностей конструкционных материалов различными составами, которые улучшают микрорельеф поверхности и устраняют различные вещества, например, атомы радиоактивных тория, урана, радия, актиния, калия и т.д.

Цель работы– очистка поверхности медных пластин с помощью травления в растворах молочной и ортофосфорной кислот различных концентраций.

В качестве защитных материалов необходимо использовать малоактивные металлы, которые не будут окисляться на воздухе и реагировать с веществами из окружающей среды. Также металл должен быть дешевым и находиться в природе в чистом виде. Таким образом, медь была выбрана не случайно.

Медь– красный металл, мягкий и ковкий. Относится к группе тяжелых металлов. В природе медь очень часто встречается в виде соединений, но также может встречаться в самородном виде.

Химическая активность невысокая. На сухом воздухе не окисляется, не взаимодействует с водой. С кислородом взаимодействует при нагревании (тускнеет из-за образования оксидной пленки), но в зависимости от условий, образуются разные оксиды. Медь в электрохимическом ряду напряжения металлов находится правее водорода, следовательно, с разбавленными серной, хлороводородной и прочими кислотами-неокислителями взаимодействовать не будет.

Идеальным травящим раствором является раствор, содержащий азотную кислоту. Она обладает сильными окислительными свойствами за счет того, что окисление происходит азотом в высшей степени окисления (+5). При проведении низкофоновых измерений с азотной кислотой зачастую сложно организовать процесс в «полевых условиях», поэтому задача подобрать альтернативные, но не менее эффективные травящие растворы.

Для эксперимента были выбраны неагрессивные кислоты-неокислители– молочная иортофосфорная.

Экспериментальная часть. Ход эксперимента:

1. 10 медных пластин обезжирили с помощью этилового спирта со всех сторон;

2. Взвесили все образцы на аналитических весах;

3. Приготовили 5 растворов молочной и 5 растворов ортофосфорной кислот в следующих концентрациях: 1%, 5%, 10%, 20%, 30%.

С помощью дозаторов отмерили необходимые аликвоты для приготовлениярастворов, затем в мерную колбу на 100 мл к небольшому количеству водыдобавляли аликвоты кислот и доводили до метки.

4. Растворы перелили в сосуды для травления, предварительно промаркировав;

5. Медные пластины погрузили в растворы и прикрыли сосуды крышками.

В течение эксперимента необходимо было периодически доставать образцы из растворов кислот, промывать дистиллированной водой, аккуратно высушивать поверхность с помощью фильтровальной бумаги, взвешивать пластины на аналитических весах, а затем погружать их в растворы до следующего взвешивания.

Первое взвешивание было произведено на следующий день после погружения пластин в кислоты. Продолжительность эксперимента составила 27 дней.

По завершении эксперимента для каждой пластины составили таблицы, содержащие массы в соответствующий день эксперимента, толщину, а также уменьшение от начальной массы и уменьшение в день.

Рис.1. Зависимость уменьшения от исходной массы пластин в молочной кислоте в течение эксперимента.

Рис.2. Зависимость уменьшения от исходной массы пластин в ортофосфорной кислоте в течение эксперимента.

Описание пластин

До погружения в растворы кислот поверхности образцов были матовые, шероховатые, на многих имелись разводы, на торцах можно было заметить черные загрязнения. В первые дни эксперимента можно было увидеть, что черные загрязнения с торцов пластин остались в растворе, причем в растворах молочной кислоты это произошло быстрее. В целом, со многих пластин ушли разводы, которые можно было наблюдать первоначально. Также в последние дни эксперимента на пластинах, которые находились в растворах ортофосфорной кислоты, появился осадок темно-коричневого, практически черного цвета, особенно сильно им были покрыты образцы в 20% и 30% растворах. Пластина, находившаяся в 1% растворе молочной кислоты, была покрыта бурым налетом, который не смывался водой, также на образце, лежавшем в 1% растворе ортофосфорной кислоты, появились соединения голубого цвета, которые также не смылись при промывании водой. Можно отметить, что в молочной кислоте поверхности стали чище, осадки не образовались, пластины стали более блестящими.

Рис.3. Внешний вид медных пластин до начала эксперимента:

первый ряд сверху – пластины, подготовленные для травления в молочной кислоте,

второй ряд сверху – пластины, подготовленные для травления в ортофосфорной

кислоте

Рис.4. Внешний вид медных пластин после окончания эксперимента:

первый ряд сверху – пластины после травления в молочной кислоте,

второй ряд сверху – пластины после травления в ортофосфорной кислоте

Итоги работы

Визуально наиболее гладкими и чистыми кажутся образцы, которые травились в 5% и 10% растворах молочной и ортофосфорной кислот.

Поскольку медь– неактивный металл, то взаимодействовать с кислотами-неокислителями она не будет, однако поверхность металла покрыта оксидной пленкой, состоящей и из оксида меди (I), и из оксида меди (II), которые в свою очередь реагируют с кислотами. Этим обусловлено растворение соединений на поверхности пластин. Кислород, находящийся в растворе, окисляет медь, а кислота растворяет получившиеся оксиды.

Исследуя графики, прослеживается тенденция к более эффективному окислению в растворах низкой концентрации. Можно предположить, что данное явление объясняется возрастанием вязкости в более концентрированных кислотах. Очевидна связь плотности и вязкости: чем больше плотность– тем больше вязкость. В растворах с наибольшей вязкостью циркуляция кислорода к пограничному слою происходит хуже, поэтому окисление поверхностей пластин замедляется.