Роль химии в создании сверхчистых материалов
Роль химии в создании сверхчистых материалов
Роль химии в создании сверхчистых материалов
Мариупольский городской технический лицей
Реферат
на тему «Роль химии в создании сверхчистых материалов»
Выполнил
ученик 411 группы
Анищенко Сергей
г. Мариуполь
2003 г.
План
Введение.
1. О термине «сверхчистые материалы».
2. Получение чистых цветных металлов.
3. Ионный обмен.
Выводы.
Литература.
Введение
Человеческая цивилизация на протяжении своего развития, по крайней мере, в материальной сфере постоянно использует химические, биологические и физические закономерности, действующие на нашей планете, для удовлетворения тех или иных своих потребностей.
В древности это происходило двумя путями осознанно или стихийно. Нас, естественно, интересует первый путь. Примером осознанного использования химических явлений могут служить
— скисание молока, используемое для получения сыра, сметаны и других молокопродуктов;
— брожение некоторых семян, например, хмеля в присутствии дрожжей с образованием пива;
— возгонка пыльцы некоторых цветов (мака, конопли) и получение наркотиков;
— брожение сока некоторых плодов (в первую очередь, винограда), содержащего много сахара, в результате чего получали вино, уксус.
Революционные преобразования в жизни человека внес огонь. Человек начал использовать огонь для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки и выплавки металлов, переработки древесины в уголь, выпаривания и сушки продуктов на зиму.
Со временем у людей возникала потребность все в новых и новых материалах. Неоценимую помощь в их создании оказывала химия. Особенно велика роль химии в создании чистых и сверхчистых материалов (в дальнейшем сокращенно – СЧМ). Если в создании новых материалов, на мой взгляд, лидирующее положение занимают всё же физические процессы и технологии, то получение СЧМ зачастую более эффективно и продуктивно с помощью химических реакций.
В данном реферате изложены некоторые достижения химии, в основном, в получении СЧМ неорганического происхождения без применения или при минимуме физических и биологических методов воздействия. Другими словами, исключительная чистота получаемых материалов обеспечивается, в первую очередь, протеканием соответствующих химических реакций. Например, получение порошка металла распылением его расплава на центрифуге – физический процесс. Но попутная очистка порошка металла, к примеру, от водорода путем разложения гидридов этого металла в вакууме при высокой температуре – это типичный пример получения СЧМ с помощью химии.
В реферате предполагается, что получение СЧМ – это и образование относительно чистого в сравнении с природным прототипом материала из других веществ или соединений, и очистка исходного «грязного» материала с уменьшением его загрязненности в несколько раз или на несколько порядков.
1. О термине «Сверхчистые материалы»
Успехи химии за последние десятилетия исключительно велики и не менее значителен технический прогресс в области чистых веществ и материалов. За 30 — 40 лет изменилось в корне само понятие о чистом материале (в частности, о химически чистом» и «сверхчистом»).
Некоторые авторы [6] утверждают, что создана заново новая отрасль химии, занимающаяся особо чистыми и сверхчистыми материалами. Если 50 лет тому назад лучшие образцы реактивов содержали не менее 110-2 — 110-3% примесей многих элементов, то теперь выпускаются отечественные сверхчистые материалы, содержание отдельных примесей в которых не превышает 110-8 — 110-10%.
В связи с этим, возникает вопрос о корректности термина «сверхчистые материалы». Таковыми могут назвать как материалы с содержанием примесей, измеряемым процентами и десятыми их долями, так и материалы, загрязненность которых на несколько порядков меньше. Строгого критерия оценки чистоты, точнее, загрязненности материала не существует.
Следует иметь в виду, что при производстве чистых материалов, как правило, относительно легко удается снизить содержание примесей с 0,1-1% до сотых долей процента. Дальнейшая очистка является значительно более сложной и трудоемкой задачей. Снижение на один порядок содержания той или иной примеси, начиная с 10-3%, требует применения специальных методов очистки.
Значительно возрастают трудности при работе с продуктами особой чистоты, содержащими примеси порядка 10-5% и ниже. Выработка такой продукции требует специально оборудованных помещений с тщательно профильтрованным воздухом, полного отсутствия металлических предметов, использования посуды из пластмасс особых типов. Применение дистиллированной воды (даже дважды пли трижды перегнанной) абсолютно недопустимо — можно применять лишь воду, прошедшую дополнительную очистку с помощью ионитов.
Строжайшие меры принимаются также для устранения возможности попадания каких-либо загрязнений с рук или одежды работающих. Для этой цели, в частности, используется лавсановая спецодежда (не дающая ворсинок), особые туфли и резиновые перчатки.
При работе с материалами надо всегда помнить, что снижение содержания примесей даже на один порядок приводит к очень резкому возрастанию (в геометрической прогрессии) цены материала. Поэтому не следует использовать для малоответственных работ материалы высокой чистоты. Кроме того, выбор метода очистки (физического, химического или биологического) должен быть обоснован технико-экономическими расчетами эффективности.
По существующему в Украине еще со времен СССР положению для материалов установлены квалификации «чистый» (ч.), «чистый для анализа» (ч. д. а.), «химически чистый» (х. ч.) и «особо чистый» (ос. ч.). Последняя квалификация иногда делится еще на несколько марок.
Материалы квалификации «чистый» могут с успехом применяться в самых разнообразных работах как экспериментального, так и производственного характера.
Материалы «чистые для анализа», как показывает само название, предназначены для аналитических работ, выполняемых с большой точностью. Содержание примесей в препаратах ч. д. а. настолько мало, что обычно не вносит заметных погрешностей в результаты анализа. Эти материалы вполне могут быть использованы в научно-исследовательских работах.
Наконец, материалы квалификации «химически чистый» предназначены для ответственных научных исследований, они используются также в аналитических лабораториях в качестве веществ, по которым устанавливаются титры рабочих растворов.
Эти три квалификации охватывают все материалы общего назначения. Препараты более высокой очистки («особой чистоты») предназначены лишь для специальных целей, когда даже миллионные доли процента примеси являются совершенно недопустимыми. Основные потребители таких препаратов — промышленность полупроводниковых материалов, радиоэлектроника, квантовая электроника. Совершенно недопустимо и бессмысленно использовать дорогие материалы особой чистоты для выполнения рядовых аналитических и научных работ.
Вещества особой чистоты делятся на три класса. Класс А делится на подклассы А1 (содержание основного вещества 99,9%) и А2 (99,99% основного вещества). Цифра после буквы А характеризует число девяток после запятой. Соответственно содержанию основного вещества различают подклассы В3, В4, В5 и В6. Наконец, сверхчистые вещества образуют класс С, делящийся на подклассы С7-С10.
Для различия подклассов веществ особой чистоты введена маркировка. На таре с материалом каждого подкласса имеется этикетка особого цвета, по которой можно определить степень загрязненности материала (см. таблицу).
Степень загрязненности «Сверхчистых материалов»
Таблица
Подкласс
Цвет этикетки
Содержание основного компонента, %
Содержание примесей, %
А1
коричневый
99,9
10-1
А2
серый
99,99
10-2
В3
синий
99,999
10-3
В4
голубой
99,9999
10-4
В5
темно-зеленый
99,99999
10-5
В6
светло-зеленый
99,999999
10-6
С7
красный
99,9999999
10-7
С8
розовый
99,99999999
10-8
С9
оранжевый
99,999999999
10-9
С10
светло-желтый
99,9999999999
10-10
Существуют и другие методы классификации материалов особой чистоты. Так, в научно-исследовательском институте химических реактивов и особо чистых веществ (ИРЕА, Москва) было предложено характеризовать чистоту препарата по суммарному содержанию определенного числа микропримесей. Например, для особо чистого SiO2 нормируется десять примесей (Аl, В, Fe, Са, Mg, Na, Р, Ti, Sn, Рb), причем общее содержание их не превышает 110-5%. Для такого
препарата устанавливается индекс «ос. ч. 10-5».
Для упаковки материалов высокой чистоты необходимо полностью отказаться от стеклянной посуды, являющейся источником загрязнений. Поэтому чаще всего используют полиэтиленовые банки, еще лучше применять банки из тефлона (фторопласт-4).
В современном производстве СЧМ используется достаточно много различных методов очистки, основными среди них являются
— перекристаллизация;
— химическое осаждение;
— транспортные реакции;
— дистилляция и ректификация;
— экстракция;
— зонная плавка;
— ионный обмен и адсорбция.
Описание всех этих методов не входит в задачу данного реферата. Рассмотрим некоторые из этих методов на примерах получения цветных металлов заданной чистоты/загрязненности.
2. Получение чистых цветных металлов
Руду цветного металла добывают из земли и очищают от большей части пустой породы. Но даже лучший, стопроцентный рудный концентрат – только сырьё. Его можно назвать сверхчистым концентратом, но металл в нем соседствует с большим количеством примесей. Чтобы получить чистый и сверхчистый металл, его нужно извлечь из искомого концентрата.
При обогащении руды разрушаются сравнительно слабые связи минералов в природе. Теперь же нужно вторгнуться внутрь минерала, внутрь соединения, порвать крепчайшие химические связи между элементами. Тут не обойдёшься действием центробежной силы или пузырьков пены, что применялось на обогатительных фабриках. Нужны более мощные средства. И, прежде всего,- высокие температуры. Та отрасль металлургии, которая их использует, носит имя пирометаллургии (от слова, означающего в переводе с греческого «огонь»).
Главные спутники цветных металлов в рудах – сера и кислород. Их-то и нужно удалить. Сначала попытаемся «расправиться» с серой. Металлы так прочно связаны с ней, что «соглашаются» только на обмен – место серы должен занять другой элемент. Обычно им оказывается кислород. А проходит эта реакция обмена при обжиге руд – сера выгорает, её место занимает кислород. Для меди существует специальный процесс – зонная плавка, при котором энергию горения обеспечивает сама сера, подлежащая удалении. Зонной плавкой получают также чистые кремний и германий – основные материалы для полупроводников (их можно получать и электролитическим осаждением).
Но вернемся к процессу удаления серы. В конечном счёте, перед металлургом опять окисел – только на этот раз не природный, а искусственный.
Наступает самый ответственный момент – «прощание» с кислородом. Принцип очень прост кислороду «предлагают» какой-нибудь «лакомый» для него элемент – углерод, водород, кремний. А хром, титан, марганец, например, можно освободить от кислорода с помощью более дешёвого, чем они, алюминия.
Называется этот процесс восстановлением металлов из руд. Для того чтобы он мог идти, пускают в ход высокие температуры, расплавляя руду.
Попробуйте смешать в бутылке воду и растительное масло. Как ни перемешивай, масло, в конце концов, всплывёт. Вот так же не могут смешаться в расплаве и всплывают наверх более лёгкие, чем металл, жидкие шлаки. Внизу, под их слоем, — расплавленный металл. Всё это происходит в огромной печи, внутрь которой вдуваются топливо и воздух, а на поду плавится под действием пламени концентрат. Выходят из печи отдельно жидкие шлаки и жидкий штейн – так называют смесь меди с железом, серой, серебром, золотом, никелем и т. д.
Штейн поступает от печи в конвертеры. В них, как и при переработке чугуна, через штейн продувается воздух. Так выжигается сера, удаляется железо. Но уходят на это не минуты, как в конвертерах для чугуна, а часы, часто даже десятки часов. Зато теперь вместо штейна получается черновая медь. Примесей в ней только 1…2%, а не 70…80%, как в штейне. Но и эти маленькие проценты не устраивают технику.
Снова пускается в ход огонь. Следующая стадия очистки меди так и называется – огневое рафинирование. Опять выжигаются остатки серы и некоторых других элементов. И опять при этом часть меди окисляется. Чтобы вернуть меди свободу от кислорода, в ванну с расплавом погружают деревянные жерди, словно дразнят медь. Это так и называется – дразнение. Дерево отбирает у меди кислород. Теперь примесей уже только десятые доли процента.
Когда-то с этим приходилось мириться. Теперь можно идти дальше. Медь отправляется на электролиз. Брусок очищаемой меди помещается в электролитическую ванну в качестве анода. Электрический ток транспортирует к катоду только атомы меди. Золото, платина, серебро опускаются на дно ванны. Они тоже не пропадут.
Все большее значение приобретает сейчас хлорирование металлов. Руду цветного металла, например, олова, обрабатывают хлором. Затем задача уже не в восстановлении металла, не в освобождении его от кислорода, а в разрушении соединения металла с хлором. Это проще и не требует таких высоких температур. Поэтому и распространяется этот метод, несмотря на один недостаток хлора – едкость.
В частности, по химической реакции
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
на подавляющем большинстве заводов получают титан. А вот рядом с нами в поселке Донском на химико-металлургическом заводе (теперь это химико-металлургическая фабрика комбината им. Ильича) титан получают гораздо более чистым, чем при хлорировании. Для этого вместо хлора используют йод. К сожалению, получаемый очень чистый титан имеет высокую цену, из-за чего его производство сейчас приостановлено, что является дополнительным подтверждением сделанного ранее вывода о необходимости экономического критерия выбора методов очистки.
Но вернемся к электролизу. Он помогает металлургам и в получении алюминия из расплавленного соединения металла с кислородом.
Очень сложную задачу поставил в свое время перед металлургами этот важнейший из цветных металлов. Его рудный концентрат – глинозем (окись алюминия) – плавится при очень высокой температуре – две с лишним тысячи градусов. Почти на 10000 выше точки плавления меди. Чтобы понизить температуру плавления, пришлось искусственно понижать концентрацию алюминия в электролитической ванне – растворять глинозем в расплавленном минерале криолите. Точка плавления раствора чуть ниже 10000С. А это уже устраивает металлургов. Правда, природного криолита на земле так мало, что минерал этот приходится изготовлять искусственно. Но и это все равно дешевле, чем каждый раз нагревать чистый глинозем.
В раскаленном растворе молекулы глинозема распадаются на составные части – атомы алюминия и атомы кислорода. Электрический ток захватывает атомы алюминия и транспортирует их на катод. В данном случае катодом служит дно самой ванны с глиноземно-криолитовым расплавом.
На примере получения чистого алюминия показана решающая роль химии в получении чистого алюминия. В частности, специалистам в области химии пришлось 1) создать новый материал – криолит; 2) создать новую смесь «глинозем+криолит»; 3)создать новую технологию извлечения алюминия из указанной выше смеси.
Титан и магний, кальций и бериллий, и многие другие металлы часто получают с помощью электролиза, разлагая их расплавленные соли. Но для того, чтобы сделать эти соли жидкими, опять требуются высокие температуры.
Однако металлурги в ряде случаев умеют обходиться без такого сильного нагрева. Кроме пирометаллургии, существует гидрометаллургия. Тут металл также переводится в жидкость, но не огнем, а с помощью химического растворителя. Им могут оказаться и просто вода, и растворы кислот, щелочей, солей, и сложные органические жидкости.
Извлечь чистый металл из раствора его соединения сравнительно легко. В одних случаях пускают в ход электролиз. В других прибегают к обменным химическим реакциям. Вновь основная заслуга в очистке материала принадлежит химии.
Если опустить в жидкий медный купорос кусок железа, хотя бы старое бритвенное лезвие, на нем начнет осаждаться медь. В обмен в раствор уходят ионы железа. Тот же по существу процесс идет в заводских масштабах на многих предприятиях, получающих медь.
Особенно широко применяется гидрометаллургия при переработке комплексных руд. В нашей стране есть комбинаты, которые из одного месторождения добывают 8, 11, 14 химических элементов. А химики Германии на уникальном месторождении – Мандсфельдских нефтяных сланцах – получают даже сразу 25 элементов. Когда в каждом кубическом сантиметре руды есть, скажем, и марганец, и кобальт, и молибден, и еще добрый десяток ценнейших элементов, куда легче отделить металлы в целом от пустой породы, чем друг от друга. И вот рудный концентрат поочередно обрабатывается сильными реактивами. Стремятся к тому, чтобы в каждой жидкости растворились соединения только одного металла, выделить который уже не составляет большого труда.
Что касается гидропроцессов, используемых для очистки и получения чистых материалов, особый интерес представляют ионообменные процессы, осуществляемые с помощью ионообменных смол.
3. Ионный обмен
Когда говорят о чистоте воды, обычно подразумевают родниковую воду, озеро Байкал с его огромными запасами пресной воды.
Однако при ближайшем рассмотрении речь идет не столько о чистой воде, сколько о пресной и вкусной воде. Сверхчистая вода обычно образуется при дистилляции, но это, на мой взгляд, физический процесс, и его мы рассматривать не будем.
Сверхчистую по отдельным показателям воду можно получить и химическими методами воздействия. Раньше анализ воды подразумевал определение ее основности, жесткости, содержания хлоридов и кислорода. Сейчас в зависимости от государства в пресной воде определяют от примерно двух десятков (в Украине, России) до почти четырех десятков элементов (США, страны Западной Европы), но, по-прежнему, первостепенными показателями воды являются ее основность и жесткость.
Раньше жесткость воды в промышленных масштабах понижали очисткой ее от солей кальция и магния с помощью, например, олеата калия. Растворенные в воде соли жесткости при действии олеата калия превращаются в малорастворимые в воде магниевые и кальциевые соли олеиновой кислоты
2C17H33COO + Ca = Ca (C17H33COO)2
2C17H33COO + Mg = Mg (C17H33COO)2
Сейчас такой процесс очистки воды считается анахронизмом. Более эффективная очистка воды достигается с использованием ионообменных смол.
Синтетических смол химиками создано великое множество. И, пожалуй, одними из самых удивительных среди них являются ионообменные смолы, или иониты. Эти смолы обладают редкой способностью активно вступая в химическое взаимодействие с различными веществами, они быстро и тщательно очищают от них различные растворы. Применяются иониты, например, для очистки воды, поступающей в водопроводную сеть многих городов.
Пропуская через иониты морскую воду или другой раствор, их можно освободить от растворенных солей, то есть сделать то, что с помощью обычных фильтров сделать невозможно.
Синтетические иониты не растворяются ни в кислотах, ни в щелочах; через них можно фильтровать растворы, имеющие температуру около 1000С. Они делятся на две основные группы. Иониты одной группы взаимодействуют с ионами, заряженными положительным электричеством (катионами), — это катиониты. Другие, взаимодействующие с анионами, называются анионитами.
От обычных синтетических смол иониты отличаются тем, что они обладают свойствами кислот и щелочей. У катионитов – кислотные свойства, у анионитов – щелочные.
Как действуют иониты? Известно, что молекулы многих веществ в воде распадаются на отдельные атомы или группы атомов, несущие электрические заряды (электрическая диссоциация). Такие микрочастицы называются ионами. Это атомы, потерявшие или, наоборот, присоединившие к себе лишние электроны. А поскольку ионы несут электрические заряды, ими можно управлять. Иониты улавливают эти ионы, работая как своеобразная ловушка (см. рис.1).
Рис.1. Ионная ловушка.
Иониты уже трудятся в самых различных областях народного хозяйства. Исключительно полезными помощниками они оказались, например, на сахарных заводах. По ходу производства здесь необходимо тщательно очищать от нежелательных примесей свекловичный сок. Старый способ очистки сока сравнительно сложен и, главное, связан с большими потерями сахара. Применили иониты, и на том же оборудовании выход продукции повысился сразу на 8-10%.
На металлургических комбинатах им. Ильича и «Азовсталь» иониты используются в теплоэлектроцентралях для очистки воды.
В последнее время ионообменные смолы стали применять при очистке воды на ликероводочных заводах, фабриках по производству соков.
С замечательной добросовестностью «вылавливают» иониты серебро, уходящие вместе с промывными водами с копировальных фабрик, из фотолабораторий, рентгеновских кабинетов. Пропустить все эти «серебряные реки» через иониты – все равно, что открыть новое крупное месторождение этого ценного металла.
С такой же добросовестностью эти иониты «выуживают» из растворов примеси золота, меди и многих других ценных металлов.
Очистка паровых котлов от накипи – дело трудоемкое и обходится государству недешево. Пропущенная через ионитовые фильтры вода становится настолько «мягкой», что котел может работать во много раз дольше.
Нельзя забывать и другого. Обеспечивая высокую степень очистки различных материалов, иониты позволяют совершенствовать многие производственные процессы, способствуют прогрессу во многих отраслях хозяйства.
В машиностроении и теплоэнергетике, гидрометаллургии, радиотехнике, пищевой промышленности – всюду теперь несут полезную службу иониты. А ведь семейство этих чудесных полимеров все растет. Новые иониты находят новое применение.
Ученые поговаривают даже о том, что в будущем иониты будут извлекать золото из морской воды! И это будет экономически выгодно.
Выводы
1. На мой взгляд, термин «сверхчистые материалы» — не совсем корректный, поскольку
— неизвестно, какую чистоту, а точнее загрязненность материалов надо считать обычной, чтобы относительно нее можно было говорить о «сверхчистом» материале;
— для одних материалов их высокая чистота/малая загрязненность по примесям определяется процентами и их долями, а для других материалов, например, для полупроводников – германия, кремния – «сверхчистота» подразумевает загрязненность, измеряемую миллиардными долями процента.
2. Роль химии в получении «сверхчистых материалов», в основном, заключается в следующем
— создании химических реакций, пригодных для получения чистого материала из других химических соединений;
— создании химических реакций, с помощью которых можно эффективно удалять примеси и загрязнения из относительно чистого материала;
— изобретении новых веществ, способных химическим или физическим путем очищать искомые материалы.
3. Применение химических методов очистки материалов взамен физических или биологических должно быть обусловлено предварительными технико-экономическими расчетами эффективности получения сверхчистых материалов.
Литература
1. Степин Б.Д., Горштейн И.Г., Блюм Г.З. и др. Методы получения особо чистых неорганических веществ. – Л., Химия, 1969.
2. Финкельштейн Б.Е. Чистота вещества. – М., Химия, 1975.
3. Крашенинников С.А., Кузнецова А.Г., Салтанова В.П. и др. Технический анализ и контроль в производстве неорганических веществ. – М., Высшая школа, 1968.
4. Детская энциклопедия. Том 5. Техника и производство. — М., Просвещение, 1965.
5. Буринская Н.Н., Величко Л.П. Химия. Учебник для средней общеобразовательной школы. 11 класс. – Київ, Ірпінь, 1999.
6. Корякин Ю.В., Ангелов И.И.Чистые химические вещества. Руководство по приготовлению неорганических реактивов и препаратов в лабораторных условиях. Изд. 4-ое. – М., Химия, 1974.
«