Роль химии в создании сверхчистых материалов

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

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 1ž10-5%. 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.

 Скачать реферат