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

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).