Войти
Раствор пираньи Раствор пираньи, также известный как травление пираньи, представляет собой смесь серная кислота (H2SO4), вода и перекись водорода (H2O2), используемые для очистки органических остатков с подложек. Поскольку смесь является сильным окислителем, она удаляет большую часть органических веществ, а также гидроксилирует большинство поверхностей (добавляет группы ОН), делая их очень гидрофильный (совместим с водой). Это означает, что раствор может легко растворять ткань и кожу, вызывая серьезные химические ожоги в процессе.
Обычно используется много различных соотношений смеси, и все они называются пираньями. Типичная смесь - это 3 части концентрированной серной кислоты и 1 часть 30% раствора перекиси водорода; другие протоколы могут использовать смесь 4: 1 или даже 7: 1. Близкая смесь, иногда называемая «базовой пираньей», представляет собой смесь 3: 1 аммиачной воды с пероксидом водорода.
Раствор пираньи нужно готовить с большой осторожностью. Это очень коррозионный и чрезвычайно мощный окислитель. Перед контактом с раствором поверхности должны быть достаточно чистыми и полностью свободными от органических растворителей от предыдущих этапов мойки. Раствор пираньи очищает, растворяя органические загрязнители, и большое количество загрязнителя вызовет бурное пузырение и выброс газа, который может вызвать взрыв.
Раствор пираньи всегда следует готовить, медленно добавляя перекись водорода к серной кислоте. никогда не наоборот. Перемешивание раствора чрезвычайно экзотермично. Если раствор приготовить быстро, он мгновенно закипит, выпустив большое количество едких паров. Даже при осторожном приготовлении возникающее тепло может привести к температуре раствора выше 100 ° C. Перед использованием необходимо дать ему остыть. Внезапное повышение температуры также может привести к бурному кипению чрезвычайно кислого раствора. Растворы, приготовленные с использованием перекиси водорода с концентрацией более 50%, могут вызвать взрыв. Как только смесь стабилизируется, ее можно дополнительно нагреть для поддержания ее реакционной способности. Горячий (часто пузырящийся) раствор очищает органические соединения с подложек и окисляет или гидроксилирует большинство металлических поверхностей. Для очистки обычно требуется от 10 до 40 минут, после чего подложки можно удалить из раствора.
Раствор можно смешивать перед нанесением или наносить непосредственно на материал, сначала нанося серную кислоту, а затем пероксид. Из-за саморазложения перекиси водорода раствор пираньи следует использовать в свежеприготовленном виде. Раствор нельзя хранить, так как он выделяет газ и поэтому его нельзя хранить в закрытом контейнере. Поскольку раствор бурно реагирует со многими предметами, которые обычно утилизируются как химические отходы, если раствор не нейтрализован, его необходимо оставить в четко обозначенных контейнерах.
Решение Piranha часто используется в отрасли микроэлектроники, например для удаления остатков фоторезиста с пластин кремния.
Несмотря на то, что существуют более безопасные и дешевые варианты, это решение можно использовать для травления самодельных печатных плат. Маска накладывается на пустую медную плату, и раствор пираньи быстро удаляет обнаженную медь, не покрытую маской.
В лаборатории этот раствор иногда используют для очистки стеклянной посуды, хотя во многих учреждениях он не приветствуется, и его не следует использовать регулярно из-за его опасности. В отличие от растворов хромовой кислоты, пиранья не загрязняет стеклянную посуду ионами тяжелых металлов.
Раствор пираньи особенно полезен при очистке спеченной (или «спеченной») стеклянной посуды. Размер пор в спеченной стеклянной посуде имеет решающее значение для ее функции, поэтому ее не следует очищать сильными основаниями, которые постепенно растворяют агломерат. Спеченное стекло также имеет тенденцию захватывать материал глубоко в структуре, что затрудняет его удаление. Если менее агрессивные методы очистки не дают результата, можно использовать раствор пираньи, чтобы вернуть агломерату чистую белую, сыпучую форму без чрезмерного повреждения размеров пор. Обычно это достигается путем пропускания раствора через спеченное стекло. Хотя очистка посуды из спеченного стекла сделает ее максимально чистой, не повредив посуду, это делать не рекомендуется из-за риска взрыва.
Раствор пираньи используется для придания стеклу гидрофильности путем гидроксилирования поверхности, что увеличивает количество силанольных групп на поверхности.
Эффективность раствора пираньи в удалении органических остатков обусловлена двумя различными процессами, которые работают с заметно разными скоростями. Первым и более быстрым процессом является удаление водорода и кислорода в виде единиц воды концентрированной серной кислотой. Это происходит потому, что гидратация концентрированной серной кислоты термодинамически очень благоприятна с ΔH, равным -880 к J /моль. Именно это свойство быстрого обезвоживания, а не сама кислотность, делает концентрированную серную кислоту и, следовательно, раствором пираньи очень опасным в обращении.
Процесс дегидратации проявляется в быстрой карбонизации обычных органических материалов, особенно углеводов, при погружении в раствор пираньи. Раствор пираньи был назван отчасти в связи с энергичностью этого первого процесса, так как большие количества органических остатков, погруженных в раствор, обезвоживаются настолько сильно, что процесс напоминает «безумие кормления» пираньи . Второе и более определенное обоснование названия - способность раствора пираньи «есть что угодно», в частности элементарный углерод в форме сажи или char.
Этот второй и гораздо более интересный процесс можно понять как усиленное серной кислотой преобразование перекиси водорода из относительно мягкого окислителя в достаточно агрессивный, чтобы растворять элементарный углерод, материал, который, как известно, является устойчив к водным реакциям при комнатной температуре. Это преобразование можно рассматривать как энергетически выгодную дегидратацию перекиси водорода с образованием ионов гидрокония, ионов бисульфата и временно атомарного кислорода :
Именно эта чрезвычайно реактивная форма атомарного кислорода позволяет раствору пираньи растворять элементарный углерод. Аллотропы углерода трудно поддаются химическому воздействию из-за высокостабильных и обычно графитоподобных гибридизованных связей, которые поверхностные атомы углерода имеют тенденцию образовывать друг с другом. Наиболее вероятный путь, по которому раствор разрушает эти стабильные углерод-углеродные поверхностные связи, заключается в том, что атомарный кислород первым присоединяется непосредственно к поверхностному углероду с образованием карбонильной группы:
В описанном выше процессе По сути, атом кислорода «крадет» пару электронных связей у центрального углерода, образуя карбонильную группу и одновременно разрывая связи целевого атома углерода с одним или несколькими его соседями. Результатом является каскадный эффект, при котором одна реакция с атомарным кислородом инициирует значительное «распутывание» локальной связывающей структуры, что, в свою очередь, позволяет широкому диапазону водных реакций воздействовать на ранее непроницаемые атомы углерода. Дальнейшее окисление, например, может преобразовать исходную карбонильную группу в диоксид углерода и создать новую карбонильную группу на соседнем углероде, связи которого были разорваны:
Углерод, удаленный с помощью раствора пираньи, может быть либо исходными остатками, либо полукоксом со стадии дегидратации.. Процесс окисления протекает медленнее, чем процесс обезвоживания, и занимает несколько минут. Окисление углерода проявляется в постепенном очищении от взвешенной сажи и угля, оставшихся в результате начального процесса дегидратации. Со временем растворы пираньи, в которые были погружены органические материалы, обычно возвращаются к полной прозрачности, без видимых следов исходных органических материалов.
Последним незначительным вкладом в очистку раствора пираний является его высокая кислотность, которая растворяет отложения, такие как оксиды металлов и карбонаты. Однако, поскольку такие отложения безопаснее и легче удалять с помощью более мягких кислот, раствор чаще используется в ситуациях, когда высокая кислотность облегчает очистку, а не усложняет ее. Для субстратов с низкой толерантностью к кислотности предпочтителен щелочной раствор, состоящий из гидроксида аммония и перекиси водорода, известный как основная пиранья.
Раствор пираньи очень опасен, поскольку он является сильным кислотным и сильным окислителем. Горячий раствор, который больше не используется, никогда не следует оставлять без присмотра. Не следует хранить в закрытой таре. Раствор пираньи нельзя утилизировать вместе с органическими растворителями (например, в отработанном растворителе бутылях ), так как это вызовет бурную реакцию и существенный взрыв.
Раствору нужно дать остыть, и газообразный кислород перед утилизацией должен рассеяться. При чистке стеклянной посуды разумно и практично позволить раствору пираньи реагировать в течение ночи. Это позволяет отработанному раствору разлагаться перед утилизацией. В то время как некоторые учреждения считают, что использованный раствор пираньи следует собирать как опасные отходы, другие считают, что его можно нейтрализовать и слить в канализацию с большим количеством воды. Попытка нейтрализации путем добавления оснований может вместо этого вызвать быстрое разложение с выделением чистого кислорода.
