Soluție Piranha
Soluția de piranha este un amestec de acid sulfuric (H 2 SO 4 ) și peroxid de hidrogen (H 2 O 2 ), utilizat pentru îndepărtarea reziduurilor organice de pe suprafețe. Fiind un agent oxidant puternic, este capabil să elimine majoritatea compușilor organici . Este capabil să facă majoritatea suprafețelor hidrofile prin hidroxilarea acestora (prin adăugarea de radicali hidroxil · OH).
Aplicații
Soluția piranha este utilizată în mod obișnuit în domeniul microelectronicii , de exemplu pentru a elimina fotorezistentul din napolitane de siliciu . Este uneori folosit pentru curățarea obiectelor din sticlă de laborator , însă nu este utilizat frecvent din cauza pericolului său mare. [1] Spre deosebire de soluțiile de acid cromic (de exemplu, amestecul cromic ), această soluție nu contaminează sticlăria cu ioni de crom hexavalent (Cr (VI)). De asemenea, este utilizat pentru a face sticla hidrofilă prin hidroxilarea suprafeței . [2] În unele cazuri, soluția de piranha este utilizată pentru pasivarea sticlăriei înainte de a efectua reacții chimice foarte sensibile. De asemenea, este folosit pentru gravarea titanului .
Pregătirea și utilizările
Termenul "soluție piranha" include diverse soluții de concentrații diferite. Cel mai frecvent are raportul 3: 1 acid sulfuric concentrat (99%) la peroxid de hidrogen (peroxid de hidrogen ) la 30%; alte soluții pot fi preparate folosind un raport 4: 1 sau 7: 1. Un alt amestec , legat de soluția de piranha, este „baza piranha”, un amestec format din trei părți de hidroxid de amoniu (NH 4 OH) și una de peroxid de hidrogen .
Soluția de piranha trebuie preparată prin adăugarea de peroxid la acid (contrar regulii obișnuite de adăugare a acidului în apă , identificată în proverbul „ Nu dați acidului de băut ”) [3] - cu toate acestea, unele autorități dezaprobă această practică [4] ] . Odată ce soluția este stabilizată, poate fi încălzită în continuare pentru a-și menține reactivitatea . Soluția fierbinte (odată ce bulele au încetat) va putea curăța suprafețele de aproape orice fel de compus organic și poate oxida / hidroxila majoritatea suprafețelor metalice . Curățarea durează în general 10 - 40 de minute , după care suprafața, acum perfect curată, poate fi îndepărtată din soluție.
Soluția poate fi aplicată gata așa cum s-a descris mai sus sau prin aplicarea mai întâi a acidului sulfuric , urmată de peroxid de hidrogen . [3]
Datorită auto- descompunerea de peroxid de hidrogen , soluția piranha trebuie să fie proaspăt preparată, plus, acesta nu poate fi stocat, deci trebuie să fie neutralizat în loc să fie depozitate în damigene . [3] Oxigenul produs prin descompunerea peroxidului de hidrogen, pe lângă produsele de oxidare ale compușilor organici, poate provoca ruperea recipientului .
Imersiunea unei suprafețe (de exemplu, o napolitană ) în această soluție trebuie făcută încet pentru a preveni șocurile termice care ar putea provoca fisurarea materialului .
Siguranță
Soluția de piranha, așa cum sugerează și numele său, este extrem de periculoasă, fiind compusă dintr-un acid puternic și un agent oxidant puternic. Trebuie manipulat cu cea mai mare atenție și trebuie luate toate măsurile de precauție necesare pentru a evita contactul acestui lichid cu suprafețele și pielea , deoarece este foarte coroziv .
Soluția piranha este explozivă . Pregătirea sa eliberează cantități mari de căldură . Această energie poate aduce soluția la temperaturi peste 120 ° C. Înainte de a încălzi soluția, trebuie să i se acorde timp să se răcească suficient, deoarece o sursă suplimentară de căldură poate duce la o fierbere violentă care poate pulveriza soluția de jur împrejur. Mai mult, pot apărea explozii dacă concentrația de peroxid de hidrogen este mai mare de 50%; pentru a evita daunele, este rezonabil să utilizați o soluție de peroxid de 30%.
Soluția piranha nu trebuie lăsată să acționeze mai mult decât ar trebui și nu ar trebui lăsată nesupravegheată dacă este fierbinte. Nu poate fi depozitat într-un recipient închis (eliberarea de oxigen și creșterea consecutivă a presiunii interne ar provoca explozia recipientului, pulverizând acid peste tot). Dacă această soluție este amestecată cu solvenți organici ( acetonă , alcool etilic , toluen ), aceasta va provoca o explozie. [3]
Tratamentul cu soluție de piranha (chiar dacă este o suprafață cu reziduuri organice), trebuie efectuat încet, oferind soluției timp pentru stabilizare.
Eliminarea
Gazele provenite din soluția de piranha trebuie disipate și nu respirate, în timp ce soluția trebuie răcită.
Soluția de piranha uzată (deja utilizată) constă din acid sulfuric diluat și este considerată o deșeu periculos. Soluția de piranha folosită nu trebuie în niciun caz eliminată prin turnarea ei într-un canal normal. [5] Pe de altă parte, multe instalații au dezvoltat un sistem de tratare a deșeurilor capabil să-l neutralizeze, permițând să fie turnat în anumite canale de scurgere din motive de confort. [3]
Trebuie avut grijă ca această soluție să nu se amestece cu solvenți organici, altfel va exista o reacție foarte violentă care poate provoca o adevărată explozie.
Mecanismul de lucru
Marea capacitate a soluției de piranha de a elimina reziduurile organice rezidă în cele două procese distincte. Primul și, de asemenea, cel mai rapid, este îndepărtarea hidrogenului și a oxigenului (ca și cum ar fi apă) de acid sulfuric concentrat, deoarece este foarte higroscopic și, de asemenea, trage apă din compuși organici. Acest lucru se întâmplă deoarece hidratarea acidului sulfuric concentrat este favorabilă termodinamic, cu o ΔH de -880 kJ / mol. Tocmai capacitatea sa de a se deshidrata rapid, pe lângă propria aciditate, face acidul sulfuric și, prin urmare, și soluția de piranha, foarte periculoasă de manipulat.
Procesul de deshidratare arată carbonizarea rapidă a materialelor organice, în special a carbohidraților, atunci când este scufundat în soluția de piranha. Soluția de piranha a fost numită atât pentru viteza, cât și pentru energia pe care o arată în prima parte a procesului, prin care chiar și cantități mari de reziduuri organice imersate în această soluție sunt deshidratate violent, deoarece piranha devoră aproape instantaneu mâncarea. Al doilea motiv, mai rațional, al numelui este capacitatea acestei soluții de a „mânca orice”, chiar și carbon elementar sub formă de funingine, cenușă sau cărbune.
Al doilea, mult mai interesant, constă în conversia îmbunătățită a peroxidului de hidrogen de acid sulfuric dintr-un agent oxidant relativ ușor într-unul suficient de agresiv pentru a dizolva carbonul elementar, un material notoriu rezistent la reacțiile în soluție apoasă la temperatura. Transformarea poate fi văzută ca deshidratarea peroxidului de hidrogen favorabil energetic pentru a forma ioni de hidroniu, ioni de bisulfat și oxigen radical:
- H 2 SO 4 + H 2 O 2 → H 3 O + + HSO 4 - + O
Oxigenul în această formă extrem de reactivă conferă soluției de piranha capacitatea de a dizolva carbonul elementar. Alotropii de carbon sunt greu de atacat chimic datorită orbitalilor hibridizați foarte stabili tipici grafitului , în care fiecare suprafață de carbon (starea de hibridizare sp 2 este plană) tinde să se lege cu toate celelalte. Cel mai tipic mod prin care soluția piranha distruge stabilitatea acestor atomi de carbon se datorează faptului că oxigenul atomic atacă direct suprafața carbonului pentru a forma o grupare carbonil:
În procesul anterior, atomul de oxigen „fură” un dublet de electroni din carbonul central, formând gruparea carbonil și distrugând simultan legăturile dintre carbonul „jefuit” și cele cu care este legat. Rezultatul este o reacție în lanț în care reacția unui singur atom de oxigen declanșează o distrugere notabilă a legăturilor locale, care la rândul său permite o gamă largă de reacții într-o soluție apoasă care implică în principal atomi de carbon. O oxidare mai mare, de exemplu, poate transforma gruparea carbonil inițială în dioxid de carbon și poate crea o nouă grupare carbonil în atomii de carbon vecini, ale căror legături sunt distruse:
Carbonul eliminat din soluția de piranha poate fi reziduul original sau carbonul din etapa de deshidratare. Procesul de oxidare este mai lent decât procesul de deshidratare și durează o anumită perioadă de timp. Oxidarea carbonului arată o purificare treptată a funinginii și carbonului din faza de deshidratare. În acest moment, soluția de piranha în care a fost scufundat materialul organic va reveni la a fi complet limpede, fără urme vizibile ale reziduurilor inițiale.
O contribuție suplimentară la acțiunea puternică de curățare a soluției de piranha este aciditatea ridicată, care dizolvă depozite precum oxizi metalici și carbonați. Cu toate acestea, deoarece este mai sigur să îndepărtați depunerile folosind acizi mai puțin puternici, soluția de piranha este mai frecvent utilizată atunci când aciditatea ridicată complică curățarea, mai degrabă decât o favorizează. Pentru suprafețele care nu sunt foarte tolerante la acizi, este preferabil să se utilizeze baza piranha , o soluție la fel de oxidantă, dar alcalină.
Notă
- ^ 16. Proceduri de laborator , în Sci.chem FAQ . Adus la 11 ianuarie 2008 .
- ^ KJ Seu, AP Pandey, F. Haque, EA Proctor, AE Ribbe și JS Hovis, Efectul tratamentului de suprafață asupra difuzării și formării domeniului în straturile de lipide suportate , în Biophysical Journal , vol. 92, nr. 7, 2007, pp. 2445–2450, DOI : 10.1529 / biophysj.106.099721 , PMID 17218468 .
- ^ a b c d și Informații chimice , la web.princeton.edu . Adus la 4 martie 2010 (arhivat din original la 10 iunie 2010) .
- ^ Ghid "Piranha etch"; Haijun Qiao; AMPEL Nanofabrication Facility, University of British Columbia Arhivat 9 octombrie 2010 la Internet Archive .
- ^ Fișă informativă despre deșeurile Piranha Depusă la 11 iunie 2010 în Internet Archive ., Universitatea din Illinois la Urbana-Champaign
