Aktywność chemiczna miedzi: trawienie

Miedź jest jednym z metali najmniej aktywnych chemicznie. Reaguje jednak z roztworami chlorku żelaza(III) i chlorku miedzi(I). Jest to od dawna znany i powszechnie stosowany sposób trawienia miedzi.

Trawienie jest podstawowym narzędziem ujawnienia ziarnistej struktury miedzi. Środek selektywnie trawiący, atakuje wypolerowaną powierzchnię, ujawniając wielkość i kształt ziaren.

Etched copper jewellery(Dzięki uprzejmości Copperheart)

Motywy kwiatowe na ozdobnych zawieszkach w kształcie krążków, zostały namalowane lakierem odpornym na działanie chlorku żelaza(III). Odsłonięte powierzchnie zostały częściowo wytrawione chlorkiem żelaza(III), pozostawiając wypukły wzór.

Na igrzyska olimpijskie 2012 w Londynie, Studio Thomas Heatherwick zaprojektowało nową, słynną na cały świat, czaszę znicza olimpijskiego, złożoną z miedzianych ramion przypominających płatki kwiatu. Na każdym z nich widniała nazwa uczestniczącego kraju, wytrawiona w miedzi roztworem chlorku żelaza(III).

London 2012 Olympic petal(Dzięki uprzejmości Heatherwick Studio)

Litery na miedzianym płatku kwiatu zostały wytrawione roztworem chlorku żelaza(III).

Etching masking tapeTaśma maskująca chroni powierzchnię miedzi przed działaniem roztworu chlorku żelaza(III), z wyjątkiem miejsc, w których są litery.

Petal before polishing(Dzięki uprzejmości Heatherwick Studio)

Przeznaczony dla Bośni i Hercegowiny element czaszy znicza, przed polerowaniem…

Polished petal (Heatherwick Studio)(Dzięki uprzejmości Heatherwick Studio)

…i po wypolerowaniu.

Etched Copper

Ziarnista struktura metalu decyduje o jego właściwościach, takich jak wytrzymałość i ciągliwość. Powyżej: ziarnista struktura wytrawionej miedzi w 200-krotnym powiększeniu.

Chemia trawienia Miedzi

W procesie trawienia zachodzą trzy reakcje, opisane poniższymi równaniami:

Równanie 1: FeCl3 + Cu → FeCl2 + CuCl

Reakcja opisana równaniem 1 jest wystarczająca, aby powodować trawienie, ponieważ atom miedzi metalicznej został utleniony i stał się jonem miedzi w roztworze chlorku miedzi, zachodzi jednak jeszcze druga reakcja, która powoduje, że jest to dwustopniowa reakcja redoks.

Równanie 2: FeCl3 + CuCl → FeCl2 + CuCl2

Chlorek miedzi(I) jest dalej utleniany do chlorku miedzi(II).

Sprawa okazuje się jeszcze bardziej złożona, gdyż chlorek miedzi(II), który zgodnie z równaniem 2 gromadzi się w roztworze trawiącym, również reaguje z miedzią. Działają więc teraz dwie substancje trawiące, chociaż zaczynaliśmy tylko z jedną.

Równanie 3: CuCl2 + Cu → 2CuCl

Masowa produkcja płytek obwodów drukowanych

Trawienie jest stosowane tylko w wytwarzaniu prototypowych płytek obwodów drukowanych oraz w zajęciach szkolnych lub w elektronice traktowanej jako hobby. Proces jest trudny do kontrolowania i bardzo trudno uzyskać w nim wąskie ścieżki.

W komercyjnej produkcji płytek obwodów drukowanych wykorzystuje się technikę powlekania galwanicznego . Płytka obwodu drukowanego, powleczona tylko cienką warstwą miedzi, zostaje umieszczona w wannie galwanizacyjnej, jako katoda (elektroda ujemna). Miedź osadza się na ścieżkach i jej warstwa narasta do pożądanej grubości. Jest to proces odwrotny do wytrawiania. Aby dowiedzieć się więcej spróbuj wyszukiwanie wg hasła “procesy pół-addytywne”.

PCB electroplating(Wikimedia/Innoquick.)

Circuit boards in an electroplating machine. Cu2+ ions are attracted to the board and deposited as copper metal. The blue areas do not get plated as they are coated in a film called a resist.

Etched printed circuit board(Dzięki uprzejmości QSL)

Do wytrawienia miedzi na tej płycie użyto chlorku żelaza(III), pozostawiając tylko ścieżki przewodzące. Ścieżki zostały pokryte warstwą ochronną, chroniącą miedź. Z powierzchni niezabezpieczonych warstwą ochronną cała miedź została usunięta, pozostawiając odsłoniętą płytę z włókna szklanego. W masowej produkcji, płytki obwodów drukowanych nie są wykonywane w ten sposób. W celu utworzenia przewodzących ścieżek miedź jest nakładana metodą powlekania galwanicznego.

Pytania

1. Atomy miedzi nie posiadają ładunku, ale jony miedzi w roztworze chlorku miedzi mają ładunek dodatni. Co utracił atom miedzi, że stał się dodatnim jonem?

2. W procesie powlekania galwanicznego, jony miedzi z roztworu osadzają się jako metal na połączonych z ujemnym zaciskiem ścieżkach, które stanowią katodę. Uzupełnij elektronowo-jonowe równanie połówkowe o reakcję zachodzącą na katodzie.
2+(aq) + 2e- → ?

Odpowiedzi

1. Atomy miedzi nie posiadają ładunku, ale jony miedzi w roztworze chlorku miedzi mają ładunek dodatni. Co utracił atom miedzi, że stał się dodatnim jonem?

Atom miedzi utracił elektron.

2. W procesie powlekania galwanicznego, jony miedzi z roztworu osadzają się jako metal na połączonych z ujemnym zaciskiem ścieżkach, które stanowią katodę. Uzupełnij elektronowo-jonowe równanie połówkowe o reakcję zachodzącą na katodzie:

Cu2+(aq) + 2e → ?

Równanie połówkowe przybiera postać:

Cu2+(aq) + 2e → Cu

Równanie to reprezentuje przemianę na katodzie dodatnio naładowanego jonu miedzi w pozbawiony ładunku atom nierozpuszczalnego metalu.

Etched printed circuit boardDo wytrawienia miedzi na tej płycie użyto chlorku żelaza(III), pozostawiając tylko ścieżki przewodzące. (Dzięki uprzejmości QSL)