Курсовая работа: Исследование модели электролитического осаждения меди
1 Введение
Уровень технологии производства радиоэлектронных устройств является одним из основных факторов, определяющих научно-технический прогресс страны. Важнейшим элементом современных радиоэлектронных устройств являются интегральные микросхемы.
Разработка и ускоренное внедрение в производство перспективной электронной базы, в том числе больших интегральных схем (БИС) с высоким быстродействием и степенью интеграции в значительной степени определяется созданием систем автоматизированного проектирования (САПР) и подготовкой высококвалифицированных инженерных кадров, в совершенстве владеющих инструментом машинного моделирования интегральных микротехнологий приборов и схем.
Инженер-технолог производства интегральных схем должен овладеть физико-химическими основами этого производства, анализом и синтезом технологических процессов, теорией точности и надежности технологических процессов, теорией математического моделирования и оптимизации производства, наукой о процессах и аппаратах.
2 Химический процесс – область применения
Медь – химический элемент. Один из семи металлов, известных с глубокой древности. По некоторым археологическим данным - медь была хорошо известна египтянам еще за 4000 лет до н. э. Знакомство человечества с медью относится к более ранней эпохе, чем с железом; это объясняется с одной стороны более частым нахождением меди в свободном состоянии на поверхности земли, а с другой сравнительной легкостью получения ее из соединений. Особенно важна медь для электротехники. По электропроводности медь занимает второе место среди всех металлов, после серебра. Однако в наши дни во всем мире электрические провода, на которые раньше уходила почти половина выплавляемой меди, все чаще делают из алюминия. Он хуже проводит ток, но легче и доступнее. Медь же, как и многие другие цветные металлы, становится все дефицитнее. Если в 19 в. медь добывалась из руд, где содержалось 6-9% этого элемента, то сейчас 5%-ные медные руды считаются очень богатыми, а промышленность многих стран перерабатывает руды, в которых всего 0,5% меди.
2.1 Историческая справка
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. Медь и её сплавы сыграли большую роль в развитии материальной культуры. Благодаря лёгкой восстановимости окислов и карбонатов, медь была, по-видимому, первым металлом, который человек научился восстановлять из кислородных соединений, содержащихся в рудах. Древняя Греция и Рим получали медь с острова Кипра (Cyprum), откуда и название ее Сuprum.
В древности для обработки скальной породы её нагревали на костре и быстро охлаждали, причём порода растрескивалась. Уже в этих условиях были возможны процессы восстановления. В дальнейшем восстановление вели в кострах с большим количеством угля и с вдуванием воздуха посредством труб и мехов. Костры окружали стенками, которые постепенно повышались, что привело к созданию шахтной печи. Позднее методы восстановления уступили место окислительной плавке сульфидных медных руд с получением промежуточных продуктов - штейна (сплава сульфидов), в котором концентрируется медь, и шлака (сплава окислов).
2.2 Положение меди в периодической системе Д.И. Менделеева
Медь (Cuprum), Сu — химический элемент побочной подгруппы первой группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер 29, атомная масса 63,54. Распределение электронов в атоме меди — Is2 2 s2 2 p6 3 s2 3 p6 3 d10 4 s1 .
Природная медь состоит из смеси 2-х стабильных изотопов с массовыми числами 63 (69,1%) и 65 (30,9%). Сечение захвата тепловых нейтронов атомов меди 3,59-10-28 м-2 . Путем бомбардировки никеля протонами или дейтронами искусственно получают радиоактивные изотопы меди 61 Сu и 64 Сu с периодами полураспада 3,3 и 12,8 ч соответственно. Эти изотопы обладают высокой удельной активностью и используются в качестве меченых атомов.
Заполненная d-оболочка меди менее эффективно экранирует s-электрон от ядра, чем оболочка инертного газа, поэтому первый потенциал ионизации меди выше, чем у щелочных металлов. Так как в образовании металлической связи принимают участие и электроны d-оболочки, теплота испарения и температура плавления меди значительно выше, чем у щелочных металлов, что обусловливает более «благородный» характер меди по сравнению с последними. Второй и третий потенциалы ионизации меньше, чем у щелочных металлов, что в значительной степени объясняет проявление свойств меди как переходного элемента, который в степени окисления II и III имеет парамагнитные свойства окрашенных ионов и комплексов. Медь(I) также образует многочисленные соединения по типу комплексов переходных металлов.
2.3 Распространение в природе
Среднее содержание меди в земной коре 4,7-10-3 % (по массе), в нижней части земной коры, сложенной основными породами, её больше (1-10-2 %), чем в верхней (2-10-3 %), где преобладают граниты и другие кислые изверженные породы. Медь энергично мигрирует как в горячих водах глубин, так и в холодных растворах биосферы; сероводород осаждает из природных вод различные сульфиды меди, имеющие большое промышленное значение. Среди многочисленных минералов меди преобладают сульфиды, фосфаты, сульфаты, хлориды, известны также самородная медь, карбонаты и окислы.
Медь - важный элемент жизни, она участвует во многих физиологических процессах. Среднее содержание меди в живом веществе 2-10-4 %, известны организмы - концентраторы меди. В таёжных и других ландшафтах влажного климата медь сравнительно легко выщелачивается из кислых почв, здесь местами наблюдается дефицит меди и связанные с ним болезни растений и животных (особенно на песках и торфяниках). В степях и пустынях (с характерными для них слабощелочными растворами) медь малоподвижна; на участках месторождений меди наблюдается её избыток в почвах и растениях, отчего болеют домашние животные.
В речной воде очень мало меди, 1-10-7 %. Приносимая в океан со стоком медь сравнительно быстро переходит в морские илы. Поэтому глины и сланцы несколько обогащены медью (5,7-10-3 %), а морская вода резко недосыщена медью (3-10-7 %).
В морях прошлых геологических эпох местами происходило значительное накопление меди в илах, приведшее к образованию месторождений (например, Мансфельд в Германии). Медь энергично мигрирует и в подземных водах биосферы, с этими процессами связано накопление руд меди в песчаниках.
Медь образует до 240 минералов, однако лишь около 40 имеют промышленное значение.
Различают сульфидные и окисленные руды меди. Промышленное значение имеют сульфидные руды, из которых наиболее широко используется медный колчедан (халькопирит) CuFeS2 . В природе он встречается главным образом в смеси с железным колчеданом FeS2 и пустой породой, состоящей из оксидов Si, Al, Ca и др. Часто сульфидные руды содержат примеси благородных металлов (Аи, Ag), цветных и редких металлов (Zn, Pb, Ni, Co, Mo и др.) и рассеянных элементов (Ge и др.).
Содержание меди в руде обычно составляет 1—5%, но благодаря легкой флотируемости халькопирита его можно обогащать, получая концентрат, содержащий 20% меди и более [1845]. Наиболее крупные запасы медных руд сосредоточены главным образом на Урале, в Казахстане, Средней Азии, Африке (Катанта, Замбия), Америке (Чили, США, Канада).
2.4 Получение
Медные руды характеризуются невысоким содержанием меди. Поэтому перед плавкой тонкоизмельчённую руду подвергают механическому обогащению; при этом ценные минералы отделяются от основной массы пустой породы; в результате получают ряд товарных концентратов (например, медный, цинковый, пиритный).
В мировой практике 80 % меди извлекают из концентратов пирометаллургическими методами, основанными на расплавлении всей массы материала. В процессе плавки, вследствие большего родства меди к сере, а компонентов пустой породы и железа к кислороду, медь концентрируется в сульфидном расплаве (штейне), а окислы образуют шлак. Штейн отделяют от шлака отстаиванием.
На большинстве современных заводов плавку ведут в отражательных или в электрических печах. В отражательных печах рабочее пространство вытянуто в горизонтальном направлении; площадь подачи 300 м2 и более (30 м; 10 м), необходимое для плавления тепло получают сжиганием углеродистого топлива (естественный газ, мазут, пылеуголь) в газовом пространстве над поверхностью ванны. В электрических печах тепло получают пропусканием через расплавленный шлак электрического тока (ток подводится к шлаку через погруженные в него графитовые электроды).
Однако и отражательная, и электрическая плавки, основанные на внешних источниках теплоты, - процессы несовершенные. Сульфиды, составляющие основную массу медных концентратов, обладают высокой теплотворной способностью. Поэтому всё больше внедряются методы плавки, в которых используется теплота сжигания сульфидов (окислитель - подогретый воздух, воздух, обогащенный кислородом, или технический кислород). Мелкие, предварительно высушенные сульфидные концентраты вдувают струей кислорода или воздуха в раскалённую до высокой температуры печь. Частицы горят во взвешенном состоянии (кислородно-взвешенная плавка). Можно окислять сульфиды и в жидком состоянии; эти процессы усиленно исследуются в СССР и за рубежом (Япония, Австралия, Канада) и становятся главным направлением в развитии пирометаллургии сульфидных медных руд.
Богатые кусковые сульфидные руды (2-3 % Cu) с высоким содержанием серы (35-42 % S) в ряде случаев непосредственно направляются на плавку в шахтных печах (печи с вертикально расположенным рабочим пространством). В одной из разновидностей шахтной плавки (медно-серная плавка) в шихту добавляют мелкий кокс, восстановляющий в верхних горизонтах печи SO2 до элементарной серы. Медь в этом процессе также концентрируется в штейне.
Получающийся при плавке жидкий штейн (в основном Cu2 S, FeS) заливают в конвертер - цилиндрический резервуар из листовой стали, выложенный изнутри магнезитовым кирпичом, снабженный боковым рядом фурм для вдувания воздуха и устройством для поворачивания вокруг оси. Через слой штейна продувают сжатый воздух. Конвертирование штейнов протекает в две стадии. Сначала окисляется сульфид железа, и для связывания окислов железа в конвертер добавляют кварц; образуется конвертерный шлак. Затем окисляется сульфид меди с образованием металлической меди и SO2 . Эту черновую медь разливают в формы. Слитки (а иногда непосредственно расплавленную черновую медь) с целью извлечения ценных спутников (Au, Ag, Se, Fe, Bi и других) и удаления вредных примесей направляют на огневое рафинирование. Оно основано на большем, чем у меди, сродстве металлов-примесей к кислороду: Fe, Zn, Co и частично Ni и другие в виде окислов переходят в шлак, а сера (в виде SO2 ) удаляется с газами. После удаления шлака медь для восстановления растворённой в ней Cu2 O "дразнят", погружая в жидкий металл концы сырых берёзовых или сосновых брёвен, после чего отливают его в плоские формы. Для электролитического рафинирования эти слитки подвешивают в ванне с раствором CuSO4 , подкислённым H2 SO4 . Они служат анодами. При пропускании тока аноды растворяются, а чистая медь отлагается на катодах - тонких медных листах, также получаемых электролизом в специальных матричных ваннах. Для выделения плотных гладких осадков в электролит вводят поверхностно-активные добавки (столярный клей, тиомочевину и другие). Полученную катодную медь промывают водой и переплавляют. Благородные металлы, Se, Te и другие ценные спутники меди концентрируются в анодном шламе, из которого их извлекают специальной переработкой.
Наряду с пирометаллургическими применяют также гидрометаллурги-ческие методы получения меди (преимущественно из бедных окисленных и самородных руд). Эти методы основаны на избирательном растворении медьсодержащих минералов, обычно в слабых растворах H2 SO4 или аммиака. Из раствора меди, либо осаждают железом, либо выделяют электролизом с нерастворимыми анодами. Весьма перспективны применительно к смешанным рудам комбинированные гидрофлотационные методы, при которых кислородные соединения меди растворяются в сернокислых растворах, а сульфиды выделяются флотацией. Получают распространение и автоклавные гидрометаллургические процессы, идущие при повышенных температурах и давлении.