Взаимодействие разбавленных кислотных растворов с бариево-боратным стеклом Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Взаимодействие разбавленных кислотных растворов с бариево-боратным стеклом

Керефов А.Х. [email protected]), Калинина Н.В., Ашхотов О.Г.

Кабардино-Балкарский государственный университет, г. Нальчик

Микроканальная пластина (МКП) - важнейший элемент электронно-оптических преобразователей и приборов ночного видения, выполняющий функцию усиления электронных изображений. Ее характеристики в конечном итоге определяют параметры электронно-оптических преобразователей. В свою очередь, на характеристики МКП влияет то, насколько полно вытравливаются опорные жилы из растворимого бариево-боратного стекла Х-230 (объемный состав - 2,2%SiÜ2, 57,8%В20з, 8,2%K2Ü, 19,0%BaO, 3,8%CaO, 8,8%Л120з, 0,8%MgÜ). Выход этого стекла необходимо максимально увеличить для создания качественного эмиссионного слоя каналов. Известно [1], что слабо подкисленный раствор соляной кислоты (0.2н) хорошо растворяет опорную жилу из бариево-боратного стекла. Практически все компоненты стекла образуют хорошо растворимые соли, но в результате травления заготовки МКП соляной кислотой в осадок выпадают гидратирован-ные оксиды Si и A1, которые забивают микроканалы и адсорбируются на торцовых поверхностях МКП. В связи с этим, перед исследователями стоит задача либо предотвращения образования осадков, либо их удаления. На процесс выхода остатков растворимого стекла в кислотном растворе могут положительно повлиять ингибиторы и стабилизаторы. Поэтому в настоящей работе была исследована кинетика растворения дисков стекла Х230 в соляной кислоте и ее смесях с добавками глицерина, лимонной кислоты, аскорбиновой кислоты, а так же с солями BaC12, KCl и NaCl, образующих растворы с концентрацией 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4н.

Из многочисленных методов изучения процессов взаимодействия растворов кислот со стеклами, мы выбрали метод кинетических измерений массы, суть которого заключается в периодической или непрерывной регистрации изменения массы стекла, помещенного в исследуемый раствор. Подобная схема была использована для того, чтобы приблизить эксперимент к условиям, характерным технологии вытравливания опорной жилы.. По этой же причине образцы не измельчались для увеличения поверхности взаимодействия, до конца измерений не извлекались из раствора, а перемешивание раствора не производилось. Схема измерительной установки и конструкция держателя образца, использованных нами в экспериментах, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Установка для изучения кинетики травления стекол.

а) 1- одночашечные весы типа ВЛР-200; 2- подставка; 3- химически стойкий пластиковый стакан; 4- раствор; 5- нихромовый держатель; 6- образец.

б) Держатель образца.

В состоянии равновесия сила натяжения нити Т (рис.1) равна разности между силой тяжести образца и архимедовой силы Fa

Т = Шcg - Fa = Рс^ - Рж%

(1)

где шс - начальная масса образца, g - ускорение свободного падения, рс - плотность образца, рж - плотность жидкости, V - начальный объем образца.

По мере стравливания образца выталкивающая сила Fa уменьшается на pжAVg, а за счет растворения образца в растворе натяжение нити уменьшается на рсА^

Т = (Шс-АШс^ - (Fa-AFa) = р^ -pсAVg - РжVg -pжAVg.

(2)

Для определения массы растворившегося стекла возьмем разность натяжений нити

аТ = (рс-рж)а Vg,

(3)

где AV=Amc/рс и получим массу растворенного образца

ашс=(аТрс)/( рс-ржк-

(4)

Для регистрации массы нами использовались аналитические весы типа ВЛР-200, специально приспособленные для подобных измерений. На металлической подставке, которая не касается чашки и подвески весов, устанавливался прозрачный полиэтиленовый стаканчик емкостью 100 мл с исследуемым раствором. В раствор на подвеске из нихромо-вой проволоки диаметром 0,4 мм помещался исследуемый образец стекла в виде диска толщиной 0.5мм диаметром 25мм (рис.1). Размеры подвески и стаканчика выбраны таким образом, чтобы в течение всего эксперимента подвеска с образцом не касались стенок стакана. В качестве материала подвески был выбран нихром, химическая стойкость которого строго контролировалась следующим образом. Взвешенная с точностью до 0.0001г. подвеска (держатель образца) помещалась в исследуемый раствор. Через 8 часов подвеска извлекалась из раствора, промывалась водой и высушивалась при 100°С, после чего повторно проводили взвешивание. Потери веса при испытании нихромового держателя на химическую стойкость не превышали 0.0002г.

Подобный метод физико-химического анализа с целью изучения процессов травления стекол нам представляется новым, так как в литературе мы не смогли найти ссылок на использование этого метода для изучения процессов травления стекол.

Результаты экспериментов и их обсуждение

В настоящей работе исследована кинетика травления дисков стекла Х-230 в растворах соляной кислоты с добавками глицерина, лимонной и аскорбиновой кислот с общей нормальностью 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4н, данные по которым приведены в табл. 1.

Табл. 1. Составы и концентрация исследуемых кислотных растворов

Состав Общая нормальность, н.

HCl 0,05н. 0,05 н.

HCl 0,1 н. 0,1 н.

HCl 0,2н. 0,2 н.

HCl 0,3н. 0,3 н.

HCl 0,4н. 0,4 н.

HCl 0,05н.+1,16мл. глицерина 0,05 н.

HCl 0,1н.+1,16мл. глицерина 0,1 н.

HCl 0,2н. + 1,16мл. глицерина 0,2 н.

HCl 0,3 н. + 1,16мл. глицерина 0,3 н.

HCl 0,4н.+ 1,16мл. глицерина 0,4 н.

HCl 0,025н.+0,025н. лимонная кислота 0,05 н.

HCl 0,05н.+0,05н. лимонная кислота 0,1 н.

HCl 0,1н.+0,1н. лимонная кислота 0,2 н.

HCl 0,15н.+0,15н. лимонная кислота 0,3 н.

HCl 0,2н+0,2н. лимонная кислота 0,4 н.

HCl 0,025н.+0,025н аскорбиновая кислота 0,05 н.

HCl 0,05н.+0,05н. аскорбиновая кислота 0,1 н.

HCl 0,1н.+0,1н. аскорбиновая кислота 0,2 н.

HCl 0,15н.+0,15н. аскорбиновая кислота 0,3 н.

HCl 0,2н+0,2н. аскорбиновая кислота 0,4 н

HCl 0,025н.+BaCl2 0,025н. 0,05 н.

HCl 0,05н.+BaCl2 0,05н. 0,1 н.

HCl 0,1н.+Baa2 0,1 н. 0,2 н.

HCl 0,15н.+BaC12 0,15н. 0,3 н.

HCl 0,2н.+BaCl2 0,2н. 0,4 н.

HCl 0,025н.+Ка 0,025н. 0,5 н.

HCl 0,05н.+Ка 0,05н. 0,1 н.

hci 0,1н.+ка 0,1 н. 0,2 н.

HCl 0,15н.+КС1 0,15н. 0,3 н.

HCl 0,2н.+КС1 0,2н. 0,4 н.

HCl 0,025н. + NaCl 0,025н. 0,5 н.

HCl 0,05н.+ШС1 0,05н. 0,1 н.

HCl 0,1н.+NaC1 0,1 н. 0,2 н.

HCl 0,15н.+ШС1 0,15н. 0,3 н.

HCl 0,2н.+NaC1 0,2н. 0,4 н.

На рис. 2 показаны кривые кинетики травления стекла Х-230 в растворах соляной

кислоты.

Рис. 2. Кинетика травления стекла Х-230 в растворах соляной кислоты. 1 - HCl 0,05н; 2 - HCl 0,1н; 3 - HCl 0,2н; 4 - HCl 0,3н; 5 - HCl 0,4н.

Рис. 3. Кинетика травления стекла Х-230 в растворах соляной кислоты с добавлением:

а) глицерина: 1 - 0,05нНС1+1,16мл. глицерина; 2 - 0,1нНС1+1,16мл. глицерина; 3 -0,2нНС1+1,16мл. глицерина; 4 - 0,3н.НС1+1,16мл. глицерина; 5 - 0,4н. НС1+1,16мл. глицерина.

б) лимонной кислоты: 1 - НС1+лимонная кислота (0,05н); 2 - НС1+лимонная кислота (0,1н); 3 - НС1+лимонная кислота (0,2н); 4 - НС1+лимонная кислота (0,3н); 5 -НС1+лимонная кислота (0,4н).

с) аскорбиновой кислоты: 1 - НС1+ аскорбиновая кислота (0,05н); 2 - НС1+аскорбиновая кислота (0,1н); 3 - НС1+аскорбиновая кислота (0,2н); 4 - НС1+аскорбиновая кислота (0,3н); 5 - НС1+ аскорбиновая кислота (0,4н).

Рис. 4. Кинетика травления стекла Х-230 в растворах соляной кислоты с добавлением:

а) BaCl2

1 - HC1+BaC12(0,05 н); 2 - HC1+BaC12(0,1 н); 3 - HC1+BaC12(0,2 н); 4 - HC1+BaC12(0,3 н); 5 - HC1+BaC12 (0,4 н).

б) KCl

1 - HC1+KC1(0,05 н); 2 - HC1+KC1(0,1 н); 3 - HC1+KC1(0,2 н); 4 - HC1+KC1(0,3 н); 5 - HC1+KCl(0,4 н). с) NaCl

1 - HC1+NaC1(0,05 н); 2 - HC1+NaC1(0,1 н); 3 - HC1+NaC1(0,2 н); 4 - HC1+NaC1(0,3 н); 5 - HC1+NaCl(0,4 н).

Рис. 5. Скорость травления стекла Х-230 в растворах HCl с добавлением

а) 1- HCl, 2- HCl+глицерин, 3-HCl+лимонная кислота, 4-HCl+aскорбиновая кислота.

б) 1-HCl, 2-HCl+BaCl2, 3-HCl+KCl, 4-HCl+NaCl

Сравнительный анализ (рис.5) кривых изменения массы стекла Х-230 со временем показывает, что максимальная скорость травления наблюдается для 0.3н раствора. Дальнейшее увеличение концентрации раствора приводит к уменьшению скорости. Добавление в кислотный раствор глицерина не меняет ход кривых кинетики травления (рис.3 а). Максимальная скорость травления характерна также для 0.3н растворов (рис.5), но при концентрации 0.4н скорость выше по сравнению с аналогичным раствором без добавок.

Введение в исследуемый раствор лимонной кислоты (рис.3 б) приводит к практически линейному росту скорости травления, а в случае аскорбиновой кислоты (рис.3 с) максимальный выход стеклянной массы наблюдается при концентрации раствора 0.2н.

На рис. 4 показаны кривые кинетики травления Х230 в растворах соляной кислоты с добавками BaCl2, KCl, NaCl. Для них характерна почти линейная зависимость с максимальной скоростью травления для 0.4н растворов.

Полученные данные позволяют сделать выводы о том, что введение в кислотный раствор HCl лимонной и аскорбиновой кислот, а также солей BaCl2, KCl, NaCl оказывают

Электронный журнал «Исследовано в России» 1823 http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/169.pdf ингибирующее влияние на процесс взаимодействия стекла с раствором. Добавление глицерина приводит к увеличению скорости травления в 0.4н растворе, что можно объяснить стабилизирующим действием глицерина на образующиеся гели кремниевой кислоты, которое способствует комплексообразованию глицератов. Последнее может предотвратить выпадение из растворов малорастворимых осадков.

Литература.

1. Дуброво С.К. Стекло для лабораторных изделий и химической аппаратуры. М.- Л., 1965.

2. Тихонова З.И., Молчанов В.С.// Физика и химия стекла. 1979. Т.2. № 4. С. 377-378.

3. Светлов В.А., Павличенко Т.И.// Физика и химия стекла. 1984. Т.10. № 6. С. 698700.

4. Павлушкин Н.М., Журавлев А.К. Легкоплавкие стекла. М., 1970.

5. Гребенщиков И. В.//Керамика и стекло. 1931. Т.7. № 11/12. С.36.

6. Молчанов В С., Молчанова О.С.//Труды ГОИ. 1956. 24. вып. 145.