Как вырастить кристаллы олова

Как делают микропроцессоры. Польский химик, голландские монополисты и закон Мура

Современные микропроцессоры поражают своей сложностью. Наверное, это высочайшие технологические достижения человеческой цивилизации на сегодняшний день, наряду с программированием ДНК и автомобилями Tesla, которые после заказа через интернет сами приезжают к вашему дому.

Удивляясь красоте какой-нибудь микросхемы, невольно думаешь: как же это сделано? Давайте посмотрим на каждый шаг в производственном процессе.

Метод Чохральского

Жизнь микросхемы начинается с песка. Песок почти полностью состоит из кварца, а это основная форма диоксида кремния, SiO2. Сам кремний — второй по распространённости элемент в земной коре.

Чтобы получить из кварца чистый кремний, песок смешают с коксом (каменный уголь) и раскаляют в доменной печи до 1800 °C. Так удаляется кислород. Метод называется карботермическое восстановление.


Доменная печь с кварцем и коксом

В результате получаются блоки кремния поликристаллической структуры, так называемый технический кремний.

Чистота полученного кремния достигает 99,9%, но его необходимо очистить, чтобы получить поликристаллический кремний. Тут применяют разные методы. Самые популярные — хлорирование, фторирование и вытравливание примесей на межкристаллитных границах. Техпроцессы очистки кремния постоянно совершенствуются.

Затем из поликристаллического кремния выращивают монокристаллический кремний — это кремний электронного качества с чистотой 99,9999% (1 атом примесей на миллион атомов кремния). Кристаллы выращивают методом Чохральского, то есть введением затравки в расплав, а затем вытягиванием кристалла вверх. Метод назван в честь польского химика Яна Чохральского.

Метод Чохральского, Иллюстрация: Д. Ильин

Поэтому монокристаллический кремний представляет собой красивые цилиндрические слитки — их ведь вытягивали из расплава под воздействием земной гравитации.


Монокристаллический кремний электронного качества, нижняя часть слитка

Из этих цилиндрических слитков нарезают кремниевые пластины диаметром 100, 150, 200 или 300 мм. Многие задаются вопросом, почему у пластин круглая форма, ведь это нерациональный расход материала при нарезке на прямоугольные микросхемы. Причина именно в том, что кристаллы выращивают методом Чохральского, вынимая вверх.

Чем больше диаметр кремниевой пластины — тем эффективнее расходуется материал. Пластины доставляют на полупроводниковую фабрику, где начинается самое интересное.

Заводы

В мире всего четыре компании, способные производить продвинутые микросхемы топового уровня: Samsung, GlobalFoundries, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Intel.

В других странах производство микроэлектроники отстаёт от лидеров на годы или десятилетия. Причина в том, что строительство современного завода — дорогостоящее мероприятие (около $10-12 млрд), а прогресс идёт так быстро, что этот завод устареет через несколько лет. Поэтому позволить себе такие инвестиции могут только компании с прибылью в десятки миллиардов долларов в год.

Кто получает такую прибыль? Тот, кто продаёт товаров на сотни миллиардов долларов. Это мировой лидер в производстве смартфонов и оперативной памяти Samsung, а также мировой лидер в производстве десктопных и серверных процессоров Intel. Ещё две компании GlobalFoundries и TSMC работают по контрактам в секторе B2B.

Столь высокая стоимость современного завода микроэлектроники объясняется высокой стоимостью оборудования, которая обусловлена чрезвычайной сложностью процесса.

Бор и фосфор

В кристалле кремния у каждого атома по 4 электрона — и каждая из четырёх сторон образует связь с соседним атомом в квадратной кристаллической решётке. Свободных электронов нет. Значит, кристалл не проводит электрический ток при комнатной температуре.

Чтобы запустить свободные электроны, нужно заменить некоторые атомы кремния на атомы других элементов с 3 или 5 электронами на внешней орбите. Для этого идеально подходят соседние с кремнием элементы по таблице Менделеева — бор (3 электрона) и фосфор (5). Их подмешивают к кремнию, и эти атомы встают в его кристаллическую решётку. Но в ней только четыре связи. Соответственно, или одной связи не хватает, или освобождается свободный электрон. Заряд такого атома + или −. Так бор и фосфор в решётке кремния создают два слоя полупроводников с зарядами противоположного знака. «Дырочный» слой p- (positive) с бором и недостающим электроном — сток. А «электронный» слой n- (negative) с фосфором и лишними электронами — исток. Они покрыты изолятором из оксида кремния.


Конструкция полевого транзистора MOSFET с управляющим p-n-переходом

Транзистор — минимальный элемент и основной компонент интегральной схемы. В зависимости от напряжения в затворе из поликристаллического кремния ток или потечёт с истока, или нет. Это соответствует логическому 0 и 1.

Вот как выглядит p-n-переход в транзисторе на атомарном уровне при изменении напряжения в затворе:

Из таких транзисторов состоят все логические элементы, а из них инженеры составляют конструкцию микропроцессора.

Микроархитектура

Современные микросхемы состоят из миллиардов транзисторов, соединённых в сложные конструкции: ячейки памяти, микроконтроллеры, криптографические модули и так далее. Все они располагаются на микросхеме в соответствии с планом инженера-микросхемотехника.


AMD Athlon XP 3000+ из каталога siliconpr0n

Инженеры используют специальное ПО для проектирования микросхем. Таких программ огромное множество, в том числе и бесплатных, среди них нет единого стандарта.

В этом ПО выполняется симуляция электрических и физических свойств микросхемы и отдельных цепей, а также тестируется их функциональность.

Проектированием занимаются целые отделы из сотен инженеров, ведь на современных микросхемах огромное количество элементов. У процессоров производства TSMC (AMD) по 7-нм техпроцессу 113,9 млн транзисторов на мм². Intel поставила амбициозную цель достичь плотности 100 млн транзисторов на мм² уже на техпроцессе 10 нм, почти как 7 нм у TSMC. Цель оказалась слишком амбициозной — с этим и связана позорная задержка с внедрением 10 нм.

Все слои микросхемы объединяются в итоговый проект — blueprint, который по электронной почте отправляют на завод в Китае или Тайване.

Фотодело

Из полученных файлов на заводе делают фотомаски — шаблоны для печати микросхем. Они похожи на плёночные негативы, из которых на фотоувеличителе печатаются фотографии. Но если в фотографии эта техника осталась в прошлом, то в производстве микроэлектроники она сохранилась до сих пор.


Фотомаска

Вот как выглядит современный «фотоувеличитель», а именно, степпер компании ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV).


Иллюстрация: ASML

Машина весом 180 тонн размером с автобус продаётся по цене около $170 млн. Это самое сложное и дорогое оборудование на современном заводе микроэлектроники. Компоненты для такого степпера производят около 5000 поставщиков со всего мира: линзы Carl Zeiss (Германия), роботизированные манипуляторы VDL (Нидерланды), лазеры Cymer (США, куплена ASML в 2013 году).

Фиолетовым цветом показан маршрут световых импульсов от источника к прибору подсветки, затем к фотомаске с топологией кристалла — и через проекционную оптику на кремниевую пластину.

Читайте также:  Как рассчитать массовую долю оксида олова

Пластины из монокристаллического кремния, полученного на первом этапе нашего процесса, помещаются в этот степпер, и здесь засвечиваются через фотомаску, распечатанную из файлов с проектного бюро. Это завершение всего технологического цикла.


Засветка кремниевой пластины

Засветка пластины лазером EUV — тоже весьма нетривиальный процесс. Вот описание и видео из журнала IEEE Spectrum: «Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 тыс. капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину». Для 7-нм процессоров используется литография в экстремальном ультрафиолете с длиной волны 13,5 нм.

Настоящая фантастика. Неудивительно, что степпер для EUV по самому современному техпроцессу в мире умеет делать только одна голландская компания ASML, которая сейчас является фактически монополистом в этой нише.

Засветка пластины — не единственный шаг на производстве. Перед степпером пластины нагревают до 1000 °С и окисляют поверхность, чтобы сформировать непроводящий слой из диоксида кремния SiO2. Потом на этом слое диэлектрика равномерно распределяют фоточувствительный материал — фоторезист. И только потом помещают в степпер.


Засветка фоторезиста на кремниевой пластине в степпере

На засвеченных участках пластины обнажается слой SiO2, всё остальное защищено фоторезистом. Теперь наступает этап плазменного вытравливания (plasma etching), где с засвеченных участков снимается слой SiO2, создавая углубления. Вытравленные участки снова окисляют. Поверх SiO2 наносят электропроводящий слой поликристаллического кремния. Потом снова покрывают фоторезистом — и цикл повторяется несколько раз, создавая новые углубления уже во втором слое, затем в третьем, потом пластина покрывается слоем металла — и цикл повторяется. В итоге формируются те самые структуры полевых транзисторов с p-n переходом. Цикл повторяется многократно, пока не будет создана полная структура интегральной микросхемы со всеми необходимыми элементами.


Несколько циклов нанесения разных материалов (фоторезист, поликристаллический кремний, диоксид кремния, металл), засветки и плазменного вытравливания создают многослойную структуру транзистора

В зависимости от техпроцесса, размер минимальных элементов в этих структурах может быть 14 нм, 10 нм, 7 нм, 5 нм или меньше, но это весьма условная разница, которая не совсем отражает реальность. Например, на фотографиях под микроскопом ниже можно сравнить размер транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (техпроцесс 14 нм+++) и TSMC (7 нм). У первого ширина затвора 24 нм, у второго 22 нм, высота одинаковая.


Сравнение транзисторов в кэше L2 процессоров Intel (14 нм+++) и TSMC (7 нм), сканирующий электронный микроскоп. Источник

По размеру они практически не отличаются, хотя TSMC плотнее размещает эти транзисторы на микросхеме.

В зависимости от размера, на одной пластине помещается от нескольких десятков до нескольких тысяч микросхем.


Микросхемы на кремниевой пластине

Пластины с готовым продуктом проверяют, а затем осуществляется сборка — упаковка чипов в корпуса, подключение контактов. Сборка полностью автоматизирована.


Сборка микросхем

Потом чипы снова тестируют — и если всё удачно, то отправляют клиенту. Через несколько месяцев процессор уже вовсю работает в сервере или на домашнем компьютере, или в телефоне счастливого покупателя.

Мур не сдаётся. Intel тоже

Утратившая технологическое лидерство компания Intel в реальности не испытывает недостатка в денежных средствах. На самом деле совсем наоборот, компания сейчас показывает рекордные прибыли. И она намерена серьёзно инвестировать в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Благодаря партнёрству с ASML и EUV-литографии Intel планирует вернуться к прежним темпам выпуска новых поколений CPU раз в 2 года, начав с 7-нм техпроцесса в конце 2021 года и дойдя до 1,4-нм технологии в 2029 году.


Слайд из презентации Intel, показанный в выступлении представителя ASML в декабре 2019 года, источник

Если планы реализуются, то Intel сохранит действие закона Мура и догонит AMD/TSMC. В 90-е годы тоже были моменты, когда AMD выпускала более производительные процессоры. После тупика с Pentium 4 ответом стало новое ядро Core — и лидерство Intel на протяжении десятилетий. Впрочем, это было довольно скучное время. Для рынка гораздо полезнее, когда происходит жёсткая «заруба» между конкурентами, как сейчас, в 2021 году.

На правах рекламы

Наша компания предлагает в аренду серверы с процессорами от Intel и AMD. В последнем случае — это эпичные серверы! VDS с AMD EPYC, частота ядра CPU до 3.4 GHz. Создайте собственный тарифный план в пару кликов, максимальная конфигурация — 128 ядер CPU, 512 ГБ RAM, 4000 ГБ NVMe.

Источник

Выращивание кристаллов металлов

Часть 1. Общая информация о кристаллах металлов

1.1. Металлические кристаллы в природе

1.2. Методы выращивания металлических кристаллов

Часть2. Получение металлических кристаллов реакцией замещения и исследование с помощью цифрового микроскопа

2.1. Получение ДЕНДРИТОВ свинца

Опыт 1. Получение кристаллов свинца реакцией ацетата свинца с железом

Опыт 2. Получение кристаллов свинца реакцией нитрата свинца с железом

Опыт 3. Выращивание кристаллов свинца на предметном стекле

2.2. получениЕ дендритов никеля

Опыт 4. Получение дендритов никеля реакцией сульфата никеля (II) c цинком

Опыт 5. Получение кристаллов никеля под микроскопом

2.3. Получение дендритов меди

Опыт 6. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (1)

Опыт 7. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (2)

Опыт 8. Выращивание кристаллов меди под микроскопом.

Опыт 9. Выращивание кристаллов меди из смеси солей.

Опыт 10. Выращивание кристаллов меди на предметном стекле

реакцией хлорида меди (II) с цинком.

2.4. Получение ДЕНДРИТОВ серебра

Опыт 11. Взаимодействие нитрата серебра с железом

Опыт 12. Взаимодействие нитрата серебра с цинком

Металлические кристаллы, как правило, образуют дендриты, имеющие древовидную форму. Для образования дендритов необходимо, чтобы кристаллы металлов прорастали между кристаллами другого вещества, в нашем случае это будет соль и волокна фильтровальной бумаги, в природе их роль играет кварц.

Я вырастил кристаллы меди и свинца. Для их выращивания я использовал реакцию замещения. Этот метод основан на том, металл с более высокими восстановительными свойствами – железо или цинк, вытесняет из растворов солей металл менее активный.

Выращивание и изучение металлических кристаллов проводилось в школьной естественнонаучной лаборатории, оборудованной цифровыми микроскопами «Альтами». С помощью цифрового микроскопа я не только получил изображения кристаллов, но и наблюдал их рост в динамике.

Читайте также:  Что тверже олово или медь

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: получить кристаллы металлов реакцией замещения и исследовать некоторые факторы, влияющие на рост металлических кристаллов.

    ознакомиться со способами получения металлических кристаллов; провести опыты по выращиванию кристаллов меди, свинца, серебра реакцией замещения; исследовать кристаллы металлов и процесс их роста под микроскопом; исследовать влияние на рост металлических кристаллов следующих факторов – растворимости солей, расположения металла-восстановителя в электрохимическом ряду напряжений, количество соли-ингибитора, расположения ингредиентов в кристаллизаторе.

Общая информация о металлических кристаллах

1.1. Металлические кристаллы в природе

Никого не удивишь тем, что в природе есть кристаллы горного хрусталя, берилла (изумруд, аквамарин и др.), корунда (сапфиры, рубины) или алмаза. Но мало кто знает, что в природе есть кристаллы самородных металлов или самородки. Как правило, они имеют особую ветвистую форму – форму дендритов. Дендриты также встречаются и у некоторых минералов, например барита, малахита, кальцита, арагонита, окислов марганца (пиролюзит), лимонита, гетита, пирита, галенита, а также ими являются ледяные узоры и снежинки.[6] Для образования столь необычной формы необходимо, чтобы кристаллы одного вещества прорастали между частицами другого вещества, чаще всего кварца. Именно поэтому белый кварц с микроскопическими чешуйками золота или серебра является вернейшим спутником самородков своего элемента, что крайне важно для геологов. Средой для меди обычно служат обычно её силикаты или карбонаты, а также кварциты.

В природе встречаются самородки: серебра, золота, платины, меди, свинца, цинка, хрома, висмута, мышьяка, теллура, сурьмы, осмий, иридий (все образуют дендриты), ртути [1]. Также встречаются самородки железа и никеля, метеоритного происхождения. Самородки могут иметь различную массу так, например самородок платины «Уральский Гигант» весит 7кг 860г, самородок золота «Плита Холтермана» весит 93.3 кг, а самородок серебра из Саксонии весил более 20 тонн. [2].

Фото 1. Самородная медь (дендриты)

Источник: http://geo. web. ru/druza/m-novmirK_98.htm

Фото2. Самородное серебро (дендриты)

Источник: http://commons. wikimedia. org/wiki/File:Silber_mineral_erz. jpg? uselang=ru

Фото 3. Самородное золото (дендриты, Якутия)

Источник: http://www. fmm. ru/specimens/gold/33434c1.htm

1.2. Методы выращивания кристаллов

В промышленности получение чистых металлических кристаллов осуществляется методами зонной плавки, или иодидного рафинирования. Также можно получать кристаллы из переохлаждённых расплавов. В школьной лаборатории кристаллы можно получать реакцией замещения.

Иодидное рафинирование основано на получении иодидов металлов. При нагревании иодиды металлов превращаются в газ. Затем на пути у газа оказывается накалённая проволока, обычно из того металла который нужно получить, и под действием высоких температур иодиды металлов разлагаются, а металл осаждается на проволоку.[3,9] В результате образуются абсолютно чистые кристаллы, но обычно дендриты. Этот способ является разновидностью газотранспортных реакций, в которых могут браться любые галогены, углекислый газ, вода, кислород, водород или углеводороды. [7]

Зонная плавка основана на том, что примеси, как правило, лучше растворяются в расплаве. Поэтому на металлическом стержне делают несколько зон, в которых металл расплавлен и медленно их перемещают по стержню. В то время расплав обогащается примесями, а металл становится чистым, и имеет кристаллическую структуру.[8]

Выращивание кристаллов из переохлажденных расплавов основано на том, что если в расплав металла при температуре, ниже температуры его плавления, кинуть затравку (маленький кусочек металла) и резко её достать, то он превратится в кристалл или несколько кристаллов этого металла. Лучше всего этот опыт проводить с металлами, стоящими в таблице Менделеева между полуметаллами и переходными металлами. Среди них наиболее легкоплавкие: алюминий, галлий, индий, олово, талий, свинец и висмут.[10]

Выращивание кристаллов методом реакции замещения – самый простой метод. Он основан на том, что металл с более высокими восстановительными свойствами – железо или цинк ­ вытесняет из растворов солей металл менее активный.

Получение металлических кристаллов реакцией замещения и исследование с помощью цифрового микроскопа

Для получения металлических кристаллов реакцией замещения я использовал два способа.

Первый способ. В кристаллизатор или чашку Петри насыпал хлорид натрия, а сверху соль металла (в отношении близком к 4:1). Для проведения опытов я использовал следующие соли – сульфат меди (II), нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II). В опыте №3 и №4 менял местами поваренную соль и соль металла. На соль помещал круг из фильтровальной бумаги, а на фильтр очищенные наждачной бумагой железные гвозди или пластины. Заливал всё это насыщенным раствором поваренной соли. Соль служит ингибитором роста кристаллов, ведь очень важно, чтобы кристалл рос медленно, в противном случае образуются губчатые наросты. Причём, как показали опыты, очень важно, чтоб ингибитор имел ионную связь. Попытки заменить соль сахаром были безуспешны.

Результаты опыта хорошо видны через сутки. Далее препаровальной иглой захватывал кристаллы и изучал их под цифровым микроскопом.

Второй способ. Опыты проводились прямо на предметном стекле. На стекло помещал восстановитель – железо или цинк. Из пипетки капал на восстановитель раствор соли металла. Я использовал растворы следующих солей – хлорид меди (II), сульфат меди (II), нитрат свинца (II) и ацетат свинца (II), нитрат серебра. Рост кристаллов наблюдал непосредственно под цифровым микроскопом.

Кристаллы металлов, полученные во всех опытах, имели форму дендритов. Дендриты – кристаллы, имеющие форму схожую с ветвями деревьев (от греческого дЭндспн — дерево).

2.1. Получение Дендритов свинца

Опыт 1. Получение дендритов свинца реакцией ацетата свинца с железом

Pb(CH3COO)2 + Fe = (CH3COO)2Fe + Pb

Результаты опыта: образовались мелкие дендриты, отходящие от головок гвоздей, имели тёмно серый, почти чёрный цвет. К сожалению, свинец очень мягкий металл, из-за чего не получилось снять дендриты с фильтра, между волокнами которого они росли.

Раствор соли залит 20.11.13. в 14:45, кристаллы изъяты 21.11.13 в 13:10, тогда же и были сделаны фотографии.

Фото 1. Свинец (дендриты)

Опыт 2. Получение дендритов свинца реакцией нитрата свинца с железом

Pb (NO3)2 + Fe = Fe(NO3)2 + Pb

Результаты опыта: дендриты получились лучше и правильнее чем в ходе первого опыта. Дендриты тёмно-серые, приросшие к фильтровальной бумаге. Нитрат железа прозрачный и лучше растворимый в воде, из-за чего кристаллы были видны лучше.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:50, кристаллы изъяты 21.11.13 в13.00, тогда же и были сделаны фотографии.

Фото 2. Свинец (дендриты)

Опыт 3. Выращивание кристаллов свинца на предметном стекле под микроскопом реакцией ацетата свинца с цинком

Pb(CH3COO)2 + Zn = (CH3COO)2Zn + Pb

Для опытов я использовал раствор ацетата свинца, в который помещал цинковую гранулу.

Образовывались красивые, напоминающие узоры на стекле, перья или ветви ели, кристаллы. Реакция проходила прямо на глазах, мне даже удалось снять видео.

Опыты проведёны 09.01.14 г. в 11-12 часов.

2.2. Опыты по получению дендритов никеля

Опыт 4. Получение дендритов никеля реакцией сульфата никеля (II) c цинком

Описание: опыт не удался, предположительно из-за гидролиза сульфата никеля.

Читайте также:  Металлический блеск олова химия

Результаты опыта: дендритов не наблюдалось, цинковые зёрна попросту покрылись тончайшим слоем никеля.

Опыт 5. Получение кристаллов никеля под микроскопом

На предметное стекло наносил раствор сульфата никеля, как с хлоридом натрия, так и без, и погружал в него цинковую гранулу.

Опыт не удался, кристаллов не обнаружено. Единственное, что наблюдалось это выделение большого количества пузырьков, предположительно водорода.

Время проведения опыта 09.01.14 г. в 11.30.

Фото 4. Пузырьки водорода на поверхности цинка

2.3. Опыты по получению дендритов меди

Опыт 6. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (1)

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

Целью опыта №6 и №7 было изучение влияния расположения солей на рост дендритов. В опыте №6 медный купорос находился в нижнем слое на дне кристаллизатора, а сверху – хлорид натрия.

Результаты опыта. В основном образовались губчатые и ватообразные наросты на гвоздях. Лишь под фильтром и по краям чашки образовались правильные перьеобразные дендриты. Однако на второй день гвозди были усыпаны перьеобразными кристаллами меди, однако под фильтром они стали ещё больше.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:45, часть образцов была изъята 21.11.13, а другие 22.11.13.

Фото 5. Медь (дендриты)

Опыт 7. Получение дендритов меди реакцией сульфата меди (II) с железом (2)

CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu

В этом опыте в отличие от предыдущего хлорид натрия находился на дне кристаллизатора, а медный купорос сверху.

Результаты опыта. Кристаллы образовались в первый же день и имели красивую перьеобразную форму. На второй день они лишь увеличили свои размеры, также стали появляться кристаллы другой формы, напоминающей листья папоротника. Опыт показывает, что расположение ингредиентов очень важно для образования кристаллов, и значительно влияет на их форму.

Раствор соли залит 20.11.13 в 14:45, част образцов была изъята 21.11.13, а другие 22.11.13.

Фото 6. Медь (дендриты)

Опыт 8. Выращивание кристаллов меди под микроскопом

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu

На предметное стекло поместил гранулу цинка и кристаллы поваренной соли и добавил раствор медного купороса. Дендриты меди проросли между кристаллами поваренной соли.

Опыт проведен 09.01.14 в 12.00.

Фото 7. Медь (дендриты)

Опыт 9. Выращивание кристаллов меди из смеси солей

CuSO4 + Zn = ZnSO4 + Cu

CuCl2 + Zn = ZnCl2 + Cu

Медный купорос, поваренную соль и хлорида меди (II) смешал в равных соотношениях и растворил в воде. В полученный раствор поместил гранулу цинка.

В результате выросли длинные раскидистые дендриты, наиболее схожие с природными дендритами.

Фото 8. Медь (дендриты)

Опыт 10. Выращивание кристаллов меди на предметном стекле реакцией хлорида меди (II) с цинком.

Уравнение реакции: CuCl2 + Zn = ZnCl2 + Cu

Результаты опыта. Раствор хлорида меди и цинк, дали замечательные результаты – получились красивые дендриты, отличающиеся сильной удлинённостью и разбросанностью. Дендриты состояли из щетинок мелких кристаллов меди.

Фото 9. Медь (дендриты)

Фото 10. Медь (дендриты)

2.4. Выращивание кристаллов серебра

Опыт 11. Взаимодействие нитрата серебра с железом

2AgNO3+Fe = Fe(NO3)2 + 2Ag

На предметное стекло помещал железную стружку и на неё капал раствор нитрата серебра. Серебро выпало в осадок, образовав множество блёсток, которые засохнув, стали похожи на поверхность зеркала.

Фото 11. Серебро

Опыт 12. Взаимодействие нитрата серебра с цинком

2AgNO3+Fe = Fe(NO3)2 + 2Ag

На предметное стекло помещал цинковую гранулу и на неё капал раствор нитрата серебра. В результате получились очень красивые дендриты серебра, длинные, игольчатые. Интересно, что реакция проходит моментально, дендриты выросли менее чем за минуту.

Фото 12. Серебро(дендриты)

Фото 13. Серебро (дендриты)

Таким образом, проведенные опыты показали, что форма, размеры и скорость роста дендритов металлов зависят от условий проведения реакции замещения:

    от растворимости солей: чем больше растворимость соли, тем более правильную имеют дендриты. от количества соли-ингибитора: Чем больше содержание соли-ингибитора, тем более правильную форму имеют дендриты меди; со свинцом – всё наоборот. от расположения реактивов в чашке для выращивания кристаллов: если поваренная соль находилась под солью металла, дендриты получались более крупные и более правильной формы. от расположения восстановителя в электрохимическом ряду напряжений металлов: чем левее находится металл — восстановитель, тем выше скорость роста дендритов. Быстрее всего дендриты вырастали, если в качестве восстановителя я использовал цинк.

Таким образом, все поставленные задачи были выполнены. Был установлен целый ряд факторов, влияющих на форму и размеры кристаллов. Это достаточно важно для геологов, так как я объяснил возможные способы формирования самородков в природе путём реакции замещения. Также я смог показать наглядно, как именно образуются дендриты, а значит объяснить, как они могли бы образоваться в природе.

Также форма кристаллов может указывать геологам условия, в которых он сформировался. По форме кристалла можно предсказать минералы, образующие месторождения некоторых минералов. Так, скорее всего, присутствие тонких, раскидистых дендритов со щетинками, подобно тем, которые мы наблюдали в опыте 10, могут являться спутниками минералов диаболеита, бандилита, эрнохальцита и атакамита, которые являются хлоридами меди. К сожалению это всего лишь предположение, не подкреплённое доказательствами, да и к тому же эти минералы крайне редкие. Самородный свинец ещё более редкое явление и, если наблюдаются дендриты, то, скорее всего они росли среди соленого раствора или расплава. А если кристаллы имеют правильную форму и бороздки, то, скорее всего, рос в среде без соли, методом схожим с газотранспортным синтезом. Эти предположения также исходят из теории о том, что природа и механизмы образования дендритов в природе схожи с теми, которые мы наблюдали в школьной лаборатории.

Дендриты меди достаточно красивы и могут использоваться как сувениры[5]. На практике это известно давным-давно, правда используются природные дендриты, и, к сожалению, они достаточно дорогие и не каждому по карману. Но если ускорить процесс роста дендритов, то их можно производить в больших количествах гораздо дешевле. Стоит опробовать ряд опытов с песком, хлоридами и нитратами меди, повысить температуру с 15 градусов до 50-100, пробовать повысить давление. Если скорость роста кристаллов меди будет такой же, какой я наблюдал в лаборатории, то, чтобы достигнуть природных аналогов им понадобится несколько месяцев.

[1] Самородные элементы. Материал из Википедии. http://ru. wikipedia. org/wiki/Самородные_элементы

[2] Интересные факты о металлах
http://itaught. pilipok. ru/node/178

[3] , . Образование и рост дендритов свинца в PbF2 при протекании постоянного электрического тока.

http://www. jetpletters. ac. ru/ps/291/article_4703.pdf

http://www. zircon81.narod. ru/Metodica. html

[6] Дендрит. Материал из википедии

http://ru. wikipedia. org/wiki/Дендрит_(кристалл)

[7] . Возможности иодотранспорта для синтеза порошков.

http://borey-i. narod. ru/Lit/l16.rus. pdf

[8] , . Чистые химические вещества. Зонная плавка.

http://alhimik. ru/kunst/react06.html

[9] Иодидное рафинирование титана.

[10] Теоретические основы металлургического производства. Переохлаждение металла.

Источник

Adblock
detector