La solución de piraña , también conocida como grabado de piraña , es una mezcla de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 ), agua y peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), que se utiliza para limpiar los residuos orgánicos de los sustratos. Debido a que la mezcla es un agente oxidante fuerte , eliminará la mayor parte de la materia orgánica y también hidroxilará la mayoría de las superficies (agregará grupos OH), haciéndolas altamente hidrófilas (compatibles con el agua). Esto significa que la solución puede disolver fácilmente la tela y la piel causando quemaduras químicas graves. en el proceso.
Preparación y uso
Se usan comúnmente muchas proporciones de mezcla diferentes, y todas se llaman pirañas. Una mezcla típica es de 3 partes de ácido sulfúrico concentrado y 1 parte de una solución de peróxido de hidrógeno al 30%; otros protocolos pueden usar una mezcla de 4: 1 o incluso 7: 1. Una mezcla estrechamente relacionada, a veces llamada "piraña base", es una mezcla 3: 1 de agua amoniacal con peróxido de hidrógeno.
La solución de piraña debe prepararse con mucho cuidado. Es altamente corrosivo y un oxidante extremadamente poderoso. Las superficies deben estar razonablemente limpias y completamente libres de solventes orgánicos de los pasos de lavado anteriores antes de entrar en contacto con la solución. La solución de piraña limpia al disolver los contaminantes orgánicos, y una gran cantidad de contaminantes provocará un burbujeo violento y una liberación de gas que puede provocar una explosión. [1]
La solución de piraña siempre debe prepararse agregando peróxido de hidrógeno al ácido sulfúrico lentamente, nunca al revés. [2] [3] La mezcla de la solución es extremadamente exotérmica . Si la solución se prepara rápidamente, hervirá instantáneamente, liberando grandes cantidades de humos corrosivos. Incluso cuando se hace con cuidado, el calor resultante puede hacer que la temperatura de la solución supere los 100 ° C. Debe dejarse enfriar razonablemente antes de su uso. El aumento repentino de la temperatura también puede provocar una ebullición violenta de la solución extremadamente ácida. Las soluciones elaboradas con peróxido de hidrógeno en concentraciones superiores al 50% pueden provocar una explosión. [ cita requerida ] Las mezclas de peróxido de ácido 1: 1 también crearán un riesgo de explosión incluso cuando se usa peróxido de hidrógeno común al 30%. [4]
Una vez que la mezcla se ha estabilizado, se puede calentar más para mantener su reactividad. [5] La solución caliente (a menudo burbujeante) limpia los compuestos orgánicos de los sustratos y oxida o hidroxila la mayoría de las superficies metálicas . La limpieza generalmente requiere de 10 a 40 minutos, después de los cuales se pueden eliminar los sustratos de la solución.
La solución puede mezclarse antes de la aplicación o aplicarse directamente al material, aplicando primero el ácido sulfúrico y luego el peróxido. Debido a la autodescomposición del peróxido de hidrógeno, la solución de piraña debe usarse recién preparada. La solución no debe almacenarse, ya que genera gas y, por lo tanto, no se puede guardar en un recipiente cerrado. [2] Como la solución reacciona violentamente con muchos elementos que comúnmente se desechan como desechos químicos si la solución no se ha neutralizado, debe dejarse en recipientes claramente marcados.
Aplicaciones
La solución de piraña se utiliza con frecuencia en la industria de la microelectrónica , por ejemplo, para limpiar residuos de fotorresistencia de obleas de silicio .
Aunque existen opciones más seguras y económicas, la solución se puede utilizar para grabar placas de circuito caseras. Se aplica una máscara a una placa de cobre en blanco y la solución de piraña elimina rápidamente el cobre expuesto que no está cubierto por la máscara. [6]
En el laboratorio, esta solución se usa a veces para limpiar cristalería , aunque está desaconsejada en muchas instituciones y no debe usarse de forma rutinaria debido a sus peligros. [7] A diferencia de las soluciones de ácido crómico , la piraña no contamina la cristalería con iones de metales pesados.
La solución de piraña es particularmente útil para limpiar cristalería sinterizada (o "fritada") . El tamaño de los poros de la cristalería sinterizada es fundamental para su función, por lo que no se debe limpiar con bases fuertes, que disuelven gradualmente el sinterizado. El vidrio sinterizado también tiende a capturar material en las profundidades de la estructura, lo que dificulta su extracción. Cuando fallan los métodos de limpieza menos agresivos, se puede utilizar una solución piraña para devolver el sinterizado a una forma blanca impecable y fluida sin dañar excesivamente las dimensiones de los poros. Esto generalmente se logra permitiendo que la solución se filtre hacia atrás a través del vidrio sinterizado. Aunque limpiar la cristalería sinterizada la dejará lo más limpia posible sin dañar la cristalería, no se recomienda debido al riesgo de explosión. [8]
La solución de piraña se usa para hacer que el vidrio sea hidrófilo al hidroxilar la superficie, aumentando así el número de grupos silanol en la superficie. [9]
Mecanismo
La eficacia de la solución de pirañas para eliminar los residuos orgánicos se debe a dos procesos distintos que operan a ritmos notablemente diferentes. El primer proceso y más rápido es la eliminación de hidrógeno y oxígeno como unidades de agua por el ácido sulfúrico concentrado. Esto ocurre porque la hidratación del ácido sulfúrico concentrado es termodinámicamente muy favorable, con un ΔH de -880 k J / mol . Es esta propiedad de deshidratación rápida, más que la acidez en sí misma, lo que hace que el ácido sulfúrico concentrado y, por lo tanto, la solución de piraña, sea muy peligrosa de manejar.
- H 2 SO 4 + H 2 O 2 → H 2 SO 5 ( ácido de Caro ) + H 2 O
El proceso de deshidratación se manifiesta como la rápida carbonización de materiales orgánicos comunes, especialmente carbohidratos , cuando se sumergen en una solución de pirañas. La solución de piraña fue nombrada en parte por el vigor de este primer proceso, ya que grandes cantidades de residuos orgánicos sumergidos en la solución se deshidratan tan violentamente que el proceso se asemeja a un frenesí de alimentación de pirañas . El segundo y más definitivo fundamento del nombre, sin embargo, es la capacidad de la solución de piraña para "comer cualquier cosa", en particular, carbono elemental en forma de hollín o carbón .
Este segundo y mucho más interesante proceso puede entenderse como la conversión potenciada con ácido sulfúrico de peróxido de hidrógeno de un agente oxidante relativamente suave en uno suficientemente agresivo para disolver carbono elemental, un material que es notoriamente resistente a reacciones acuosas a temperatura ambiente. Esta transformación puede verse como la deshidratación energéticamente favorable del peróxido de hidrógeno para formar iones hidronio , iones bisulfato y, de forma transitoria, oxígeno atómico : [10]
- H 2 SO 4 + H 2 O 2 → H 3 O + + HSO 4 - + O
Es esta especie de oxígeno atómico extremadamente reactiva la que permite que la solución de piraña disuelva el carbono elemental. Los alótropos de carbono son difíciles de atacar químicamente debido a los enlaces híbridos altamente estables y típicamente similares al grafito que los átomos de carbono de la superficie tienden a formar entre sí. La ruta más probable por la cual la solución interrumpe estos enlaces superficiales carbono-carbono estables es que un oxígeno atómico se adhiera primero directamente a un carbono superficial para formar un grupo carbonilo :
En el proceso anterior, el átomo de oxígeno en efecto "roba" un par de enlaces de electrones del carbono central, formando el grupo carbonilo y al mismo tiempo rompiendo los enlaces del átomo de carbono objetivo con uno o más de sus vecinos. El resultado es un efecto en cascada en el que una sola reacción de oxígeno atómico inicia un "desenredado" significativo de la estructura de enlace local, lo que a su vez permite que una amplia gama de reacciones acuosas afecten átomos de carbono previamente impermeables. Una mayor oxidación, por ejemplo, puede convertir el grupo carbonilo inicial en dióxido de carbono y crear un nuevo grupo carbonilo en el carbono vecino cuyos enlaces se rompieron:
El carbono eliminado por la solución de piraña puede ser residuos originales o carbón de la etapa de deshidratación. El proceso de oxidación es más lento que el proceso de deshidratación y se lleva a cabo durante un período de minutos. La oxidación del carbono se manifiesta como una eliminación gradual del hollín en suspensión y el carbón carbonizado que dejó el proceso de deshidratación inicial. Con el tiempo, las soluciones de pirañas en las que se han sumergido materiales orgánicos normalmente volverán a tener una claridad total, sin que queden rastros visibles de los materiales orgánicos originales.
Una contribución menor final a la limpieza de la solución piraña es su alta acidez, que disuelve depósitos como óxidos metálicos y carbonatos . Sin embargo, dado que es más seguro y más fácil eliminar dichos depósitos utilizando ácidos más suaves, la solución se usa más típicamente en situaciones donde la alta acidez facilita la limpieza en lugar de complicarla. Para sustratos con baja tolerancia a la acidez, se prefiere una solución alcalina que consta de hidróxido de amonio y peróxido de hidrógeno, conocida como base piraña.
Seguridad y eliminación
La solución de piraña es muy peligrosa, ya que es fuertemente ácida y un oxidante fuerte. La solución que ya no se usa nunca debe dejarse desatendida si está caliente. No debe almacenarse en un recipiente cerrado. La solución de piraña no debe desecharse con disolventes orgánicos (por ejemplo, en bombonas de disolventes de desecho ), ya que esto provocará una reacción violenta y una explosión sustancial, y cualquier contenedor de desechos que contenga incluso una solución de piraña débil o agotada debe etiquetarse adecuadamente para evitar esto. [2]
Se debe dejar que la solución se enfríe y se debe permitir que el oxígeno gaseoso se disipe antes de desecharlo. Al limpiar cristalería, es prudente y práctico dejar que la solución de pirañas reaccione durante la noche. Esto permite que la solución gastada se degrade antes de su eliminación y es especialmente importante si se utilizó una gran parte de peróxido en la preparación. Si bien algunas instituciones creen que la solución de piraña usada debe recolectarse como residuo peligroso, otras creen que se puede neutralizar y verter por el desagüe con grandes cantidades de agua. [2] [11] [12] Una neutralización inadecuada puede causar una descomposición rápida, que libera oxígeno puro.
Un procedimiento para la neutralización implica verter la solución en un recipiente de vidrio lleno con al menos cinco veces la masa de hielo de la solución, luego agregar lentamente hidróxido de sodio o potasio hasta que se neutralice. Si no hay hielo disponible, la solución de piraña se puede agregar muy lentamente a una solución saturada de bicarbonato de sodio en un recipiente de vidrio grande, con una gran cantidad de bicarbonato sin disolver en el fondo que se renueva si se agota. No se prefiere el método del bicarbonato ya que puede rebosar de espuma si la adición no es lo suficientemente lenta y sin enfriar la solución se calienta mucho. [13]
Ver también
- Agua regia
- Reactivo de Fenton
- Ácido peroxidisulfúrico
- Ácido peroximonosulfúrico o ácido de Caro
- RCA limpio
- Superhidrofilicidad
- Ultrahidrofobicidad
Referencias
- ^ "Piraña" . Universidad de Pensilvania . Archivado desde el original el 18 de julio de 2010 . Consultado el 4 de mayo de 2011 .
- ^ a b c d "Sección 10: Información química específica - Soluciones pirañas" . Manual de seguridad de laboratorio . Universidad de Princeton .
- ^ "Procedimiento operativo estándar para soluciones Piranha - MIT" (DOC) . Consultado el 12 de mayo de 2016 .
- ^ Guía de protección contra incendios de materiales peligrosos (14ª ed.). Quincy, Mass: Asociación Nacional de Protección contra Incendios. 2010. p. 491-499. ISBN 9781616650414.
- ^ "Procedimiento de manipulación y uso de la solución Acid Piranha" (PDF) . Universidad de Cambridge . Archivado desde el original (PDF) el 15 de junio de 2015 . Consultado el 12 de junio de 2015 .
- ^ "Grabado de PCB con H2SO4 + H2O2 - YouTube" .
- ^ "16. Procedimientos de laboratorio" . Preguntas frecuentes de Sci.chem . Consultado el 11 de enero de 2008 .
- ^ "Explosiones de solución Pirahana" . La zona de seguridad de C&EN .
- ^ KJ Seu; AP Pandey; F. Haque; EA Proctor; AE Ribbe; JS Hovis (2007). "Efecto del tratamiento de superficie sobre la difusión y la formación de dominios en bicapas lipídicas soportadas" . Revista biofísica . 92 (7): 2445–2450. Código Bib : 2007BpJ .... 92.2445S . doi : 10.1529 / biophysj.106.099721 . PMC 1864818 . PMID 17218468 .
- ^ Koh, Kai-Seng; Chin, Jitkai; Chia, Joanna; Chiang, Choon-Lai (4 de mayo de 2012). "Estudios cuantitativos sobre la vinculación de la interfaz PDMS-PDMS con la solución Piranha y su efecto de hinchamiento" . Micromáquinas . 3 (2): 427–441. doi : 10.3390 / mi3020427 . Consultado el 10 de mayo de 2021 .
- ^ "Hoja de datos de desechos de pirañas, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign" (PDF) .
- ^ "Política de uso de la solución Pirana, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign" (PDF) .
- ^ "- División de seguridad de la investigación | Illinois" . drs.illinois.edu . Consultado el 8 de noviembre de 2020 .
enlaces externos
- Cómo hacer Piranha Solution en YouTube (responsablemente)
- La solución de piraña disuelve el corazón de pollo en YouTube (demostrable)
- Cómo realizar un grabado real en cobre chapado H2SO4 + H2O2 + Cu en YouTube (demostrable)