Розподіл електричного поля і контактні явища в широкозонних напівпровідниках і вузькозонних діелектриках

 

 

 

 

 

1.4 Хімічні  властивості золота (Au)

 

Сплави золота з сріблом, міддю, платиною, паладієм і іншими металами не є хімічними сполуками, а є твердими розчинами, тобто атомні суміші. Атоми сплавлених металів не обмінюються електронами. Саме це і є ознакою відсутності між ними хімічної взаємодії. Здатність ряду металів утворювати сплави із золотом пояснюється тим, що їх атомні радіуси дуже близькі до атомного радіусу золота.

Якщо атомний радіус золота дорівнює 1,46 х 10-10 м, то вісмуту 1,46 х 10-10м, срібла - 1,44 х 10-10 м, а платини - 1,39 х 10-10 м. Характерне те, що усі метали в сплаві із золотом мають меншу температуру плавлення чим в чистому вигляді.

Золото добре поглинає рентгенівські промені. Дробова атомної маси природного золота(196,9) говорить про те, що воно складається з суміші різних ізотопів. Як і належить " благородному" металу, золото в хімічні реакції вступає дуже не охоче, але з деякими елементами воно все-таки ртуттю і теллуром. Існують з'єднання отримані штучним шляхом, у тому числі і так зване гримуче золото - Au(NH)3, (CH)3, яке легко вибухає при ударі або просто при нагріві.

У деяких рідинах, хоча і дуже важко, золото розчиняється. У воді, що містить хлор, сірчану кислоту або гумусові кислоти, можна розчинити невелику кількість золота.

У цій суміші, при розчиненні золота, утворюється хлор і нитрозилхлорид NOCl :

ЗНСl + HNO3 = Сl2 + NOCl + 2Н20

Золото розчиняється також в розчинах ціанідів натрію або калію при доступі повітря :

4Аu + 8NaCN + 2Н2O + О3 == 4Na[Au(CN)2] + 4NaOH

Ця реакція, відкрита в 1843 р. П.Р.Багратионом (племінником знаменитого полководця П.И.Багратиона), широко застосовується для витягання золота з руд.

Золото дуже легко осідає з розчинів його з'єднань неорганічними відновниками, наприклад сульфатом заліза (II):

2АuСl3 + 6FeSO4 = 2Fe2(SO4)3 + 2FeCl3 + 2Аu

Золото кристалізується в кубічній системі. Форма кристалів Чим повільніше йде охолодження, тим більше розмірів кристалів. При відпалі або повільному охолодженні утворюються кристали з прямими ребрами.

 

1.5 Одержання золота (Au)

 

Для отримання золота використовуються його основні хімічні властивості: присутність в природі в самородному стані, здатність реагувати лише з небагатьма речовинами (ртуть, ціаніди (солі ціанистоводневої (синільною) кислоти, наприклад, ціаністий калій KCN, ціаністий натрій NaCN та ін.))

До основних методів одержання золота відносять:

1. Промивання

Метод промивання грунтований на високій щільності золота, завдяки якій в потоці води, мінерали з щільністю менше золота(а це майже усе мінерали земної кори) змиваються і метал концентрується у важкій фракції, піску того, що складається з мінералів підвищеної щільності, який називається шліхом. Цей процес називається відмиванням шліху або шлихованием. У невеликих об'ємах її можна проводити вручну, за допомогою промивального лотка. Цей спосіб використовується з прадавніх часів, і досі для відробітку маленьких розсипних родовищ старателями, але основне його застосування - пошук родовищ золота, алмазів і інших цінних металів.

Промивання використовується для розробки великих розсипних але при цьому застосовуються спеціальні технічні пристрої: драги і промивальні пристрої. Отримані шлихи, окрім золота, містять безліч інших щільних мінералів і метал з них витягається, наприклад, шляхом амальгамування.

Методом промивання розробляються усі розсипні родовища золота, обмежено він застосовується на корінних родовищах. Для цього породу дроблять і потім піддають промиванню. Цей метод не може бути застосований на родовищах з розсіяним золотом, де воно так розпорошено в породі, що після дроблення не відособляється в окремі зерна і змивається при промиванні разом з іншими мінералами. На жаль, при промиванні втрачається не лише дрібне золото, яке легко змивається з промивальної колоди, але і великі самородки, гідравлічна великість яких не дозволяє їм спокійно осідати в осередках килимка. Тому на драгах і на промприборах обов'язково стежать за великими уламками, що котяться, - це цілком можуть виявитися самородки.

Цей метод здобичі золота історично і у разі річкових відкладень не треба дробити породу. Економічно рентабельний відробіток розсипів зі змістом золота більше 0,1 г на 1 кубічний метр рихлої породи(пісків, суглинків і.т.д.).

2. Амальгамування

Метод амальгамування грунтований на здатності ртуті утворювати сплави - амальгама з різними металами, у тому числі і із золотом. У цьому методі зволожена подрібнена порода змішувалася з ртуттю і піддавалася додатковому подрібненню в млинах - бігунних чашах. Амальгаму золото(і супутніх металів) витягало з шламу, що вийшов, промиванням, після чого ртуть отгонялась із зібраної амальгами і використовувалася повторно. Метод амальгамування відомий з I століття до н. э., найбільші масштаби придбав в американських колоніях Іспанії починаючи з XVI століття: це стало можливим завдяки наявності в Іспанії величезного ртутного родовища - Альмаден. У пізніший час використовувався метод зовнішнього амальгамування, коли подрібнена золотоносна порода при промиванні пропускалася через Метод амальгамування застосовний тільки на родовищах з високим вмістом золота або вже при його збагаченні. Зараз він використовується дуже рідко, головним чином старателями в Африці і Південній Америці.

3. Ціанування

Золото розчиняється в розчинах синільної кислоти і її солей, і ця його властивість дала початок ряду методів витягання шляхом ціанування руд.

Метод ціанування грунтований на реакції золота з ціанідами у присутності кисню повітря : подрібнена золотоносна порода обробляється розбавленим(0,3-0,03 %) розчином ціаніду натрію, золото з розчину ціаноаурату натрію Na, що утворюється[Au(CN)2] осідає або цинковим пилом, або на спеціальних ионнообменых смолах.

Метод ціанування спочатку застосовувався на великих заводах, де порода дробилася і ціанування проводилося в спеціальних чанах. Проте розвиток технології привів до появи методу купчастого вилуговування, який полягає в наступному : готується водонепроникний майданчик, на неї насипається руда і її заливають розчинами ціанідів, які, просочуючись через товщу породи, розчиняють золото. Після цього вони поступають в спеціальні колони, в яких золото осідає, а регенерований розчин знову якщо руда містить велику кількість сульфідів або арсенидов, оскільки ціаніди реагують з цими мінералами. Тому ціануванням переробляються малосульфідні руди або руди із зони окислення, в якій сульфіди і арсениды окислені атмосферним киснем.

Для витягання золота з сульфідних руд використовуються складні багатоетапні технології. Золото, здобуте з родовищ, містить різні домішки, тому його піддають спеціальним процесам високого очищення, які робляться на аффинажных заводах.

4. Регенерація

Здійснюється дією 10 % розчину лугу на розчини солей золота з подальшим осадженням аффинажного золота на алюміній з гарячого розчину гідрооксиду.

Аффинаж золота - серед яких переважають методи хімічної обробки, фізичної обробки, концентрації, і зрештою отримання металу заданої хімічної чистоти.

Різноманітна сировина готується до аффинажу, проходить обов'язкові стадії підготовки до аффинажу. Найчастіше в ці стадії включають сплав сировини з цинком, дроблення, випалення.

5. Хімічне рафінування золота

Для хімічного рафінування годяться будь-які відходи що містять золото. Такою сировиною служать контакти, напівпровідникові вироби(діоди, транзистори, радіолампи вітчизняні, і т. д.) Передусім при рафінуванні золотовмісної сировини, треба відокремити із загальної маси сировину залізо, що містить, дією звичайного магніта, оскільки переробка сировини що містить залізо вимагає іншої схеми роботи.(примітка 1)примітка 1. залізовмісна сировина обробляється концентрованою соляною кислотою або сірчаною кислотою до розчинення усього заліза. Подальший хід рафінування описано нижче. Після відділення заліза, сировина в основному Для розчинення застосовують 30-40 % азотну кислоту, до того стану, коли в при внесенні нових порцій кислоти і при нагріві не виділяється діоксин азоту. При цьому усі сливи поміщаються в окрему ємність, відстоюються і акуратно декантируються, в осіданні золото понесене під час зливу відпрацьованої кислоти. Після декантації в розчин вливається насичений розчин кухарської солі, про цьому виділяється хлорид срібла.

У осад той, що містить золото додається концентрована соляна кислота,(у розрахунку 1мл осаду 20мл кислоти) розчин з осадом нагрівається до кипіння і обережно прикопують концентровану азотну кислоту по краплях. Кінець збільшенні азотної кислоти визначають після закінчення сильного виділення оксидів азоту. Розчин упарюють насухо 3 рази, додають після кожного упарювання соляну кислоту. Розчин фільтрують, і до фільтрату підливають при нагріванні насичений розчин сульфату заліза(II). Золото виділяється з розчину у вигляді великого осаду, що добре фільтрує Осад переносять в склянку і кип`ятять з концентрованою азотною кислотою, для видалення заліза, міді і срібла. Фільтрують промивають водою.

 

1.6 Переваги золота золота (Au)

 

Істотною перевагою золота як контактного матеріалу є його стійкість проти утворення сірчистих і окисних плівок в атмосферних умовах, як при кімнатній температурі, так і при нагріванні. Його використовують у слабкострумових комутуючих пристроїв (наприклад, в герконах). Тонкі плівки золота застосовуються в якості прозорих електродів в фоторезисторах і напівпровідникових фотоелементах. У техніку слабких струмів при малих напругах в ланцюгах використовуються контакти із сплавів золота з сріблом, золота з платиною, золота з сріблом і платиною.

 

1.7 Використання в промисловості золота (Au)

 

Золото широко використовується у в найважливіших сучасних галузях техніки : електроніці, техніці зв'язку, космічній і авіаційній техніці, хімії.

Слід зазначити, що в електроніці на 90% золото використовують у вигляді покриттів. Електроніка і пов'язані з нею галузі машинобудування є основними споживачами золота в техніці. У цій області золото широко використовують для з'єднання інтегральних схем зварюванням тиском або ультразвуковим зварюванням, контактів штепсельних роз'ємів, в якості тонких дротяних провідників, для пайки елементів транзисторів і інших цілей. У останньому випадку особливо важливе те, що золото утворює легкоплавкі евтектики з індієм, галієм, кремнієм і іншими елементами, які мають провідність певного типу. Окрім технологічних удосконалень в електроніці, для ряду деталей і вузлів замість золота стали використовувати паладій, покриття оловом, сплавами олова зі свинцем і сплавом 65% Sn + 35% Ni із золотим підшаром. Сплав олова з нікелем має високу зносостійкість, корозійну стійкість, прийнятну величину контактного опору і електропровідність. Попри те, що в що він міг бути на 30% вище, коли б не заходи, спрямовані на економію золота.

У мікроелектроніці широко застосовують пасти на основі на основі золота з різним електроопоом. Широке використання золота і його сплавів для контактів слабкострумової апаратури обумовлене його високими електричними і корозійними властивостями. Срібло, платина і їх сплави при використанні як контакти, що комутують мікроструми при мікронапругах, дають набагато гірші результати. Срібло швидко тьмяніє в атмосфері, забрудненій сірководнем, а платина полімеризує органічні сполуки. Золото вільне від цих недоліків, і контакти з його сплавів забезпечують високу надійність і тривалий термін служби. Золоті припої з низьким тиском пари використовують для пайки вакуумнощільних швів деталей електронних ламп, а також для пайки вузлів в аерокосмічній промисловості.

У вимірювальній техніці для контролю температури і особливо для вимірів низьких температур використовують сплави золота з кобальтом або хромом. У хімічній промисловості золото головним чином використовують для плакирования сталевих труб, призначених для транспортування агресивних речовин.

Золоті сплави застосовують у виробництві годинних корпусів і пір'я для авторучок. У медицині використовують не лише зубопротезні золоті сплави, але і медичні препарати, що містять солі золота, для різних цілей, наприклад при лікуванні туберкульозу. Радіоактивне золото використовують при лікуванні злоякісних пухлин. У наукових дослідженнях золото використовують для захоплення повільних нейтронів. За допомогою радіоактивних ізотопів золота вивчають дифузійні процеси в металах і сплавах.

 

2. РОЗРАХУНОК РОЗПОДІЛУ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ І КОНТАКТНИХ ЯВИЩ В ОБ’ЕКТІ ДОСЛІДЖЕННЯ Bi12SiO20

 

2.1 Об’ект  дослідження Bi12SiO20

 

Об’єкт дослідження – широкозонний напівпровідник або вузькозонний діелектрик. Ширина забороненої зони 3 еВ. Заборонена зона насичена локальними енергетичними рівнями. Це: донори, акцептори, пастки (енергетичні ями).

Основною відмінністю металів, напівпровідників і діелектриків є величина (ширина) забороненої зони. У металах відсутня або перекривається. Тому основною властивістю металів є провідність.

Вид зв'язку металевий. Металева зв'язок - зв'язок між позитивними іонами в кристалах металів, здійснювана за рахунок тяжіння електронів, що вільно переміщаються по кристалу. У відповідності з положенням в періодичній системі атоми металів мають невелике число валентних електронів. Ці електрони досить слабко пов'язані зі своїми ядрами і можуть легко відриватися від них. У результаті в кристалічній решітці металу з'являються позитивно заряджені іони і вільні електрони. Тому в кристалічній решітці металів існує велика свобода переміщення електронів: одні з атомів будуть втрачати свої електрони, а які утворюються іони можуть приймати ці електрони з «електронного газу». Як наслідок, метал являє собою ряд позитивних іонів, локалізованих в певних положеннях кристалічної решітки, і велика кількість електронів, порівняно вільно переміщаються в полі позитивних центрів. У цьому полягає важлива відмінність металевих зв'язків від ковалентних, які мають строгу спрямованість у просторі. Металева зв'язок відрізняється від ковалентного також і по міцності: її енергія в 3-4 рази менше енергії ковалентного зв'язку.

Основними властивостями діелектрика є ізоляція і опір пробою. Пробій діелектрика - різке зростання електропровідності діелектрика в електричному полі, напруженість якого перевищує електричну міцність та утворення провідного каналу в діелектрику. Пробій діелектриків може супроводжуватися їх руйнуванням.