Хлорид железа (III) в виде раствора можно приготовить в лаборатории или в домашних условиях. Потребуется термостойкая неметаллическая посуда и чистая горячая или дистиллированная). После растворения и отстаивания получается темно-коричневая жидкость. Есть ряд особенностей приготовления раствора хлорного железа, о которых следует узнать до того, как начинать работу с ним.

Хлорное железо

Безводное хлорное железо, выпускаемое химической промышленностью — FeCl 3 , — кристаллы темно-коричневого цвета с оттенками красного, фиолетового, темно-зеленого. Молярная масса — 162,21 г/моль. Плавится вещество при температуре 307,5 °C, при 500 °C начинает разлагаться. В 100 г воды растворяется навеска безводной соли:

• 74,4 г (0 °C);
• 99 г (25 °C);
• 315 г (50 °C);
• 536 г (100 °C).

Безводный (III) — очень гигроскопичное вещество, быстро притягивает влагу из окружающей среды. На воздухе взаимодействует с водой, превращаясь в желтые кристаллы гексагидрата FeCl 3 + 6Н 2 О. Массовая доля безводного хлорного железа в веществе, приобретенном в торговой сети, достигает 95%. Присутствует небольшое количество хлористого железа FeCl 2 и нерастворимых примесей. Торговое название — «Хлорное железо». Вещество пожаро- и взрывобезопасное, но его раствор оказывает коррозийное влияние на металлические предметы.

Гексагидрат хлорида железа (III)

Кроме безводного промышленность выпускает кристаллогидрат, в нем массовая доля хлорного железа (III) составляет 60%. Вещество представляет собой желто-бурую кристаллическую массу или рыхлые куски того же оттенка. Важная отличительная черта ионов двух- и трехвалентного железа — цвет. Для степени окисления Fe 2+ характерен зеленоватый оттенок, шестиводный кристаллогидрат хлористого железа — голубовато-зеленое вещество. В степени окисления Fe 3+ ионы приобретают цвет от желтого до коричневого. Для качественного определения на раствор хлорного железа действуют реактивами:

• NaOH (появляется бурый осадок Fe(OH) 3);
• K 4 (появляется осадок KFe синего цвета);
• KCNS, NaCNS (образуется роданид железа Fe(CNS) 3 красного цвета).

Как развести хлорное железо

Хлорид железа (III) в виде раствора коричневого или красного цвета можно найти в торговой сети, приготовить в лаборатории или в домашних условиях. В последнем случае обязательно потребуется термостойкая неметаллическая посуда (стеклянная, пластиковая, керамическая). Воду для растворения соли можно взять из-под крана. Безопаснее — кипяченая или дистиллированная. Нагретую до 50-70 °C воду помещают в емкость, а затем малыми порциями насыпают вещество. Пропорции хлорного железа и воды — 1:3. Если готовить раствор из кристаллогидрата, то воды потребуется меньше, ведь она содержится в кристаллогидрате (40% от массы). Добавляют вещество в раствор понемногу, каждая порция — около 5-10 г. Сразу насыпать всю навеску не рекомендуется из-за бурного характера реакции гидратации. Нельзя использовать металлическую посуду (ложки, шпатели). Соль должна полностью раствориться в теплой воде, для чего кристаллы нужно хорошо перемешать с жидкостью. Ускоряет процесс добавление соляной кислоты (1/10 от массы кристаллов). После отстаивания в течение нескольких часов на дне может появиться осадок из-за присутствия в навеске и образования в ходе реакции гидроксида железа. Следует профильтровать готовый раствор темно-коричневого цвета и хранить в плотно закрытой пластиковой таре при умеренной температуре и отсутствии прямого солнечного освещения.

Применение хлорного железа в промышленности и коммунальном хозяйстве. Бытовое использование

Соли железа находят применения во многих сферах. Хлорид трехвалентного металла используется для обработки воды, металлов и закрепления красок. Вещество применяется в промышленном органическом синтезе (катализатор, окислитель). Особенно ценятся коагулирующие свойства иона Fe 3+ в очистке коммунальных и производственных стоков. Под действием хлорида железа мелкие нерастворимые частички примесей слипаются и осаждаются. Также происходит связывание части растворимых загрязнений, которые удаляют на очистных сооружениях. Кристаллогидрат и безводная соль FeCl 3 применяются в процессах травления металлических печатных форм. Добавляют вещество в бетон для укрепления его прочности.

Химические явления при травлении плат. Меры безопасности

Популярное химическое вещество для травления печатных плат — хлорное железо. Раствор для этих целей готовят из 0,150 кг соли и 0,200 л теплой воды. В нем содержатся ионы Fe 3+ , Cl - , а при гидролизе образуется соединение коричневого цвета — гидроксид трехвалентного железа. Процесс идет по схеме: FeCl 3 + 3HOH↔ Fe(OH) 3 + 3Cl - + 3H + . Недостаток метода заключается в загрязнении платы побочными продуктами реакции, которые затрудняют дальнейшее травление. Сама соль — нелетучее вещество, но в процессе взаимодействия с водой выделяет едкие пары. Работу необходимо проводить на свежем воздухе или в хорошо проветриваемой комнате. Попадание раствора на кожу и слизистые оболочки приводит к раздражению и может вызвать дерматиты. Следует использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки). При соприкосновении с едким раствором необходимо промыть кожу большим количеством воды.

Этот раствор наиболее распространенный, в его состав обычно входит небольшое ко­личество соляной кислоты. Суммарная химическая формула процесса травления 2FeCl 3 +Cu  CuCl 2 +2FeCl 2 .

При изготовлении печатных плат предельная концентрация меди в травильном рас­творе составляет 50...60 кг/м 3 , затем раствор регенерируют. Концентрация (плотность) рас­твора хлорного железа также оказывает существенное влияние на качество травления. Удельный вес раствора должен быть 1,36 ... 1,38. Установлено, что в более разбавленных растворах хлорного железа травление происходит быстрее, чем в концентрированных, одна­ко такие растворы очень быстро теряют свою окислительную способность и скорость трав­ления быстро снижается. На практике пригодность раствора для травления часто определяют по цвету и раствор, изменивший окраску от коричневой до темно-зеленой, заменяют свежим.

Для уменьшения подтравливания печатных проводников в раствор хлорного железа вводят мочевину, желатину, диэтилбензол или сульфированное касторовое масло. Скорость травления меди повышается при увеличении температуры раствора и снижается при на­коплении меди в нем. Хотя теоретически 10 -3 кг FeCl 3 растворяет 210 -4 кг Си, практиче­ски, учитывая вредное влияние накопления меди в растворе на скорость травления, травиль­ный раствор может быть использован, когда содержание меди не выше 60 кг/м 3 . Рекомен­дуемая температура 308 К. Раствор хлорного железа отличается высокой и равномерной ско­ростью травления меди. Это обусловлено тем, что хлорное железо равномерно травит как само зерно металла, так и область на границе между зернами, а персульфат аммония раство­ряет в первую очередь область на границе между зернами, что приводит к неравномерному травлению, давая большую зубчатость края.

Раствор хлорного железа характеризуется меньшим, чем другие травильные растворы, содержанием токсичных веществ. Этот раствор сохраняет достаточную активность даже при сравнительно высоком содержании в нем растворенной меди. Тем не менее растворам хлор­ного железа присущи многие недостатки. Главное-это невозможность применения его для плат, покрытых сплавом олово-свинец и недопустимость сброса отработанного раствора в канализацию без дополнительной обработки. Кроме того, установлено, что длительное ис­пользование раствора приводит к образованию илистого осадка, представляющего собой смесь фильтрующейся меди и окиси железа. Мельчайшие частицы окиси покрывают поверх­ность тонким, прочным и гладким, как зеркало, слоем, который трудно удалить с платы обычной промывкой. Эти продукты травления часто являются причиной снижения изоляци­онных свойств. Поэтому многие зарубежные фирмы резко ограничили применение хлорного железа и используют новые растворы.

Как известно, хлорное железо традиционно применяется как в полиграфической про­мышленности, так и для изготовления печатных плат. Для этого раствора разработано много методов регенерации и утилизации. Технологические трудности реализации этих процессов приводят к тому, что предприятия не всегда получают существенный экономический эффект.

Регенерация травильного раствора на основе хлорного железа может проводиться, например, следующим образом. Сначала удаляется медь (например, контактным выделением на сталь­ных стружках). После этого устанавливается рН до 1,6, вводится окислитель (перекись водо­рода или другой) для перевода Fe 2+ в Fe 3+ (операцию окисления можно выполнить также барботированием хлора через раствор) и производится корректировка содержания FeC1 3 до трe6yeмoгo количества.

Отечественной промышленностью освоен метод очистки отработанных травильных растворов хлорного железа с утилизацией меди. Отработанные травильные растворы хлор­ного железа характеризуются высоким содержанием железа (до 150 кг/м 3) и меди (до 50 кг/м 3). Медь из отработанного травильного раствора хлорного железа извлекается методом цементации на вибрирующих стальных пластинах или стальном скрапе. Полученный раствор нейтрализуется известковым молоком или каустической содой и осадок обезвоживается.

На практике отработанный травильный раствор хлорного железа из цеха печатных плат поступает в виброцементатор, где происходит выделение меди на железосодержащей загрузке. Осадок цементной меди направляется на обезвоживание в фильтрующее устрой­ство, а раствор - в нейтрализатор. Суспензия из нейтрализатора насосом перекачивается в центрифугу. Фугат, содержащий менее 5 10" 4 кг/м 3 железа и 1 10 4 кг/м 3 меди, сбрасывается в канализацию, а обезвоженный осадок вывозится для вторичной переработки.

Для увеличения коэффициента использования травильных растворов на основе хлор­ного железа разработаны способы многократного применения их путем добавления хлори­стого аммония и пропускания хлора через раствор. В отработанный раствор при пере­мешивании добавлялся измельченный порошок хлористого аммония, смоченный небольшим количеством дистиллированной воды; раствор нагревался до 323 ... ... 333 К. После этого с помощью барботажа через него пропускали хлор. Проведенные исследования позволили ус­тановить оптимальный режим регенерации отработанного раствора хлорного железа: на ка­ждый литр следует добавлять 5,510 -3 кг хлористого аммония и пропускать 0,013 м 3 хлора. Зависимость времени травления от числа регенераций при постоянной плотности загрузки (9,4 дм 2 /л) приведена в табл.7. В результате внедрения 4-кратной регенерации раствора хлорного железа получен высокий экономический эффект.

Разрабатываются также электрохимические методы регенерации растворов хлорного железа. Первые опыты по электрохимической регенерации этих растворов при производстве печатных плат описаны в 1953 г.

Таблица 7

Время травления в зависимости от числа проведенных регенераций.

Сущность электрохимической регенерации заключается в выделении меди на титано­вом катоде и анодном окислении FeCI 2 до FeCl 3 на графитовом аноде. При катодном процессе наряду с выделением меда протекает нежелательная реакция восстановления Fe 3+ до Fe 2+ . Доля выделенной меди в суммарном катодном процессе значительно возрастает при увели­чении содержания меди в растворе. Однако смешанные растворы вида FeCl 3 +CuCI 2 обладают более слабыми травильными свойствами, чем однокомпонентный раствор FeCl 3 . В смешан­ных растворах взаимодействие CuCl 2 с медью приводит к более ускоренному образованию на поверхности металла пленки труднорастворимой однохлористой меди, затрудняющей дальнейшее травление.

Введение в раствор хлоридов щелочных металлов и аммония, образующих хорошо растворимые комплексы с одновалентной медью и соляной кислотой, значительно улучшает характеристики травильных растворов. Интенсификация процесса травления меди в раство­рах с такими присадками обусловлена облегчением второй химической стадии окисления меди (удаление с поверхности и последующее окисление первично образующейся пленки однохлористой меди) и повышением степени участия CuCI 2 в травильном процессе. По мере «выработки» смешанного травильного раствора («старения») доля участия Си 2+ в суммарной скорости травления увеличивается. После израсходования 50% FеС1 3 травление меди проис­ходит уже в основном за счет двухлористой меди, первоначально находившейся в растворе и образованной в процессе травления.

" Плотность раствора 1,32 .. . 1,34 кг/м 3 .

Эти растворы стоят дороже, так как содержат больше химикалиев, но многократное использование их после регенерации, уменьшение расходов на обезвреживание отработан­ных растворов, меньшие колебания в скорости травления при использовании непрерывной регенерации - все это позволяет в конечном счете существенно удешевить процесс травле­ния.

Для изготовления печатной платы обязательно нужен реактив растворяющий медь. Наиболее распространенным, и относительно безвредным является трехвалентное хлорное железо. Его можно приобрести в магазине радиодеталей. Выглядит банка вот так:

На этикетке написана инструкция по приготовлению, обращает на себя внимание время травления 40-50 мин. Возможно для кого то это покажется нормальным.
Лет 15 назад таких банок попросту не продавали.Поэтому радиолюбители сами приготавливали раствор из соляной кислоты и ржавчины. Получившийся раствор хлорного железа стравливал медь за 5-15минут при комнатной температуре. Конечно же это справедливо для свежего раствора. Спустя год его использования(порядка 10раз в месяц) раствор травил уже час-два.
Весьма странно тогда ждать час что бы изготовить плату, если это можно сделать за 5 минут. Скорость травления зависит от концентрации раствора. Это справедливо для первого использования. Поэтому если развести 250 грамм на литр воды-получим час травления, а если на пол литра-видимо гораздо меньше.Правда,не известно для какого размера платы указано время травления на банке.
Меня не устраивает совет изготовителя, считаю глупостью так долго ждать.Покажу как я обычно готовлю раствор
Открываем баночку и смотрим что там внутри.

У меня вот такое. Похоже что порошок(если его можно назвать таковым) свежий. Если в банке есть «сироп» , значит сырость потянул, а может быть такой и был с завода. Обычно я делаю на глаз, но в этот раз решил задокументировать. Ложку желательно использовать пластиковую, так как алюминий растворяется. У меня ее не было.

Понадобится пол литровая стеклянная банка,капроновая крышка(желательно зарание проверить подходит она к банке),вода, ложка. В данном случае раствор приготовлен по пропорции 1:2. 1 часть хлорного железа, 2 части воды. Хорошо размешиваем раствор, даем отстоятся пол часа.

Приступаем к травлению.Нагревание значительно ускоряет процесс.Греть желательно не выше 60-70 градусов.На глаз это когда с жидкости пойдет пар. Для этих целей я использую эмалированную железную миску. Срок эксплуатации посуды-года два, при активном использовании. Потом в ней образуются дырки.

Перед тем как класть плату в раствор,ее желательно смочить водой. Это избавит вас от очень большой не приятности в виде маленьких пузырьков, который в итоге могут создать замыкание между дорожками или испортить эстетический вид. На фото я это не сделал.

Наливаю раствор, и запускаю секундомер. Греть нужно на очень медленном огне. Раствор быстро нагревается.

Вуаля! Плата готова.

Для такой площади печатной платы, процесс занял не более 5 минут.

Внимание!
Брызги раствора попавшие на предметы нужно удалять немедленно,влажной тряпкой или губкой, хорошо промыть место попадания. Избегать попадания раствора на плиту. Одевать «рабочую» одежду.Попадание капель на одежду приведет к образованию не отстирующихся ржавых пятен. Работать с включенной вытяжкой.

Напоминаем соотношение компонентов в растворе хлорного железа, используемом при травлении печатных плат. Раствор хлорного железа: на 150 гр FeCI 3 берется 200 мл воды Н 2 0. Время травления 5-10 минут.
Хотя хлорное железо и не ядовито (в чистом виде оно применяется в медицине для остановки кровотечения путём наложения на рану ватки с его раствором), но оставляет очень трудноустранимые пятна. В качестве пятновыводителя рекомендуется концентрированный раствор щавелевой кислоты, которым следует обильно смочить тряпку и положить её на пятно на десятки минут. Затем это место промывают водой.

Восстановление хлорного железа . При многократном использовании одного и того же раствора он покрывается темными пятнами, теряет травильные качества. Для восстановления в него необходимо опустить кусочки железа (гвозди, шурупы, опилки). Через несколько дней они покроются антикоррозионным слоем меди и их можно использовать по прямому назначению, а регенерированный раствор следует профильтровать и он готов к дальнейшему использованию.

При отстутствии хлорного железа раствор для травления можно получить в домашних условиях несколькими способами.

1.В пластмассовую или стеклянную посуду на 1 часть обыкновенной ржавчины по весу следует взять 3 части соляной кислоты. Через несколько дней большая часть ржавчины растворяется и раствор приобретает характерный желто-коричневый цвет. Его аккуратно сливают с лежащего на дне шлама и, при необходимости, фильтруют через ткань, положенную на горло стеклянной банки.

2. В стеклянную посуду на одну треть заливают раствор HCI и туда же малыми порциями добавляют железный сурик в общем количестве около 1,5 части по объему, весь раствор тщательно перемешивают. Химический процесс идет с выделением газов, поэтому помещение должно иметь вытяжную вентиляцию или хорошо проветриваться. Раствор оставляют на несколько дней на открытом воздухе, по завершению реакции хлорное железо выпадает в осадок, верхний слой сливают, а хлорное железо используют по назначению.

3.Раствор для травления печатных плат на основе соляной кислоты и перекиси водорода. Для приготовления берется 30% раствор перекиси водорода, соляная кислота плотностью 1,2 и вода, все это перемешивается в стеклянной посуде в соотношении соответственно 2:2:6 частей. Если перекись водорода аптечная 16-18 %, то соотношение смешиваемых частей соответственно 2:4:4. Время травления таким раствором составляет до 10 минут.
В том случае, когда вместо раствора перекиси водорода имеется перекись водорода в таблетках, рецепт приготовления травящего раствора следующий: в стакане воды Н 2 0 (250 мл) растворяется 5 таблеток перекиси водорода, затем полученный раствор выливают в стеклянную посуду и добавляют 15 мл раствора концентрированной соляной кислоты HCI, все это перемешивают и раствор готов к использованию. Время травления печатных плат таким раствором составляет до 1 часа.

4.Щелочные травильные растворы (растворяют нелуженую медь, практически не затрагивая луженые дорожки)

1-й состав
Медный купорос CuS04.........170.. 190 г/л
Аммоний сернокислый(ЫН4)2ЗО4150..170 г/л Аммиак водный 25% pacTBopNH4OH..500 мл/л

2-й состав
Хлорид меди 11 CuCI2.........100.. 110 г/л
Хлорид аммония NH4CI ........ 150..170 г/л
Аммиак водный 25%-й NH4OH 400..500 мл/л Бикарбонат аммония(МН4)2С03....20..30 г/л

5.Ну и традиционный самый недефицитный раствор медного купороса и поваренной соли, в расчете на 500 мл: NaCI - 4 столовых ложки, CuS04 - 2 столовых ложки. Время травления -около 8 часов.