Ätzen von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung

Ätzen von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung

1.) Einleitung:

In dieser Facharbeit wird die Nutzung chemischer Reaktionen zur Be- arbeitung von Werkstoffen, anhand des Verfahrens des Ätzens von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung, diskutiert. Unter diesem Aspekt werden unter anderem Versuche beschrieben und erläutert. Gerade im Zusammenhang mit Kupfer wird das Ätzen sehr häufig eingesetzt. Kupfer ist eines der meist benutzten Gebrauchsmetalle, worauf ich in dieser Facharbeit näher eingehe.

Der Ätzvorgang ist eine chemische Reaktion, die hauptsächlich zum Abtragen von Oberflächen von verschiedenen Werkstoffen genutzt wird. In den meisten Fällen wird das Verfahren des Ätzens z.B. häufig für künstlerische Arbeiten etc. genutzt, da man den Ätzvorgang indivi- duell und gezielt einsetzen kann. Das Ätzen ermöglicht, wie in der Ar- beit noch genauer dargestellt wird, eine unkomplizierte und wirksame Art der Oberflächenbehandlung. Des weiteren wird die Wirksamkeit der chemischen Bearbeitung von Kupfer im Gegensatz zur mechani- schen Bearbeitung diskutiert.

2.) Das Metall Kupfer an sich

2.1) Eigenschaften von Kupfer

Folgende Eigenschaften lassen sich für Kupfer festhalten:¹

Kupfer ist ein Schwermetall, das aufgrund seiner rotbraunen glän- zenden Farbe auch das “rote Me- tall“ genannt wird. Kupfer ist nach Silber der beste Stromleiter.

Es ist verhältnismäßig weich, dehnbar und aufgrund seiner wei- teren Eigenschaften eines der edelsten Metalle. Für Kupfer gibt es keinen Festpreis, sondern ei- nen täglich wechselnden Kurs.

Deshalb gibt es viele Kupfer- Auktionen, wo man das Metall zu aktuellen Tagespreisen ersteigern kann. Durch die Elektrolyse kann man fast reines Kupfer gewinnen; elektrolytisch hergestelltes Kupfer hat einen Kupferanteil von ca. 99,95%.²

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kupfer ist recht selten (es steht auf Platz 26 der Häufigkeit der chemi- schen Elemente), doch man findet es trotzdem fast überall auf der Er- de, da es in geringem Maße in der Erdrinde vorkommt. Es liegt hier meist nicht in Reinform, sondern in verschiedenen Mineralien bzw. in einigen chemischen Verbindungen vor. Durchschnittlich beträgt der Kupfergehalt der Erdrinde ca. 0,006 Prozent. Als pures Metall liegt es in Gebieten wie dem Ural, am Oberen See in Amerika und Neu Mexiko vor. Die größten und wichtigsten Abbaugebiete befinden sich unter anderem im Südwesten der USA, Südamerika (Chile und Peru), Süd- afrika, Kasachstan, Australien, China und Indonesien.

In der europäischen Region gibt es kaum Kupfervorkommen. Nur noch in Polen wird Kupfer in einer nennenswerten Menge abgebaut. In Deutschland sind die Quellen bereits erschöpft oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr in Betrieb.

Kupfer wird immer weniger, da es mehr und mehr recycelt wird. Gut 50 Prozent des Deutschen Kupferbedarfes werden heutzutage durch Recycling gedeckt. Diese Recyclingtechnik basiert auch auf dem Ätzprozess mit Eisen(III)-chlorid-Lösung.³

2.2) Patina und Grünspan

Grünspan ist ein Gemenge von Kupfer(II)-Acetaten. Es ist grünlich und lagert sich auf Kupfer (auch auf Messing) ab.

Grünspan entsteht aus der Reaktion von Kupfer mit Essigsäure. Ohne Vorhandensein von Essigsäure ist in Wasserleitungen die Bildung von Grünspan nicht möglich. Grünspan kann nicht wie oft gedacht, in Was- serleitungen als natürlicher Korrosionsschutz wirken, da es wasserlös- lich ist.

Patina besteht aus basischen Kupfer-Carbonaten und -Sulfaten. Sie ist grünlich-braun und bildet sich durch die Reaktion von Kupfer mit Kohlen- und Schwefeldioxid. Beide Stoffe kommen im Regen bzw. in der Luft vor. Deshalb bildet sich Patina auf mit Kupfer bedeckten Häu- sern. Durch die Patina entsteht eine natürliche Schutzschicht, die das Kupfer vor den Witterungsbedingungen schützt, allerdings ist der Be- lag meistens wegen seiner grünlich-braunen Farbe vom Aussehen her nicht sehr beliebt.

Patina entsteht je nach Witterungsbedingungen und der Zusammen- setzung des Regenwassers meist nach ca. 10 Jahren. (Anhang S.V)

2.3) Die Geschichte von Kupfer

⁴ Kupfer ist das älteste Gebrauchsmetall. Durch seine vielfältigen An- wendungsmöglichkeiten hat es die Kulturgeschichte der Menschheit stark beeinflusst. Bereits in der Steinzeit hatte man mit Kupfer gearbei- tet. Werkzeuge aus dem Metall waren leichter und effektiver als Stein- instrumente. In der Jungsteinzeit verwendete man Kupfer dann eher als Schmuck

Zunächst war man noch sehr unbeholfen in der Verarbeitung von Kup- fer, doch vor rund 6500 Jahren entdeckte man die Möglichkeit, das Kupfer zu schmelzen und es somit in jede Form gießen zu können. Jetzt wurden immer mehr Verwendungszwecke aufgedeckt. Vor ca. 5000 Jahren waren wahrscheinlich die Ägypter die Ersten, die Kupfer mit anderen Materialien wie Zinn (Bronze) oder Zink (Messing) legierten. Dadurch konnten sie die Eigenschaften von Kupfer im Bezug auf die Härte, den Schmelzpunkt etc. verändern. Der Name „Kupfer“ ist von der Insel „Zypern“ abgeleitet. Früher versorgte Griechenland Rom und andere Länder im Mittelmeerraum mit Kupfer. Man nannte es „Erz aus Zypern“, auf lateinisch „aes cyprium“, später als „cuprum“. Daher hat Kupfer auch die Abkürzung „Cu“ im Periodensystem der Elemente.

2.4) Kupfer in Zahlen

⁵ Die Weltjahresproduktion von Kupfer beträgt ca. 15 Mio. Tonnen. Da- mit ist Kupfer eines der meist verwendeten Gebrauchsmetalle. Deutschland produziert ca. 700.000 Tonnen Kupfer pro Jahr und ist damit mit Kanada und China auf Platz 5 der kupferproduzierenden Länder. In der Verarbeitung befindet sich Deutschland mit jährlich 1,5 Mio. Tonnen hinter den USA und Kanada. Auf jeden Deutschen kom- men in seinem Leben gut eine Tonne Kupfer; das sind ca. 18 Kilo- gramm pro Jahr.

Heute haben wir schätzungsweise eine Kupferreserve von 552 Mio. Tonnen. Die potentiell nutzbaren Kupferressourcen belaufen sich mindestens auf das Dreifache.

Von den 1,5 Mio. Tonnen Kupfer, die Deutschland jährlich verbraucht, gehen mit ca. 50 Prozent gut die Hälfte in die Bauindustrie. Der Ma- schinenbau braucht 18 Prozent, die Elektroindustrie 14 Prozent, die Feinmechanik und das Verkehrswesen jeweils 9 Prozent. (Anhang S. VI)

3.) Die Verwendung von Kupfer

3.1) Die Verwendung von Kupfer im Bauwesen

Insbesondere Im Hausbau werden oft Werkstoffe aus Kupfer verwen-det. Sowohl im Haus als auch Außen wird oft Kupfer benutzt. Im Ge- gensatz zu anderen in Frage kommenden Metallen ist es billig und schon in geringen Mengen verwendbar. Da es sehr stabil ist, braucht man zum Beispiel für Rohre weniger Material und erhöht somit bei gleicher Dicke die Durchflussmenge. Ebenfalls weisen nur wenige Ma- terialen eine so hohe Dichte (8,9 kg/dm3) wie Kupfer auf, um für Gase undurchlässig zu sein. Je höher diese Diffusionsdichte ist, desto bes- ser eignen sich die Materialien z. B. für den Einsatz bei Hausinstallati- onen. Kupfer ist auf Grund seiner hohen Diffusionsdichte absolut dicht im Bezug auf Gase.

Durch seine Langlebigkeit und sehr widerstandsfähigen Eigenschaften sind heutzutage nahezu 60% aller Installationen im Haus aus dem „ro- ten Metall“. Hierzu zählen: Heizungen, Wasserinstallationen, Gas und Flüssiggasleitungen, Ölleitungen, Solar- und Klimatechnik und Kabel bzw. Stromleitungen. Aber auch für den äußeren Bereich von Häusern ist Kupfer ein sehr häufig verwendetes Material. Regenrinnen und Dä- cher sind oft daraus gefertigt (siehe dazu Anhang S.V).

3.2) Verwendung von Kupfer in der Kunst

In der Kunst nutzt man häufig Kupferplatten, um künstlerische Drucke anzufertigen. Hierzu wird die Kupferplatte mit einer Grundierung über- zogen. Diese Grundierung besteht meist aus Wachs oder ähnlichen Materialien. Nachdem die Platte mit der Grundierung überzogen ist, wird mit einem Griffel das jeweilige Muster eingeritzt und dann mit Ätzmittel, z.B. Eisen(III)-chlorid-Lösung, behandelt. Wenn die Ätzun- gen tief genug sind kann die Platte mit Farbe(n) bestrichen werden und abgestempelt werden. Dadurch lassen sich schnell und ohne großen Kraftaufwand große Drucke anfertigen und vervielfältigen. Ebenfalls kann man je nach Griffelstärke die Fläche, die geätzt werden soll von sehr fein bis hin zu grob bzw. großflächig variieren. ( siehe Anhang S VII)⁶

4.) Möglichkeiten der Abtragung von Kupferoberflächen

Die Vielseitigkeit in der Verwendung von Kupfer wird durch eine sehr umfangreiche Verarbeitungspalette gestützt.

Für jeden Anwendungsbereich gibt es verschiedene Möglichkeiten das Metall grob und fein zu behandeln. Hier unterscheidet man zwischen zwei Arten, die mechanische und die chemisch- elektrolytische Be- handlung. Bei den chemischen bzw. elektrolytischen Verfahren gibt es drei verschiedene Varianten: Das Ätzen, Elysieren und Erodieren. Die mechanische Behandlung zeigt nur wenige gute Alternativen auf, auch ohne chemische Mittel eine recht gute Abtragungsrate zu erzielen.

- Hier eine Zusammenstellung der möglichen und sinnvollsten Verfahren Kupferoberflächen mechanisch und chemisch zu bearbeiten:⁷

4.1) Mechanische Abtragung von Kupferoberflächen

4.1.1) Schleifen:

Das Schleifen bietet eine sehr exakte Bearbeitungsweise. Hiermit stellt man hauptsächlich Teile für die Feinmechanik her, da man durch den Schleifprozess besonders feine aber auch grobe Abtragungsraten erzielen kann.

4.1.2) Bürsten und Kratzen:

Bei dem Kratzvorgang verwendet man feinste Bürsten, mit Drähten aus Kupfer, um Korrosionsschäden zu vermeiden, die die Kupferplatte wie der Name schon sagt „abkratzen“. Der dar- aus entstehende, relativ geringe, Kupferabtrag kann hier wie bei dem Schleifen nur großflächig erzielt werden und ist für kleinere Teile ungeeignet. Am häufigsten werden Kupferplatten diesem Vorgang unterzogen, um sie für eine Lackierung vorzubereiten.

4.1.3) Strahlen:

Dieser Vorgang ist ähnlich mit dem des Bürsten und Kratzen. Durch einen variablen Strahl bestehend aus z.B. kleinsten Sandkörnchen oder Glas kann man dem Kupfer eine matte O- berfläche verleihen und sie von Verschmutzungen befreien.

4.2) Chemische Abtragung von Kupferflächen

4.2.1) Elysieren:

Das Elysieren beruht auf einer anodisch- elektrolytischen Auflösung. Durch dieses Verfahren kann man praktisch alle Kupferstärken auflösen. Besonders geeignet ist dieses Verfahren zum bearbeiten von geraden Flächen.

4.2.2) Erodieren:

Durch das Erodieren entsteht ein Abbrand mit dem Materialstärken von ungefähr 20 - 50 mm bearbeitet werden können. Man benutzt das Verfahren zum Herstellen von Gesenken, Schnitten und Passungen.

4.2.3) Ätzen:

Das Ätzen ist eine chemische Auflösung und kann je nach Ätz- mittel bis zu 0,25 mm Kupfer bei einer Blechdicke von 1 mm ab- tragen.

Da diese Methode im Gegensatz zum Elysieren und Erodieren eher sanft verläuft, können mit dieser Methode besonders klei- ne, dünne Teile bearbeitet werden. Dieses Verfahren wird in dem folgendem Versuch 5.1) nochmals genauer erläutert.

5.) Ätzen von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung

5.1) Ätzen von Kupfer

In diesem Versuch wird Kupferblech geätzt. Der Versuch ist ein gutes Beispiel dafür, was für Auswirkungen die Eisen(III)-chlorid-Lösung auf Kupfer hat. Man kann sehen, wie einfach Kupfer aufzulösen ist, und somit verstehen, warum dieser Ätzvorgang unter anderem wie schon oben genannt in der Kunst oder Industrie, häufig genutzt wird.

5.1.1) Durchführung:

Ein Kupferblech wird mit einer ca. 1 mm dicken Wachsschicht überzo- gen. Anschließend befreit man mit Hilfe eines Spatels die Stellen, die geätzt werden sollen von dem Wachs, in diesem Fall wurde das Kup- ferblech so bearbeitet, dass das Wort „TEST“ in das Blech geätzt wird. Nun taucht man das Kupferblech in eine Petrischale, in der sich mit verdünnter Salzsäure, w (HCl) = ca.10%, angesäuerte Eisen(III)- chlorid-Lösung befindet. Je nach Grad der Ätzung kann man das Kup- fer von ca. mindestens 5 Minuten bis zu mehreren Tagen in der Lö- sung lassen.

5.1.2) Beobachtung:

Nach bereits ca. 10 Minuten weist das in dem Bad der Eisen(III)- chlorid-Lösung befindende Kupferblech gut sichtbare Verätzungen auf. Nachdem man das Wachs entfernt hat, ist deutlich erkennbar, dass an den nicht mit Wachs bedeckten Stellen eine Reaktion stattgefunden hat. Man kann gut das zuvor in das Wachs gekerbte Wort „TEST“ le- sen. Am deutlichsten ist diese Reaktion sichtbar, wenn man Kupferpul- ver in ein mit Eisen(III)-chlorid-Lösung gefülltes Becherglas gibt. Das Kupfer löst sich langsam und gut sichtbar auf. Bei dem Ätzen des Kup- ferblechs kann man das Auflösen des Kupfers nur erahnen.

( Anhang S. VIII )

Wie man im Anhang S.VIII an den geätzten Kupferblechen sehen kann, gab es einige Probleme mit dem Ätzvorgang. Um die richtige Konzentration und eine gute Einwirkungszeit zu finden, hatte es bei meinen Versuchen einige Anläufe gebraucht. Das Problem, das hier aufgetreten ist, hängt mit der hier verwendeten Schutzschicht zusam-men. Die Schutzschicht bestand aus einer ca. 2 mm dicken Kerzen- wachsschicht. Beim Abtragen dieser Schicht, um das Wort „TEST“ ein- zuritzen, hat sich das Wachs an der oberen Hälfte leicht gelöst. Da- durch hatte die Eisen(III)-chlorid-Lösung auch an diesen Stellen geätzt.

Es gibt für diese Schutzschicht spezielle, besser geeignete Stoffe, die flexibler sind als normales Kerzenwachs und besser auf dem Kupfer haften. Das ermöglicht einen besseren Abtragungsvorgang.

5.1.3) Auswertung:

Es findet eine chemische Auflösung in Form von einer Oxidation des Kupfers durch die Eisen(III)-chlorid-Lösung statt. Dazu lassen sich zwei Teilgleichungen formulieren:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kupfer ist der Donator und Eisen(III) ist der Akzeptor. Das heißt, dass das Kupfer dem Eisen die Elektronen liefert.

Das Kupfer gibt also durch die Oxidation ein Elektron ab und oxidiert normalerweise zu einem Kupfer(II)-Komplex; der Versuch 5.2) gibt noch eine nähere Auskunft darüber, ob ein Kupfer(II)-Komplex entstanden ist. Der Eisen(III)-Komplex nimmt ein Elektron auf und reduziert zu einem Eisen(II)-Komplex.

Eisen(III)-chlorid-Lösung kann also, wie der Versuch zeigt, elementares Kupfer oxidieren.

5.2) Lösen von Kupfer in Eisen(III)-chlorid-Lösung (Das Umladungspotential [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um das Umladungspotential zu bestimmen, wird folgender Versuch vorgenommen (Anhang S. IX ):

5.2.1) Durchführung:

Man benötigt zunächst zwei Bechergläser; in das eine gibt man eine 1molare Lösung von Eisen(III)-chlorid und Eisen(II)-sulfat und in das andere gibt man eine ebenfalls 1molare Kaliumchlorid-Losung. Die beiden Bechergläser werden über, eine in Kaliumchlorid-Lösung ge- tränkte, Filterpapierbrücke miteinander verbunden. Jetzt hat man zwei Halbzellen, welche genaueres über das Ionenumladungspotential aus- sagen werden.

In dem Becherglas mit der Eisen(III)-chlorid / Eisen(II)-sulfat - Lösung misst man die Spannung mit einer Platinelektrode, die mit einem Volt- meter verbunden ist. In der Kaliumchlorid-Lösung wird die Spannung mit einer Silber/Silberchlorid-Elektrode gemessen. Auch diese wird mit dem Voltmeter verbunden, um den Stromkreis zu schließen.

5.2.2) Beobachtung und Auswertung:

Es ergibt sich eine Spannung von E⁰ = +0,42V. Das Potential E⁰ der Silber/Silberchlorid-Elektrode beträgt in 1molarer Kaliumchlorid-Lösung +0,234. Somit ergibt sich ein Wert für das Ionenumladungspotential Fe³ +/Fe² + von + 0,694V.

Der in Tabellen angegebene Wert liegt bei +0,77V (Die Differenzen sind wahrscheinlich auf Ungenauigkeiten in der Konzentration der Lö- sungen oder nicht ganz sauberen Elektroden zurückzuführen). Deswegen kann man sagen, dass auf Grund des höheren Redoxpo- tentials die Eisen(III)-Ionen in der Lage sind, Kupfer zu Kupfer(II)-Ionen zu oxidieren.

5.3) Die Oxidation von Kupfer in salzsauren Lösungen ( Die Bestimmung des Normalpotentials [CuCl]-(aq)/Cu )

Bei der Oxidation von Kupfer in salzsauren Lösungen lässt sich eine blaue Färbung beobachten. Diese Färbung ist ein charakteristisches Merkmal für die Oxidation von Kupfer zu Kupfer(II)-Verbindungen. Bei dem Versuch 5.1) stellt sich jedoch das Problem, dass bei der Reaktion keine Blaufärbung aufgetreten ist. Somit können auch keine Kupfer(II)-Verbindungen vorliegen.

Da sich das Kupfer in diesem Versuch schnell und gut löst, muss aber eine Reaktion stattgefunden haben. Man kann dadurch annehmen, dass sich Kupfer(I)-Verbindungen gebildet haben.

Demnach sind also ,anstatt der normalerweise entstehenden Aqua- kupfer(II)-komplexe, Chlorokupfer(I)-Komplexe, [CuCl2]-(aq), entstan- den.

Dazu lässt sich folgende Reaktionsgleichung aufstellen:⁸

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Kupfer oxidiert mit Eisen(III)-chlorid-Lösung zu Chlorokupfer(I)Komplexen und Eisen(II)-Komplexen und zwei Chlorid-Ionen. Alle Stoffe sind nun im Wasser gelöst.

Die Reaktionsgleichung betätigt die Annahme, dass sich Chlorokupfer(I)-Komplexe gebildet haben. Demnach muss das Potential [CuCl]-(aq)/Cu geringer sein als das von Cu² +/Cu mit + 0,35V.

Um die Annahme endgültig zu bestätigen, dass Eisen(III)-chlorid Kupfer zu Chlorokupfer(I)-Komplexen oxidiert, muss man das Potential [CuCl]-(aq)/Cu bestimmen (Anhang S. X).

5.3.1) Durchführung

Man nimmt zwei Bechergläser, die mit einer, in Kaliumchlorid-Lösung getränkten, Filterpapierbrücke miteinander verbunden sind. In das erste Becherglas wird eine 1molare Kaliumchlorid-Lösung gegeben. Hier wird mit einer Silber/Silberchlorid-Elektrode gemessen. In das zweite wird eine Kupfer(I)-chlorid-Lösung, bestehend aus 13.5 mg Kupfer(I)chlorid und 100 ml halbkonzentrierter Salzsäure, gegeben; hier wird mit einem Kupferblech als Elektrode gemessen. Die Beiden Elektroden werden mit einem Voltmeter verbunden.

5.3.2) Beobachtung und Auswertung:

Man erhält eine Spannung von +0,98. Dieser Wert ist recht ungenau und kommt wahrscheinlich durch ungenaue Konzentrationen oder unreine Materialien zustande.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um letztlich endgültig die Existenz von Chlorokupfer(I) zu beweisen, muss man zunächst, zu der sich im Reagenzglas befindenden, mit Salzsäure angesäuerten, Eisen(III)-chlorid-Lösung etappenweise unter gelegentlichem Schütteln, Kupferpulver hinzufügen. Nachdem sich das Kupfer gelöst hat, wird die überstehende Lösung in ein anderes Rea- genzglas dekantiert und mit Wasserstoffperoxid-Lösung, w (H2O2) = 3%, versetzt. Danach wird Ammoniak, w (NH3) = 25%, hinzugefügt. (Anhang S. XI)

Die zu Beginn noch gelbliche Lösung wird entfärbt bzw. hellt sich zu einer leichten Grünfärbung auf (Anhang VIII). Nach der Zugabe der Wasserstoffperoxid-Lösung und der Ammoniak-Lösung gibt es zunächst eine recht heftige Reaktion. Die Lösung erhitzt sich und es ist ein braun-roter Niederschlag erkennbar.

Nach kurzer Zeit setzt sich dieser Niederschlag und man erhält eine tiefblaue Färbung. (Anhang S. XII)

Es sind also zwei Reaktionen zu beobachten, durch welche die Existenz von Chlorokupfer(I) nachzuweisen ist.

Nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid in die Lösung wurden die Aquaeisen(II)-Komplexe (diese sind verantwortlich für die leichte Grün- färbung der salzsauren Eisen(III)-chlorid-Lösung nach Zugabe des Kupferpulvers) wieder zu Eisen(III)-Ionen und die Kupfer(I)-Ionen wieder zu Kupfer(II)-Ionen reduziert.

Dadurch konnte sich, durch Zugabe von Ammoniak, der blaue Tetraamminkupfer(II)-Komplex und das für den braun-roten Niederschlag verantwortliche Eisen(III)-hydroxid bilden.

Die Reaktion mit Ammoniak ist eine Nachweisreaktion für lösliche Kupferverbindungen.

5.4) Ätzmittel zum Ätzen von Kupfer

Neben Eisen(III)-chlorid-Lösung gibt es noch einige weitere Lösungen und Säuren, welche Kupfer ätzen können; dazu gehören unter anderem auch Schwefel- und Salpetersäure. Je nach Ätztiefe und Bedarf, gibt es verschiedene Mittel, die auch in Verbindung mit z.B. der Eisen(III)-chlorid-Lösung genutzt werden können.

Für eine leichte Ätzung dienen unter anderem die Kalium- und Ammoniumpersulfatlösungen, welche eine geringe Kupferabtragungsrate haben. Dichromatlösungen haben eine hohe Kupferabtragungsrate und eignen sich gut zum Tiefenätzen.

Doch die Eisen(III)-chlorid-Lösung ist wohl am besten für den Ätzvorgang geeignet, da man ihre recht hohe Kupferabtragungsrate durch Zusatzmittel positiv und negativ beeinflussen kann. Gibt man z.B. 8g/l Harnstoff zu einer Ausgangslösung von 250 g/l Eisen(III)-chlorid senkt man den Kupferabtrag bei einer Einwirkungszeit von 20min auf 125mg/dm². Ohne Harnstoff beträgt der Abtrag von Eisen(III)-chlorid nach einer Einwirkungszeit von 20 min 148mg/dm².

Folgende Abtragungen von andern Zusatzmitteln sind unter den gleichen Vorraussetzungen (250g/l Eisen(III)-chlorid und einer Wirkzeit von 20 min) zu erreichen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle Tabelle⁹

5.5) Ätzen mit Eisen(III)-chlorid - Vor- und Nachteile

Mit Eisen(III)-chlorid-Lösung kann man nicht nur Kupfer ätzen, sondern auch andere Metalle wie Messing, Stahl, Neusilber und Zinnbronze. Es gibt aber noch mehr Möglichkeiten, um Metalle wie Kupfer, zu ät- zen. Eine Möglichkeit ist z.B. das Ätzen mit Kupfer(II)-chlorid. Diese Form des Ätzens ist sehr kostengünstig, da man das verwendete Kupfer(II)-chlorid mit Salzsäure recyceln kann. Der Ätzvorgang läuft in einem Kreislauf, das verbrauchte Ätzmittel wird regeneriert und gleich wieder verwendet. Die Cu² +-Ionen redoxieren, werden einwertig und oxidieren dann durch Salzsäure wieder zu Cu² +-Ionen (Anhang S. XIII). Diese Methode gewährleistet einen kontinuierlichen und gleichmäßigen Ätzvorgang. Die hierbei entstehenden Kosten betragen ein Drittel verglichen mit denen von Eisen(III)-chlorid.

Eisen(III)-chlorid ist auch recycelbar, jedoch lohnt sich dieser Vorgang aus wirtschaftlichen Gründen häufig nicht. Man muss oftmals weniger Kosten für die Abwasserentsorgung als für die Regenerierung aufbrin- gen. Ebenfalls kann man Eisen(III)-chlorid lange verwenden, so dass eine Abwasserentsorgung nicht sehr häufig vorgenommen werden muss.

Für kleine Betriebe, die den Ätzvorgang für z.B. Namensschilder oder Kunstdrucke gebrauchen, ist wahrscheinlich die Methode mit Ei- sen(III)-chlorid weniger aufwendig und angebrachter als das Ätzen mit Kupfer(II)-chlorid. Für große Industriekonzerne aber wäre, aufgrund der geringeren Kosten, das Ätzen mit Kupfer(II)-chlorid am geeignets- ten.

Man sollte aber nicht nur den Kostenfaktor als entscheidenden Aspekt der Ätzmittelwahl sehen, sondern auch auf die Verträglichkeit der Stoffe mit der Umwelt achten. Bei großen Betrieben werden große Mengen an Chemikalien gebraucht, die auch wieder entsorgt werden müssen. Das Recyceln gibt hier die besseren Vorraussetzungen umweltschonend zu wirken, im Gegensatz zum ständigen Entsorgen des chemisch verunreinigten Wassers bzw. den Ätzmitteln an sich.

6.) Schluss

Das Ätzen von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung ist eine von vielen Möglichkeiten, chemische Reaktionen zur Bearbeitung von Werkstof- fen zu verwenden. Die Lösung hat sowohl Vor- und Nachteile, die cha- rakteristisch für sie sind. Ein Vorteil ist sicherlich, dass sie im Gegen- satz zu vielen anderen Lösungen nicht so stark ätzend wirkt aber trotzdem eine nennenswerte Kupferfläche abtragen kann. Ein Nachteil ist aber, dass im Vergleich mit einigen anderen Lösungen ein Recycel- vorgang für die Eisen(III)-chlorid-Lösung häufig sehr kostspielig ist.

Doch trotzdem ist die Lösung gerade durch ihre Vielseitigkeit in vielen Branchen das Hauptätzmittel, da das Ätzen mit der Eisen(III)-chlorid- Lösung gerade im Gegensatz zur mechanischen Bearbeitung sehr vorteilhaft ist, weil man keine großen Maschinen mehr benötigt.

Leider gibt es nicht viele Aufzeichnungen, die sich mit der chemischen Reaktion des Ätzens von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung befassen. So findet man nur wenige vereinzelte Werke, in denen das Thema oft teilweise nur angeschnitten wird.

Viele nutzen zwar den Vorgang, können aber keine Auskunft über die stattfindende Reaktion geben.

In dieser Hinsicht, denke ich, dass dem Ätzen allgemein zu wenig Be- achtung geschenkt wird. Die chemische Behandlung von Werkstoffen ist meiner Meinung nach noch nicht ganz ausgeschöpft und hat gerade jetzt in der Zeit, wo Computer und andere Elektronische Geräte sehr auf dem Vormarsch sind, noch eine lange Zukunft vor sich. Die Kup- ferproduktion wird dadurch sehr wahrscheinlich noch um einiges zu- nehmen und man wird eine Möglichkeit suchen, um den Kupferabbau in Grenzen zu halten, da die Kupfervorkommen leider nicht uner- schöpflich sind. Hier wird die chemische Behandlung bzw. das Ätzen sicher einen großen Stellenwert bekommen, da man so einen hohen Kupferverlust vermeiden kann.

Noch ist das kein großes Thema, doch die Entwicklung der elektroni- schen Geräte lässt nicht auf sich warten. Mehr und mehr Kupfer wird verwendet werden. Die chemische Behandlung von Werkstoffen steht noch am Anfang seiner Karriere und wird noch mehr Ansehen be- kommen.

Ätzen von Kupfer mit Eisen(III)-chlorid-Lösung und anderen Ätzmitteln ist meiner Meinung nach auch jetzt schon mehr als ein Vorgang, der „einfach nur Kupfer ätzen kann“ und das Recyceln von verwendetem Kupfer möglich macht. Ich denke, dass das Ätzen von Kupfer gerade im Sinne der Recyclingtechnik zukunftsweisend ist.

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¹ http://www.kupfer.de/allgemeines/ueber_kupfer.html

² Broschüre: Initiative Kupfer „Trinkwasser und Kupfer“ S.7-13

³ http://www.kupfer.de/allgemeines/vorkommen.html

⁴ http://www.kupfer.de/allgemeines/ueber_kupfer.html

⁵ Wirtschaftvereinigung Metalle e.V.

⁶ http://www.webprojection.de/Radierung/t.htm

⁷ DKI Informationsdruck, „Mechanische, chemische und elektrochemische Oberflächenbehandlung von Kupfer und Kupferlegierungen“

⁸ PdN-Ch. 7/39, Jg. 1990 S. 29

⁹ DKI Informationsdruck, Bestell-Nr. i.023: „Mechanische, chemische und elektro- chemische Oberflächenbehandlung von Kupfer und Kupferlegierungen“ S.6-7; 3.4)