Ferric Chloride

Ferric Chloride

 Ferric Chloride เรามาทำความรู้จัก สารเคมี ที่กัดผิวทองแดงกันครับ

คุณสมบัติทางเคมี           นับตั้งแต่ Rembrandt จิตรกรชาวฮอลแลนด์ ได้นำ Nitric acid และ Dutch mordant มาใช้กัดทองแดง ก็นับเป็นจุดเปลี่ยนของศตวรรษที่สารละลาย ferric chloride ถูกนำมาใช้ในงานกัดผิว สาเหตุทั่วไปก็เนื่องมาจากปฏิกิริยาของมันกับ gum bichromate gelatine รวมทั้งเรื่องสุขภาพและความปลอดภัยในการทำงานที่ถูกเน้นมากขึ้น เราจึงต้องหันกลับมาประเมินเกี่ยวกับสารเหล่านี้และสารเคมีตัวอื่นๆที่ใช้งาน
          เกลือ Ferric chloride ไม่มีข้อเสียในการผสมสารละลาย etching อื่นๆ อีก 2 ตัว มันไม่เกิดไอที่เป็นอันตราย ไม่มีกลิ่น แม้ว่าจะเป็นสารกัดกร่อน แต่ก็ไม่ซึมสู่ผิวหนัง
          สารละลาย Ferric chloride ในน้ำมีฤทธิ์เป็นกรดแก่แต่ปฏิกิริยาของมันกับทองแดงไม่ก่อให้เกิดไอหรือควัน กล่าวง่ายๆ ยกเว้น free oxygen ที่เกิดขึ้น ทองแดงจะไม่ทำปฏิกิริยากับ hydrochloric acid ซึ่งเป็นกรดที่ถูกสร้างจากสารละลาย ferric chloride
          เมื่อ Ferric chloride ถูกละลายในน้ำ สารละลายจะมีฤทธิ์เป็นกรดแก่เนื่องจากผลของปฏิกิริยา hydrolysis ปฏิกิริยาทางเคมีมีสูตรดังนี้

          โดยพื้นฐาน สารละลาย Ferric chloride ในน้ำจะแตกตัวเป็น iron (ferric) และ chloride ions ขณะที่น้ำจะแตกตัวเป็น hydrogen และ hydroxyl ions
                                                  FeCl3 <=> Fe3 + 3Cl (1)
                                                  H2O <=> H3 + OH (2)
          Ferric ions บางส่วนจะรวมตัวกับ hydrogen และ hydroxyl ions กลายเป็น ferric hydroxide สารประกอบซึ่งลายได้น้อยและตกตะกอนในสารละลายเป็นของแข็งสีน้ำตาล
                                                  Fe3 + 3OH <=> Fe(OH)3 (3)
          ตะกอนนี้มีประโยชน์ในการเอา Hydroxyl ions ออกจากสารละลาย เหลือไว้แต่ hydrogen ions จำนวนมาก และการมีอยู่ของ hydrogen ions ก็ทำให้สารละลายมีฤทธิ์เป็นกรด เพราะว่าคุณสมบัติของโลหะเป็นที่รู้กันอยู่แล้วว่าเป็นขั้วลบ ทองแดงจึงเข้าแทนที่ iron ตามสมการ และ กลายเป็นสารผสมระหว่าง ferrous และ cupric irons
อย่างมีประสิทธิผล ทองแดงละลายได้โดยไม่เกิดแก็สใดๆ
                                                  2Fe3 + Cu (solid) <=> 2Fe3 + Cu2 (4)
          Ferrous ions จะเริ่มเสถียรขึ้นขณะที่สารละลายเริ่มมีความเป็นกรดและช่วยให้การละลายทองแดงง่ายขึ้น ขณะที่ในสารละลายพื้นฐาน (มีความเป็นกรดน้อย) จะมีแนวโน้มที่ ferrous ions จะถูกแปลงกลับไปเป็น ferric เมื่อทองแดงละลายมากขึ้นเละมากเกินขีดจำกัดที่จะละลายได้ cupric chloride จะตกตะกอนจากสารละลาย จากสีเขียวเป็นของแข็งสีน้ำเงินStrengths and Mixing
          Ferric chloride จะมีทั้งที่เป็นของแข็ง (ไม่แนะนำให้ใช้เพราะว่ามันจะเกิดไอ hydrogen chloride ที่เป็นพิษสูงเมื่อผสมกับน้ำ) และในรูปแบบของเหลวซึ่งมักจะมีค่า strength ที่ 45o Baume ซึ่งค่านี้แสดงความถ่วงจำเพาะที่ 1.43 โดยประมาณหรืออัตราส่วนของน้ำหนักต่อปริมาตร 39-41% การผสม ferric chloride สามารถใช้ค่านี้ได้โดยไม่ต้องใส่ใจค่าอื่นๆ
          ในการสร้างสารละลาย Etching ทั่วไป จะใช้น้ำ 2 ส่วน ต่อสารละลาย ferric chloride 1 ส่วนที่ค่า strength 42o Baume
การเตรียมสารละลาย
          ถึงตอนนี้ ferric chloride ที่มีความเป็นกรดสูงต้องการขั้นตอนที่จะเอา free acid ออกและปรับสภาพสารละลาย วิธีหนึ่งคือใส่ทองแดงจำนวนเล็กน้อยเข้าไปและปล่อยให้ละลาย อีกวิธีหนึ่ง (ซึ่งเป็นวิธีที่ได้ผลมากกว่า) คือนำสารละลาย stock 10cc เติมสารละลาย ammonia 9% ที่ใช้ทั่วไป 10cc ผลที่ได้จะทำให้ตะกอน ferric chloride นอนก้น ก่อนที่จะรินของเหลวออกและเติมตะกอนที่ได้ลงในสารละลาย stock 1 ลิตร ถ้าวงจรการ etching โดยใช้ ferric chloride พึ่งเริ่มต้น วิธีที่ 3 น่าจะง่ายกว่าดังนี้ นำของเหลว ferric chloride ที่ใช้แล้ว (ประกอบด้วย ferric hydroxide) เติมด้วยสารละลาย stock 42o Baume ใหม่ ในอัตราส่วน ของเหลวใช้แล้ว 1 ส่วนต่อสารละลาย 42o Baume 10 ส่วนColor in use
          เงื่อนไขการ etching ที่ดีที่สุดมักจะเกิดขึ้นหลังจากทำการ etching ส่วนหนึ่งไปแล้ว (เป็นผลของช่วงระยะเวลา”ฟักตัว”ของปฏิกิริยาเคมีที่จะคงตัว) แต่ในขณะที่ปฏิกิริยา etching ดำเนินต่อไปสารละลายจะเริ่มมีประสิทธิภาพลดลง การหมดประสิทธิภาพจะสามารถสังเกตได้จากสีที่เปลี่ยนไป จากเริ่มต้นเป็นสีน้ำตาลแดง (ferric hydroxide) กลายเป็น น้ำตาลขุ่น (เหมือนโคลน) (ferric และ ferrous hydroxide) เมื่อสารละลายทำงานมีประสิทธิภาพมากที่สุด และสุดท้ายเป็นสารละลายสีเขียวเข้มและตะกอนสีดำ (cupric salt ในสารละลายและตกตะกอนโดย hydroxide) ถึงขั้นตอนนี้สารละลายจะหมดประสิทธิภาพและต้องมีการเปลี่ยน การเติม calcium ลงไปช้าๆ (washing soda crystals หรือ soda ash) จนกระทั่งหมดฟอง (และค่า ph ถึง 7) ที่จุดนี้สารละลายจะเป็นธรรมชาติและสามารถกำจัดทิ้งได้อย่างปลอดภัยThe Upside down Myth
          คำแนะนำทั่วไปคือควรกัดแผ่นทองแดงใน Ferric chloride โดยวางคว่ำหน้าหรือวางในแนวตั้ง เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ตะกอน ferric hydroxide ไปอุดตันเส้นที่ etch ซึ่งจะขัดขวางการ etching ได้ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้จะไม่จำเป็นถ้าแผ่นทองแดงที่วางหงายหน้าขึ้น ถูกเอาออกจากสารละลายทุกๆ 20 นาทีแล้วนำไปล้างให้น้ำเย็นไหลผ่านเพื่อเอาตะกอนออกก่อนจะนำไปกัดต่อ กระบวนการนี้ไม่มีผลเสียต่อสาร etchants อื่นๆและมีข้อดีในการใช้ตรวจสอบงาน อย่างไรการ etching งานแบบลึกๆ ยังคงต้องทำกลับด้าน ถ้าการกัดงานสมบูรณ์แล้ว ต้องนำแผ่นงานไปทำความสะอาดกับน้ำที่ไหล เพราะว่า ferric chloride ที่ยังเหลืออยู่จะทำปฏิกิริยากัดต่อไป
Ease of Use
          โดยสรุป Ferric chloride เป็นสารเคมีและควรสัมผัสอย่างระมัดระวัง อย่างไรก็ตาม ไม่มีการแสดงระดับความเป็นพิษที่สัมพันธ์กับ nitric acid และ Dutch Mordant มีเพียงคำเตือนให้เก็บสารละลายไว้ในขวดพลาสติกและล้างด้วยน้ำเมื่อสัมผัสถูกผิว ไม่จำเป็นต้องมีตู้ดูดไอ
สารละลาย 42o Baume ที่ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดของมันจะกัดลายลึกๆได้ดีมาก เมื่อเจือจางเหลือประมาณ 32o Baume โดยการเติมน้ำจำนวนเท่ากัน มันจะมีประสิทธิภาพเหมาะสมกับงาน soft-ground และงานที่มีความละเอียดโดยไม่เสียเวลาในการกัดเพิ่มและลดการกัดที่เสีย กรณีที่จำเป็นต้องกัดงานที่ความลึกน้อย ค่า strength ของสารละลายจะต้องถูกทำ personal taste (acrylic resist techniques สำหรับหาค่า strength ที่แน่นอนของสารละลาย ferric chloride) ระยะเวลาที่ใช้กัดจะลดลง