La soluzione piranha è usata per allontanare residui di sostanze organiche dai substrati; tale obiettivo può essere raggiunto da due tipi di soluzioni piranha.
Composizione
- La soluzione piranha acida che è quella più frequentemente utilizzata costituita, in genere, da una miscela 3:1 di acido solforico concentrato e perossido di idrogeno al 30%
- La soluzione piranha basica costituita da una miscela 3:1 di idrossido di ammonio e perossido di idrogeno al 30%
La reazione tra acido solforico e il perossido di idrogeno che deve essere aggiunto lentamente all’acido avviene spontaneamente a temperatura ambiente. Tuttavia affinché avvenga la reazione tra idrossido di ammonio e perossido di idrogeno si deve riscaldare la soluzione a 60°C.
La soluzione è altamente ossidante e corrosiva e potenzialmente pericolosa al punto che i vecchi chimici ne raccomandavano l’uso solo in presenza di un altro chimico che doveva esserne a conoscenza.
La soluzione va comunque preparata immediatamente prima dell’uso tenendo conto che la reazione tra acido solforico e perossido di idrogeno è altamente esotermica potendo superare i 100°C e sicuramente esplosiva se si utilizza perossido di idrogeno al 50%.
Sebbene tale soluzione possa essere usata per la pulizia della vetreria di laboratorio, stante la sua pericolosità, viene abitualmente utilizzata per la pulitura di wafer di silicio che costituiscono l’elemento base per la realizzazione di circuiti integrati o di superfici metalliche destinate ad usi speciali che tendono ad adsorbire sostanze organiche.
La capacità di una soluzione piranha di eliminare residui organici è dovuta a due diversi processi che avvengono con una velocità diversa.
Reazioni
Nel primo processo, che è quello più veloce, avviene la reazione tra acido solforico e perossido di idrogeno. Si forma un perossiacido H2SO5 detto acido di Caro che è un forte agente ossidante secondo la reazione:
H2SO4 + H2O2 → H2SO5 + H2O
Nella soluzione piranha sono quindi contenuti acido solforico, perossido di idrogeno e acido perossimonosolforico. L’acido solforico, da solo, è in grado di disidratare i composti organici dando luogo alla formazione di carbonio in cui gli atomi di carbonio spesso si presentano sotto la forma allotropica di grafite.
Ad esempio dalla reazione tra saccarosio e acido solforico, in presenza dell’ossigeno dell’aria:
2 C12H22O11 + 2 H2SO4 + O2 → 22 C + 2 CO2 + 24 H2O + 2 SO2
A contatto con il perossido di idrogeno, inoltre, l’acido solforico dà luogo alla formazione di ione idronio, ione idrogenosolfato e ossigeno atomico:
H2SO4 + H2O2 → H3O+ + HSO4– + O
L’ossigeno elementare è in grado di reagire con gli allotropi del carbonio rompendo i legami carbonio-carbonio e “divorando” ogni cosa