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王水知多少?

时间:2017-09-01 化学毕业论文 我要投稿
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【摘要】今年3月初,國內各報章雜誌、廣播電視紛紛言及「王水」,惜多有謬誤,即使所謂的「化學資優生」亦不識王水之性。今乃借用《科學月刊》1些篇幅,和您談談「王水」。 本文首先介紹王水發現的歷史,以及牛頓對王水提出的解釋;並利用現代的「氧化還原電位」觀念來分析王水為什麼能溶解金?又為什麼不能溶解銀?王水,其實並不像您想像的那樣可以溶解任何物質。 王水的發現 早期歐洲及阿拉伯的鍊金家多以爐火加熱,進行反應。約在102到103世紀時,才有可溶解金屬的強水(aqua foris)和王水(aqua regia)之記載。這些酸性「水」可用來確認和分辨金、銀,也讓鍊金家改用不加熱的反應方式進行鍊金。但是已知確定發明硝酸(即「強水」)的是逝於西元1327年的杜佛(Vital du Four)。著名的德國礦冶學家阿格利科拉(Agricola, 1494~1555)曾用"aqua valens"表示可以溶解金屬的「強水」,實際包括硝酸、硫酸和王水。到107世紀初才有比利時人海爾蒙(Van Helmont, 1579~1644)的記載,說明由「強水」和砂(即氯化銨)製成可以溶解黃金的「王水」。1624年有人稱之為「辨識水」(Scheidewasser,德文),因可以區別金和銀。當時人已知道:銀可以溶於強水但不溶於王水,而金可溶於王水但不溶於強水。直到109世紀瑞典人柏濟留斯(Berzelius, 1779~1848,即中學教科書裡的「巴結流」)才確定以1份硝酸和2到4份鹽酸都可配成王水。 王水的作用 1般金屬?膳c酸作用,釋放出氫氣。例如,鋅和硫酸的反應是: Zn+H2SO4 → Zn2++SO42-+H2 其中鋅失去電子氧化成鋅離子,酸中的氫離子還原成氫。只要金屬的標準氧化電位高於氫,或標準還原電位低於氫(氫的標準氧化電位及標準還原電位都定為0),此金屬可以溶在酸中,如鋅即是。反之,如銅、銀則不溶在1般酸中(如表1)。 然而,硝酸本身具有強氧化力,本身還原分解成1氧化氮:
 NO3-+4H++3e-→NO↑+2H2O    【瀏覽原件】
 銀、銅等金屬標準還原電位比它小,故可受氧化而溶解,因為硝酸稱為「強水」,表示比1般酸為「強有力」。例如:
  3Ag+NO3-+4H+→NO↑+3Ag++2H2O   【瀏覽原件】
 但金及鉑在酸中氧化電位極低,還原電位極高,如
  Au→Au++e-  【瀏覽原件】  Au+→Au3++2e-   【瀏覽原件】
 硝酸也無法與之反應。
 若硝酸與鹽酸混合,則有氯離子存在,金與鉑的氧化電位因形成錯離子而提高,例如:
 Au+4Cl-→  AuCl4- +3e-  【瀏覽原件】 已和硝酸相差無幾,反應即可進行: Au+4H++4Cl-+NO3- →AuCl4-+NO+2H2O 硝酸、鹽酸混合物因可溶解金屬之王──金,故稱為「王水」。但王水本身並不安定,1莫耳硝酸和3莫耳鹽酸在室溫即發生反應,亦即硝酸將鹽酸氧化。 HNO3+3HCl→NOCl↑+Cl2↑+2H2O 牛頓與王水 牛頓(Issac Newton, 1642~1727)也用過王水做他的煉金術研究,圖1中欄的第5、第6行是牛頓親筆所寫強水和王水的符號。他也知道「強水溶解銀,王水溶解金」的事實。為了解釋這現象,他曾提出1個問題: 是否可以說「強水已經微細到不但能鑽進銀子而且足以鑽進金子中去,但缺少使它能鑽進金子的吸引力;而王水已經微細到不但能鑽進金子而且足以鑽進銀子中去,但缺少使它能鑽進銀子的吸引力」呢?〔註1〕 因他認為「在王水中除了強水和1些鹽精(即鹽酸)或砂外,什麼也沒有」。這是牛頓在3百年前所倡物質由微粒所構成之「微粒說」的1種解釋。他又認為: 在自然界裡,確有某些神秘的原則,根據這1原則,液體與有些東西有交際,與另1些卻不相交際。……所以強水能溶解銀,但不能溶解金;而王水能溶解金,卻不能溶解銀!苍]2〕 這種說法當然是不正確的,但可以看出近代科學萌芽時期,科學家如何試圖建立理論來解釋現象。 王水何以不能溶解銀? 強水(硝酸)可以溶解銀,但不能溶解金的原因已見上文,但為什麼王水不能溶解銀呢?實際上,王之所以稱「王」只因它可以溶解金,而非表示它可以溶解任何物質。銀「不」溶於王水是因為銀和氯離子不生成錯離子,而是形成氯化銀固體。所以,1旦銀和王水中的硝酸作用,被氧化成銀離子(見上文),立即和鹽酸中的氯離子化合而成氯化銀沈澱物: Ag++Cl-→ AgCl↓ 氯化銀覆蓋於銀的表面,因而阻止了銀繼續反應。就像有些金屬(如鋁、鋅)會和空氣中的氧作用產生氧化物薄膜,保護該金屬不再繼續作用1樣。 劉廣定任教於台灣大學化學系 註1:此段文字原載於牛頓的《光學》(Opticks),但1時找不到原書,故譯文乃依吳以義著《庫恩》39頁(東大圖書公司,民國85年),但刪去1些贅字。 註2:此段文字原載於牛頓與波以耳的通信集,亦因手邊無原書,依吳以義,前引書43頁而錄。

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