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王水知多少？

2013-08-25 01:06 毕业

   

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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般金屬常可與酸作用，釋放出氫氣。例如，鋅和硫酸的反應是： Zn+H₂SO₄ → Zn²⁺+SO₄^2-+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： （科教范文网http://fw.NSEAC.com编辑发布）
　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。〔註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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