提起王水,让我想起一段传奇故事,相信很多朋友也听过:在第二次世界大战期间,丹麦在1940年的4月被德国全面攻陷。在知名物理学家尼尔斯·波尔(Niels Bohr)位于哥本哈根的实验室当中,一群科学家们正在绞尽脑汁琢磨着如何才能把马克思·冯·劳厄和詹姆斯·弗兰克的奖章藏起来不被纳粹组织发现。
马克思·冯·劳厄,德国物理学家,1912年发现了晶体的X射线衍射现象,并因此获得诺贝尔物理学奖。
詹姆斯·弗兰克,德国著名实验物理学家(后加入美国国籍)、1925年诺贝尔物理学奖得主
在德军攻占丹麦之前,这两款奖章已经被他们悄悄地从德国偷运出来,没想到现在纳粹的魔爪已经伸到了家门口,如果再不想办法藏好这两枚奖章,也许下一个消失的就不仅仅是这些奖章了。当时在希特勒·阿道夫统治下的德国法律规定任何偷运都属于违法犯罪行为,因为在纳粹的管辖下,不允许任何黄金离开德国国界半步。
纳粹组织已经怀疑到会有科学家将奖章偷运出国,就差找出确凿的证据。
就在这迫在眉睫的时刻,匈牙利化学家乔治·德海韦西如及时雨般出现。一开始乔治的办法是想把奖章埋藏起来,但大家觉得这个办法不可靠,因为这样做的话奖章就很难被后人继承。还好,作为化学家的乔治最终拿出了自己的看家本领——用化学反应的方法将两枚金质奖章溶解,没想到众人异口同声的表示赞同。但问题来了,大家都知道黄金是一种不活泼的金属物质,很难找到可以将黄金溶解的溶剂,除非他们可以尽快配制出“王水”(aqua regia)。
王水是两种不同强酸溶液的混合物——硝酸(nitric acid)和盐酸(hydrochloric acid),两者混合的体积比一般为3:1.。
这两种酸当中的任意一者都无法将黄金融化,除非将两者按照这一比例混合。原理是这样的:酸性条件下的硝酸根离子(NO3-)是一种非常强烈的氧化剂,它可以溶解极微量的金(Au),而盐酸提供的氯离子(Cl-)则可以与溶液中的金离子(Au3 )反应,形成四氯合金离子([AuCl4]-),使金离子在氯离子的配位作用下减少,降低了金离子的电势,反应平衡移动,这样金属金就可以进一步被溶解了。其实硝酸根的氧化性并没有增加,只是盐酸提供的氯离子增强了金原子的还原性。
王水溶解金的反应方程式如下:Au HNO₃ 4HCl=H[AuCl4] NO↑ 2H₂O
这个办法居然让这帮科学家们躲过一劫,尽管纳粹军阀已经将这个实验室翻了个底朝天,但还是没有找到他们想要的黄金奖章,因为那些搜查现场的士兵从来没能想到乔治会使用这种化学把戏。很幸运,这两块奖章没有落入纳粹组织的手中。
多年以后,他们从溶液当中回收黄金,但使用的是亚硫酸氢钠(sodium bisulfite)或者其他相似的溶剂,这种溶剂可以将黄金元素进行沉淀。之后,这些黄金被寄回诺贝尔奖委员会,在那里两枚奖章得以重见光明。
王水是一种腐蚀性非常强、冒黄色烟雾的液体,是浓盐酸(约35%HCl)和浓硝酸(约65%HNO₃)按体积比为3:1组成的混合物。它是少数几种能够溶解金(Au)物质的液体之一,它名字正是由于它的腐蚀性之强而来。王水的发现,一般认为波斯的炼金术士贾比尔·伊本·哈扬(Jabir ibn Hayyan)于公元800年左右将盐酸与硝酸混合在一起发现了能够溶解金的王水。中世纪的炼金术士试图用王水来找到哲学家的石头。直到1890年,化学文献中才描述制备酸的方法。
在很长的一段时间内,人们认为王水就是酸中之王,是最强的酸了,因为即使是黄金,遇到王水也会像“泥牛入海”一样很快变的无影无踪。
直到有一天奥莱教授和他的学生偶然发现了一种奇特的溶液,它能溶解不溶于王水的高级烷烃蜡烛,人们才知道其实王水并不是最强的酸,还有比它强的酸,这就是魔酸,又叫超强酸。
从成分上看,超强酸是由两种或两种以上的含氟化合物组成的溶液。它们的酸性强的令人难以置信,比如氢氟酸和五氟化锑按1 :0.3(摩尔比)混合时,它的酸性是浓硫酸的1亿倍;按1 :1混合时,它的酸性是浓硫酸的10亿倍。所以王水在它们面前只能是“小巫见大巫”。
由于超强酸的酸性和腐蚀性强的出奇,所以过去一些极难或根本无法实现的化学反应,在超强酸的条件下便能顺利进行。比如正丁烷,在超强酸的作用下,可以发生碳氢键的断裂,生成氢气,也可以发生碳碳键的断裂,生成甲烷,还可以发生异构化生成异丁烷,这些都是普通人做不到的。
王水一般用在蚀刻工艺和一些检测分析过程中。王水不稳定,很快就分解,因此必须在使用时现配现用。 王水在冶金工业和化学分析用于溶解金属和贵金属如金,钯。铂 等。
王水也可以用来溶解一些难溶的固体,如硫化汞。王水中的氢离子(H )和硫化汞中的硫离子结合成硫化氢,王水中的氯离子(Cl–)和硫化汞中的汞离子形成稳定的错合物四氯化汞离子(HgCl4–),此外,王水中的硝酸根将硫离子氧化成元素硫。这些过程降低(消耗)了溶液中硫离子与汞离子,根据勒沙特列原理,固体继续溶解,促进了硫化汞的溶解度。
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