王水(Aqua Regia)

王水(Aqua Regia)
國立臺灣大學化學系學士生張育唐/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

金屬會受到酸的侵蝕，慢慢被酸溶解，但是有些貴金屬如金、鉑（白金）等，卻可以抵抗大部份酸。要溶解這些金屬需要使用具有強氧化能力的酸，譬如：硝酸、熱濃硫酸或熱濃過氯酸，此外一些混合酸也有很好的金屬溶解能力。「王水(Aqua Regia)」是一種具有高度腐蝕性、氧化力，且具有強烈酸性黃色或紅色發煙液體混合物，其組成成分為百分之二十五的濃硝酸與百分之七十五的濃鹽酸（體積比）。

王水的英文名稱是來自於其拉丁文名稱，中文為意譯。王水是大約在西元八世紀，由波斯煉金術士阿布‧穆薩‧賈比爾‧伊本‧哈楊(Abu Musa Jābir ibn Hayyān)所發現的。其稱作「王水」的緣故，是因為當時即發現王水能夠溶解一些常見的貴金屬(noble metals)，例如金、鉑等。然而，依然有一些金屬是王水所無法溶解的。如釕、銠、鋨、銥等等。

王水在配置後會產生下列反應：

HNO₃ (aq) + 3 HCl (aq) → NOCl (g) + Cl₂ (g) + 2 H₂O (l)

其中原先的硝酸，以及產生的氯氣、亞硝醯氯(nitrosyl chloride)，都是強氧化劑，也是王水具有高氧化力的原因。而亞硝醯氯還會繼續進行下列反應：

2 NOCl (g) → 2 NO (g) + Cl₂ (g)

產生的兩個產物都是氣體；也因此王水配置後是會逐漸分解的，必須在使用時才配置。

王水能夠溶解金的原因是因為王水中的濃硝酸可以氧化元素金成金離子，然後大量氯離子再和金離子形成穩定錯合物四氯金酸(AuCl₄^–，chloroauric acid)。其反應式如下：

Au (s) + 3 NO₃^– (aq) + 6 H⁺ (aq) → Au³⁺ (aq) + 3 NO₂ (g) + 3 H₂O (l)

Au³⁺ (aq) + 4 Cl^– (aq) → AuCl₄^– (aq)

由於最終反應產物為四氯金酸，金變成四氯金酸的氧化電位比單純的金氧化成金離子的氧化電位低，顯示王水的氧化能力比單一濃硝酸的氧化能力更好。

AuAu³⁺ + 3 e^–    E0 = -1.52 V

Au + 4 Cl^– AuCl₄^– + 3 e^–    E0 = -1.002 V

王水經常被拿來製備四氯金酸，而四氯金酸是製備奈米金的重要材料。

王水也可以用來溶解一些難溶的固體，如硫化汞。王水中的氫離子(H⁺)和硫化汞中的硫離子結合成硫化氫，王水中的氯離子(Cl^–)和硫化汞中的汞離子形成穩定的錯合物四氯化汞離子(HgCl₄^–)，此外，王水中的硝酸根將硫離子氧化成元素硫。這些過程降低（消耗）了溶液中硫離子與汞離子，根據勒沙特列原理，固體繼續溶解，促進了硫化汞的溶解度。

由於王水強大的氧化力，實驗所用玻璃器皿的清洗常會使用王水，特別是在金奈米粒子的製程。這是因為玻璃器皿表面經常會一些殘留具有還原力的金屬離子，例如亞鐵離子、鎳二價離子等，造成金離子相當容易被還原析出在器皿表面，產生較大顆粒的金粒子，導致製程的失敗。除此之外，王水亦經常被應用在蝕刻工藝與分析化學實驗。

參考資料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5^th edition; Houghton Mifflin Company: Boston, 2003; p. 335.
2. Wikipedia—Aqua regia  http://en.wikipedia.org/wiki/Aqua_regia
3. Wikipedia—Chloroauric acid  http://en.wikipedia.org/wiki/Chloroauric_acid