王水(Aqua Regia)

王水(Aqua Regia)
国立台湾大学化学系学士生张育唐/国立台湾大学化学系陈蔼然博士责任编辑

金属会受到酸的侵蚀，慢慢被酸溶解，但是有些贵金属如金、铂（白金）等，却可以抵抗大部份酸。要溶解这些金属需要使用具有强氧化能力的酸，譬如：硝酸、热浓硫酸或热浓过氯酸，此外一些混合酸也有很好的金属溶解能力。「王水(Aqua Regia)」是一种具有高度腐蚀性、氧化力，且具有强烈酸性黄色或红色发烟液体混合物，其组成成分为百分之二十五的浓硝酸与百分之七十五的浓盐酸（体积比）。

王水的英文名称是来自于其拉丁文名称，中文为意译。王水是大约在西元八世纪，由波斯炼金术士阿布‧穆萨‧贾比尔‧伊本‧哈杨(Abu Musa Jābir ibn Hayyān)所发现的。其称作「王水」的缘故，是因为当时即发现王水能够溶解一些常见的贵金属(noble metals)，例如金、铂等。然而，依然有一些金属是王水所无法溶解的。如钌、铑、锇、铱等等。

王水在配置后会产生下列反应：

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

其中原先的硝酸，以及产生的氯气、亚硝醯氯(nitrosyl chloride)，都是强氧化剂，也是王水具有高氧化力的原因。而亚硝醯氯还会继续进行下列反应：

2 NOCl (g) → 2 NO (g) + Cl2 (g)

产生的两个产物都是气体；也因此王水配置后是会逐渐分解的，必须在使用时才配置。

王水能够溶解金的原因是因为王水中的浓硝酸可以氧化元素金成金离子，然后大量氯离子再和金离子形成稳定错合物四氯金酸(AuCl4–，chloroauric acid)。其反应式如下：

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

Au3+ (aq) + 4 Cl– (aq) → AuCl4– (aq)

由于最终反应产物为四氯金酸，金变成四氯金酸的氧化电位比单纯的金氧化成金离子的氧化电位低，显示王水的氧化能力比单一浓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

王水经常被拿来製备四氯金酸，而四氯金酸是製备奈米金的重要材料。

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。

由于王水强大的氧化力，实验所用玻璃器皿的清洗常会使用王水，特别是在金奈米粒子的製程。这是因为玻璃器皿表面经常会一些残留具有还原力的金属离子，例如亚铁离子、镍二价离子等，造成金离子相当容易被还原析出在器皿表面，产生较大颗粒的金粒子，导致製程的失败。除此之外，王水亦经常被应用在蚀刻工艺与分析化学实验。

参考资料：
1. Zumdahl, S. S. Chemical Principles, 5th 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