“溶解”諾貝爾獎章的新方法
2020年10月05日11:22

  來源:X一MOL資訊

  眼看新一年的諾貝爾獎就要公佈了,那閃閃發光的金質獎章幾乎是所有科學家的夢想。不過,有的科學家卻想方設法要讓它“消失”。

圖片來源於網絡
圖片來源於網絡

  二戰期間,玻爾教授在丹麥哥本哈根的理論物理研究所一直是德國猶太物理學家的避難所,1914和1925年諾貝爾物理學獎得主勞厄(Max von Laue)和弗蘭克(James Franck)也將他們的諾貝爾獎章存放在這裏,以防被希特勒當局沒收。然而,1940年德國入侵丹麥,眼看獎章不保,當時在該研究所工作的匈牙利化學家德海韋西(George de Hevesy,1943年諾貝爾化學獎得主)提出,乾脆把獎章溶解了算了。果然,納粹入侵者並沒有注意實驗台上的瓶瓶罐罐,兩塊“消失”在王水中的獎章也就躲過了搜查。戰爭結束後,德海韋西將黃金從酸中沉澱出來,並送到了瑞典皇家科學院和諾貝爾基金會,而後者也重新鑄造了獎章,再次將其頒發給勞厄和弗蘭克。

  這裏要說一下,1922年諾貝爾物理學獎得主玻爾的獎章並沒有像很多以訛傳訛的網文所描述的那樣一起被溶解掉。據諾獎官網文章,在德海韋西溶解勞厄和弗蘭克的兩塊獎章之前,玻爾已經將他的獎章捐贈給芬蘭救濟基金會。在芬蘭救濟基金會舉行的拍賣會上,一位匿名買家購買了這塊獎章,並將其捐贈給了位於弗雷德里克斯堡的丹麥歷史博物館。

George de Hevesy,一個別樣的戰時英雄。圖片來源:Wikimedia
George de Hevesy,一個別樣的戰時英雄。圖片來源:Wikimedia

  王水(aqua regia),源自拉丁語,意為“皇家之水”。早在煉金術士時期(公元9世紀),就有了關於王水溶解金屬的記載。化學專業的學生,對“王水”應該再熟悉不過了,按照濃鹽酸-濃硝酸3:1的比例配製而成。面對圓底燒瓶、核磁管中那些難以清洗的“頑固分子”,王水是排在倒數第二的常規解決方案(終極方案,應該是假裝摔碎了,然後買個新的吧~)。

用王水清洗核磁管。圖片來源於網絡
用王水清洗核磁管。圖片來源於網絡

  時至今日,王水提金依舊是冶金行業的常用工藝。然而,王水這種超強腐蝕性混合物存在很大的風險,每次在實驗室使用時,我們都要全副武裝、小心翼翼。在工業應用中,不但風險高,對環境的影響也非常大。因此,研究人員一直致力於尋找它的替代品。比如有研究者提出“有機王水”(由亞硫酰氯和極性非質子有機溶劑組成) 、“干王水”(FeCl3–KCl)等,但這些方法都有缺點,不能真正的代替王水。

“有機王水”蝕刻電路板工藝。圖片來源:Angew。 Chem。 Int。 Ed。
“有機王水”蝕刻電路板工藝。圖片來源:Angew。 Chem。 Int。 Ed。

  近日,比利時魯汶大學(KU Leuven)的Koen Binnemans課題組在Chemical Communications 雜誌上發表論文,開發出一種簡單且環保的方法,不用王水溶解貴金屬。他們利用高濃度的硝酸鋁和氯化鋁溶液,即可溶解鈀、鉑、金等貴金屬,他們還將這種方法用於從金屬絲和廢汽車尾氣催化劑中回收貴金屬。

 高濃度鋁鹽溶解貴金屬。圖片來源:Chem。 Commun。
 高濃度鋁鹽溶解貴金屬。圖片來源:Chem。 Commun。

  本文的靈感來自於1973年發表的一篇論文,其中提到一個有意思的現象,AlCl3•6H2O和Al(NO3)3•9H2O的濃溶液溶解貴金屬的速度遠大於沸騰王水。儘管該文作者寫道,這種現象的解釋將在後續論文中描述,然後……就沒有然後了。“我總是喜歡翻閱舊文獻,尋找那些當時無法解釋,但可能被現代研究方法解決的觀察結果。”Koen Binnemans說。

  受到該論文的啟發,研究者隨即製備了高濃度的AlCl3和Al(NO3)3混合溶液,並將鈀(Pd)絲置入溶液。3分鐘後,鈀絲開始溶解,4.5小時後溶解完全。類似地,將金(Au)絲置於溶液中,24小時後溶解完全。鉑(Pt)絲在幾天后溶解,而銠(Rh)絲不能溶解。這與王水溶解的結果相似,由於銠極端惰性,需要在高溫高壓的條件下才能溶解。

 金絲溶解過程(a-c分別為3 h, 5 h, 24 h)。圖片來源:Chem。 Commun。
 金絲溶解過程(a-c分別為3 h, 5 h, 24 h)。圖片來源:Chem。 Commun。

  金屬溶解的機理可通過氧化和絡合機理來解釋,例如Pt被HNO3氧化後,與氯離子形成六氯鉑酸鹽(PtCl62−)離子。在較低pH(pH < 1)下,氯絡合物可以穩定存在,而當pH升高後,將水解形成羥基絡合物。鈀具有較高的電化學電位和氯絡合物穩定性,正因為如此,溶解的最快,而鉑和銠的溶解則困難得多。

  基於溶解速率不同,可以將幾種貴金屬進行有效地分離。比如從催化劑中回收鉑族金屬,第一步浸出可以選擇在t = 15 min時,以獲得鈀的定量溶解。而鉑和銠更多的存在於殘渣中。隨後進行第二步浸出,當時間增加到4小時後,約64%的鉑可被溶解。多階段浸出過程,更有助於提高鉑和銠的分離。

鈀絲溶解過程(a-f分別為3 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 4.5 h)。圖片來源:Chem。 Commun。
鈀絲溶解過程(a-f分別為3 min, 1 h, 2 h, 3 h, 4 h, 4.5 h)。圖片來源:Chem。 Commun。

  待金屬完全溶解後,利用維生素C進行還原,就可以從溶液中回收貴金屬。根據還原電位,鋁不會被還原,因此可有效防止其對貴金屬的汙染。不過,如果要提高鉑族金屬回收率和純度,還需要進一步的工藝優化。

  “人們已經習慣於在苛刻條件下用各種強酸來溶解一切想要溶解的東西,我們的工作則表明,還有其他更溫和的方法來溶解貴金屬。”該文作者Sofia Riaño說 [4]。相比之下,鋁鹽溶液比王水的危險性和毒性小得多,而且易於安全處理。

  由於沒人能重複德海韋西的實驗(有王水的人多,有諾貝爾獎章的人可太少了),王水與高濃鋁鹽溶液哪個更適合溶解諾貝爾獎章就沒辦法通過實驗來比較了。但小希認為過程看起來應該差不多,從網上找了個王水溶解金幣的動圖,大家看個意思吧。

王水溶解金幣。圖片來源於網絡
王水溶解金幣。圖片來源於網絡

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽