波尔(—),全名尼尔斯·亨瑞克·戴维·波尔(NielsHenrikDavidBohr),丹麦人,是原子物理学的奠基人,由于他在科学研究领域的出色表现,获得了众多的奖项,其中他获得的“诺贝尔物理学奖”的奖章还有一段奇特的故事。
那是年秋,第二次世界大战爆发。德国法西斯占领了丹麦,并且扬言要全面通缉波尔。就在他整理行装准备出逃到国外时,从箱子里翻出了诺贝尔金质奖章。对于波尔来说,诺贝尔金质奖章不仅仅是自己珍贵的纪念品,更是一种荣誉;既是对自己科研努力的肯定,更是祖国和人民的骄傲,绝不能将它留给德国法西斯匪徒。正当波尔左右为难,不知将金牌藏在何处时,他的目光停在了一个装有无色液体的瓶子上,波尔立即将金牌放进了这个瓶子中,神奇的现象出现了:金牌在溶液中慢慢地消失不见了,而那瓶溶液与原来一样晶莹透明。这样波尔巧妙地将奖章珍藏了好几年。第二次世界大战结束后,波尔回到丹麦家中,立刻就去找那个装有神秘液体的玻璃瓶,非常庆幸地发现它仍然摆放在原处。于是他又向溶有金牌的液体中加入了一种物质,把黄金从这种特殊液体中又提取了出来,重新做成一枚与原来一模一样的诺贝尔奖章。波尔在德国法西斯的眼皮底下藏金牌的故事一直流传至今,被传为佳话。
金的化学性质很稳定,它在高温下的有氧环境和单一酸性或碱性的条件下都非常稳定。那么,波尔用来溶解金牌的那瓶神秘的溶液是什么呢?为什么这种液体能够神秘地使如此稳定的金子消失呢?
原来这种神秘的液体名字叫“王水”(又称王酸、硝基盐酸)。王水是由浓硝酸与浓盐酸按照体积比1∶3配制而成的一种混合溶液。单一的浓硝酸或浓盐酸都是无法溶解金的,但是,这两种强酸,它们联合起来后就能够溶解金了。这是为什么呢?
化学揭秘
酸性条件下的硝酸根离子(NO3-)是一种非常强烈的氧化剂,但是它却只能溶解极微量的金(Au),当有盐酸参与时,盐酸提供的高浓度的氯离子(Cl-)可以与溶液中的少量金离子(Au3+)发生反应,形成一种稳定的离子(一种络合物的离子)——四氯合金离子([AuCl4]-),反应如下:
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络合物
络合物通常指含有络离子的化合物,例如白色的无水硫酸铜溶于水时形成蓝色溶液,这是因为生成了铜的水合离子。铜的水合离子组成为四水合铜(Ⅱ)离子{[Cu(H2O)4]2+},它就是一种络离子。形成的络合物叫硫酸四水合铜络合物{[Cu(H2O)4]SO4}。胆矾(硫酸铜晶体,CuSO4·5H2O)也是一种络合物,其组成可写为[Cu(H2O)4]SO4·H2O,它是由四个水分子与一个铜离子结合形成的络离子{读为:四水合铜(Ⅱ)离子,[Cu(H2O)4]2+}同一水合硫酸根络离子{[SO4(H2O)]2-}结合而形成的络合物。后者是由一个硫酸根离子和一个水分子结合(读为:一水合硫酸根离子)而成。
由于四氯合金离子([AuCl4]-)的生成,消耗了溶液中的金离子,溶液中金离子的浓度降低,使反应(1)继续进行。由于两个反应不断进行,最后诺贝尔奖牌就完全溶解了。
反应过程中硝酸根的氧化性并没有增强,只是盐酸提供的氯离子与金离子作用消耗了溶液中的金离子,促使金不断被硝酸氧化而已。就如一根管道,当还没有完全被堵塞时还能有水流出,若完全被堵塞后水就流不出来了,只有将堵塞的物质拿走,水才可以从管道中流出来是一个道理。这里面就涉及“化学平衡”的概念。
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化学平衡
化学平衡是指在一定条件下的可逆反应中,当正逆反应的速率相等时,反应物和生成物各组分浓度不再发生改变的状态。化学平衡是相对的,在一定条件下是可以改变的。当条件没有改变时,反应达到动态的平衡。但是,改变条件后,这个平衡就被打破,平衡会发生移动。如二氧化氮与四氧化二氮的相互转化反应,就是一个典型的化学平衡。将装有二氧化氮和四氧化二氮的混合气体放入密封的玻璃双球中,然后将两球中间的玻璃管封闭,两球的颜色是一致的(左图);分别将左球放入热水中,右球放入冰水中时,能够明显地观察到左球中的颜色变深(平衡向逆反应方向移动),右球中的颜色变浅(平衡向正反应方向移动)。
温度对化学平衡的影响
可逆反应
化学反应同时存在正反应和逆反应两种反应。可逆反应是指在同一条件下,既能向正反应的方向进行,同时又能向逆反应的方向进行的反应。绝大部分反应都存在可逆性,一些反应在一般条件下并非可逆反应,而改变条件(如降低反应物的浓度、改变温度等)平衡就会向逆反应方向移动(如上面的四氧化二氮向二氧化氮转化)。
金牌溶于王水的原因我们清楚了,那波尔又是怎样将金子从这种特殊的液体中弄出来的呢?他加入的物质是什么呢?
波尔将金提取出来的方法主要是利用了金属具有较强的还原性的特点。
在前面“点铁成铜”中我们说过,金属的活泼性是不一样的,排在前面的金属能够将排在它后面的金属从它们的盐中置换出来。
将溶有金的王水稀释(稀释后的溶液,就不具有“王水”的作用了),再用在金属活动性顺序表中排在金之前的不易与稀酸反应的金属(如Cu、Pt等金属,最好是铜,铂的价格太贵)将金从混合液中还原出来就可以了。反应式如下:
溶液中的Au3+被还原为Au,使得溶液中Au3+的浓度减小,从而使前面的反应式(2)中反应向左移动。
络合物[AuCl4]-逐渐分离为Au3+和Cl-。随着反应的进行,溶液中的金离子逐渐被还原为金单质,这样就将金置换出来,波尔又重新请人铸造了一枚诺贝尔奖章。