神奇實驗:如何把銅幣變金幣?

科學人窗敲雨2017-09-07 15:52:47

這是一個很神奇的反應,不過往後看你就會知道,神奇的點其實不在於顏色變化。


在燒杯中加入硫酸鋅溶液和金屬鋅顆粒,以及表面光潔的銅製硬幣(需要接觸到金屬鋅)並加熱。接下來會觀察到銅幣變成銀白色:


(動圖是加速的)


把已經變成銀白色的硬幣撈出來衝乾淨,然後再放到本生燈、加熱板之類的地方進一步加熱。接下來——它變成金幣了!(喂)



當然這肯定不是金和銀。其實是硬幣的表面在反應中覆蓋上了一些金屬鋅,然後就變成了銀白色。之後充分的加熱讓鋅和銅形成了金黃色的合金,這也就是黃銅。



聽起來似乎是個簡單明瞭的反應,但是,你可能會發現其中的疑點——這反應怎麼發生的?我們在體系裡只有鋅鹽、金屬銅和金屬鋅,而現象顯示無疑是有鋅離子被還原到了硬幣的表面,那還原劑是誰?金屬銅把鋅置換出來?這反應方向不對啊……


事實上,這個反應的還原劑是鋅。是的,一個其實很古怪的電化學反應。一邊是銅電極上鋅離子被還原形成金屬鋅,另一邊是鋅電極上金屬鋅被氧化變成鋅離子……還有這種操作?


根據我看到的論文解釋,這個反應的驅動力其實來自形成合金。實驗發現,在銅和鋅表面讓鋅離子還原,這二者的趨勢(確切地說,電極電位)確實是不一樣的,如果把它們連接成原電池,鋅總是會更傾向於沉積到銅的一邊。原因可以這樣來理解:在銅的表面,鋅與銅形成了很薄的合金,這個合金其實是和純粹的金屬鋅不一樣的東西,它性質更穩定一些。


也就是說,這個總反應其實可以這樣理解:金屬鋅(性質更活潑)→銅鋅合金(性質更穩定)


從相對不穩定的狀態生成相對穩定的狀態,這樣反應看起來就合理多了。


有其他一些實驗證據可以支持這個推測,比如說其他幾種能和鋅形成合金並且比鋅穩定的金屬也能發生類似的反應。而且這個反應並不能一直持續進行,只能生成很薄的一層,因為鋅在銅中的擴散沒有那麼快,隨著反應,表面的合金中鋅比例會越來越高,最終“形成合金變得更穩定”的優勢就沒有了。


按照這個解釋,其實第一步的“銀幣”表面我們看到的也是銅鋅合金而不是純鋅,只不過因為比例不一樣所以它不是金黃色的。


這個簡單有趣的實驗有很多地方都提到,不過也有很多地方並沒有明確地解釋原理。其實這個原理還是挺有趣的_(:з」∠)_


PS:經典版本的金硬幣實驗要用到氫氧化鈉,但後來證實氫氧化鈉其實不是必要的條件。


現在的版本風險不太高,不過還是建議在專門的實驗室中進行操作。


參考資料:

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ed072p386?journalCode=jceda8

實驗操作的完整介紹見:

https://melscience.com/en/articles/alchemists-gold-experiment/

原視頻錄製者:Mel Science

題圖來源:123RF


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學會了!我要去自制好多好多"金幣"!

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TAGS:金屬鋅形成合金鋅離子反應