What is Aqua Regia, and what makes it royal?

Aqua regia, latin for “royal water”, is a fascinating, dangerous, and useful liquid that some of us in the Center for Sustainable Nanotechnology directly use of a regular basis. この強力な物質を研究に利用する方法を学ぶにつれ、私は不思議に思うようになりました。 この強力な物質を研究に利用する方法を知るにつれ、私はこの物質がなぜロイヤルなのか、疑問に思うようになりました。 アクアレギアは、プラチナ、銀、金など、通常は溶解が困難な多くの金属を溶解することができることがわかったのです。 これらの金属は貴金属と呼ばれ、これらを溶かすことができる溶液に “王水 “の称号が与えられたのです。 アクア・レジアは単一の化学物質ではなく、塩酸(HCl)と硝酸(HNO3)という2つの酸の混合物である。 アクア・レジアの場合、その製品は部分の和よりも強力であり、それゆえに有用である1

貴金属の一部を周期表から化学記号で列挙したもの。 金はAu、銀はAg、プラチナはPt、銅はCuである。 (image by Tomihahndorf)

しかし、詳しく説明する前に、一歩引いて考えてみましょう。 皆さんは「酸」と聞いて何を思い浮かべますか? おそらく次のようなものでしょう:

フラスコの中で起きている不気味な反応! これは酸なのか? (画像は)

あるいは、ポケモンGOで相手を毒殺する特定の技を思い浮かべるかもしれません!

アーボックは酸を使った! (Screenshots of Pokemon Go by Pokémon Master Joe Buchman)

危険な酸は腐食性があり、絶対に触りたくないということくらいは、多くの人が知っているのではないでしょうか。 酸はさまざまな方法で定義することができます。 一つは、溶液中の水素イオンの濃度を増加させるものという定義です。 酢酸である酢や、クエン酸を含むオレンジジュースのように、弱くて比較的無害な酸もあります。 私たちはオレンジジュースを飲んだり、酢を料理や掃除に使ったりすることができます。 一方、強酸は接触すると非常に有害です。 たとえば、自動車用バッテリーなどの鉛蓄電池の電解液として使われる硫酸です。

アクアレギアは、塩酸(HCl)と硝酸(HNO3)という2つの強い酸が反応して、非常に酸性の溶液になるのです!アクアレギアは、塩酸と硝酸を混ぜ合わせたものです。 塩酸に硝酸を加えると、濃い黄色やオレンジ色の溶液ができる。 これは、硝酸に塩酸を加えて、アクアレギアの特徴である黄色・オレンジ色を形成している様子を撮影したタイムラプス動画です。

前述したように、アクアレギアはその部分の合計よりも強力なものです。 塩酸も硝酸も単独では溶解しないのに、金を溶解するのです!

アクアレギアに溶解した金塊!? (image by Daniel Grohmann)

How Can Aqua Regia Dissolve Gold?

多くの金属は元素状とイオン状とがあります。 化学者は、電荷がないことを示すために、化学記号に上付き文字「0」を付けます:金の場合、これはAu0となります。 酸化剤と呼ばれるものを使うと、Au0分子は電子を失い、Au3+という正電荷のイオンに変化する。 硝酸は強力な酸化剤の一例であり、両者を組み合わせるとAu0をAu3+に変化させることができる。 そして、正の金イオンは溶解し、液剤の一部となる。 7642>

アクアレギア中で塩酸と硝酸を合わせると、塩酸はH+とCl-イオンに分離する。 反対側のイオンは引き合うので、Cl-イオンはAu3+と反応してAuCl4-(テトラクロロゴールドとも呼ばれる)を形成することができます。 Au3+はテトラクロロゴールドの一部となったので、溶液から取り除かれる。

これはルシャトリエの原理の例で、反応の生成物が消費される場合、その分反応が進み、より多くの生成物を作ることができることを本質的に示しています。 パン屋の例で考えてみましょう。パン屋のカップケーキがすぐに購入されるなら、パン屋はさらに作り続けます。

カップケーキを作ることは、ルシャトリエの原理の素晴らしい例です(米空軍撮影:Saff Sgt. Emily Kenney)

金はほんの一例で、アクア・レジアは他の金属をも溶かすことができます。 アクアレギアは他の金属も溶かすことができるのです!私たちの研究室には、溶かすための金がなかったので、銅を使ってみることにしました。 このブログのために、銅をアクアレギアの中に入れてどうなるか見てみましたが、1時間ほどで完全に溶けてしまいました!

左:アクアレギアに入れた銅のかけらです。 右:1時間後、銅はアクア・レジアに溶けてしまった!? (2 人のドイツのノーベル賞受賞者、マックス・フォン・ラウエとジェームズ・フランクは、金のノーベル賞をデンマークのニールズ・ボーアの研究室に送って保護してもらいました。 ナチスがコペンハーゲンに進攻したとき、ボーアの研究室で働くハンガリー人の化学者ジョージ・デ・ヘヴェシーは、メダルを守るために迅速に行動しなければならなかった。 彼は何をしたと思いますか?

そうです!アクアレギアに溶かしたのです。 ナチスの兵士たちは黄色い液体の入ったビーカーを完全に無視し、第二次世界大戦が終わった後、デ・ヘヴェシーは無傷の溶液を発見しました。 そして、その金塊はストックホルムのスウェーデン・アカデミーに返却され、新しいノーベルメダルに鋳造され、本来の持ち主に返されたのである。 つまり、アクア・レジアは貴金属を溶かすだけでなく、ノーベル賞のメダルも溶かすのです!

George de Hevesy, a different kind of wartime hero (image from Wikimedia)

Aqua Regia in the CSN

How does this all tie to the work being done in the Center for Sustainable Nanotechnology? CSN では、多くの複雑な金属酸化物ナノマテリアルを研究しています。 これらは、複数の異なる金属でできたナノ粒子です。 CSNでは、組成のチューニング、つまり、1つの粒子内の異なる金属の比率を意図的に変化させ、制御することを研究の1分野としています。 CSNでよく研究されている複合金属酸化物材料は、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物、略してNMCで、化学者は、粒子内の各元素の割合を示すためにLixNi0.33Mn0.33Co0.33O2と表記しています。 (これらの材料については、以前のブログ記事とポッドキャストエピソードで、こちら、こちら、こちら、こちらをご覧ください)。 等比級数」NMCでは、各粒子のニッケル、マンガン、コバルトの金属濃度が等しくなっています。3 しかし、ナノ粒子を作った後、それらが含む金属の比率を確認する必要があります。 (ナノ粒子がどのように形成されるかについては、核生成に関する最近の記事をご覧ください!) 作ったナノ材料に、思い通りの割合で金属が含まれているかどうか、どうやって確認するのでしょうか? 7642>

私たちの複合金属酸化物ナノ粒子は、液体から固体を作る沈殿反応によって合成されます(左図と中図)。 反応が終わったら、溶液から固体のナノ粒子を回収します(右図)(写真:Liz Laudadio)

そこで役立つのが、さまざまな金属を溶かすことができるアクアレギアです。 作った複合金属酸化物粒子を、アクアレギアを使って、構成する金属種(NMCの場合は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト)に溶かすことができるのです。 そして、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP-OES)という、光を用いて溶液中の各金属の濃度を分析することで、各金属の存在量を知ることができます。 材料中の各金属の濃度を知ることで、次に各金属の比率を計算し、合成が成功したかどうかを確認できます!

下の左の画像は、アクア・レジアに溶解する前の光学的に黒いナノ粒子、右の画像はアクア・レジアに溶解した粒子の溶液です!

左:黒い LiCoO2 ナノ粒子、NMC と関連する材料です。 右:LiCoO2ナノ粒子を溶解させたアクアレギア溶液。 (Photos by Liz Laudadio)

Safety First

先にも述べましたが、アクア・レジアは非常に危険な物質です。 そのため、使用する際には細心の注意を払っています。 これはアクア・レギア溶液を作る準備をしているところです。 7642>

アクアレギアを使用する際の安全対策(写真:Jaya Borgatta)

この写真では、肌を守るために白衣を着用し、手を守るために2重に手袋を装着しているところです。 目の保護は3重にしています。 安全眼鏡、顔面シールド、そしてヒュームフードのガラス板を顔の前に置いています。 これにより、目だけでなく、鼻や口もフード内の化学物質から保護され、アクアレギア製造の副産物であるガスの吸入による危険からも守られます。 また、アクアレギアを使うときは、なるべく少量ずつ使うようにしています。 使い終わったら、重曹である炭酸水素ナトリウムを使って酸を中和します!

アクア・レジアの力

かつて『ブレイキング・バッド』のウォルター・ホワイトが言ったように、「化学を尊重せよ」4 アクア・レジアは何世紀にもわたって使われてきた化学研究用の強力なツールである。 アクア・レジアは、何世紀にもわたって使用されてきた化学研究のための強力なツールであり、安全に使用すれば、その力を利用して偉大なことを成し遂げることができる。 7642>

EDUCATIONAL RESOURCES:

  • UC San Diego: Sulfuric acid carbon snake classroom demonstration
  • Chemistry in its Element Podcast: Aqua Regia
  1. アクア・レジアの化学について説明します。 https://www.scienceabc.com/pure-sciences/aqua-regia-formula-recipe-structure-dissolve-gold-platinum.html
  2. George de Hevesyに関する記事。 https://www.npr.org/sections/krulwich/2011/10/03/140815154/dissolve-my-nobel-prize-fast-a-true-story
  3. イアン・L・ガンソラス*、ミミ・N・ハング*、ナタリー・V・ハドソン-スミス、ジョセフ・T・ブフマン、ジョセフ・ベネット、ダニエル・コンロイ、サラ E・メイソン、ロバート・ハマス、クリスティー・ヘインズ(*これらの著者は同等に貢献しています)。 エンバイロメンタル・サイエンス ナノ, 2017, 4, 636-646. Doi: 1039/C6EN00453A
  4. Harnisch, F. & Salthammer, S. The Chemistry of Breaking Bad.日本経済新聞出版社. ケミストリー・ビューズ, 2013, 47, 214-221doi: 10.1002/chemv.201300114

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