Wat is Aqua Regia, en wat maakt het koninklijk?

Aqua regia, latijn voor “koninklijk water”, is een fascinerende, gevaarlijke, en nuttige vloeistof die sommigen van ons in het Center for Sustainable Nanotechnology regelmatig gebruiken. Toen ik leerde hoe ik dit krachtige materiaal voor mijn onderzoek kon gebruiken, begon ik me af te vragen: Wat maakt het koninklijk? Het blijkt dat aqua regia veel metalen kan oplossen die normaal zeer moeilijk op te lossen zijn, zoals platina, zilver en goud. Deze metalen staan bekend als edele metalen, en daarom kreeg de oplossing die ze kon oplossen de naam “koninklijk water”. Aqua regia is niet één chemische stof, maar is een mengsel van twee zuren, zoutzuur (HCl) en salpeterzuur (HNO3). In het geval van aqua regia is het product krachtiger dan de som van zijn delen, wat het zo nuttig maakt.1

Enkele edele metalen, gerangschikt volgens hun chemisch symbool uit het periodiek systeem. Goud is Au, zilver is Ag, platina is Pt, en koper is Cu. (afbeelding door Tomihahndorf)

Maar voordat ik in detail treed, laten we even een stap terug doen. Waar denkt u aan als u het woord “zuur” hoort? Waarschijnlijk zoiets als dit:

Een spookachtige reactie die in een fles plaatsvindt! Is het een zuur? (afbeelding uit )

Of misschien denk je aan een bepaalde move in Pokémon GO die je tegenstander vergiftigt!

Arbok gebruikte zuur! (Screenshots van Pokémon Go door Pokémon Master Joe Buchman)

Velen van ons zijn op zijn minst bekend met het feit dat gevaarlijke zuren bijtend zijn; je wilt ze zeker niet aanraken.

Maar wat is eigenlijk een zuur? Een zuur kan op vele manieren worden gedefinieerd. Een manier om het te definiëren is iets dat de concentratie van waterstofionen in oplossing verhoogt. Sommige zuren zijn zwak en betrekkelijk ongevaarlijk, zoals azijn, dat azijnzuur is, of sinaasappelsap, dat citroenzuur bevat. Wij kunnen sinaasappelsap drinken en azijn gebruiken bij het koken en om schoon te maken. Sterke zuren daarentegen kunnen uiterst schadelijk zijn als je ermee in contact komt. Een voorbeeld is zwavelzuur, dat wordt gebruikt als elektrolyt in lood-zuur batterijen, zoals auto-accu’s.

Aqua regia is een combinatie van twee sterke zuren, zoutzuur (HCl) en salpeterzuur (HNO3), die reageren tot een ongelooflijk zure oplossing! Wanneer salpeterzuur aan zoutzuur wordt toegevoegd, vormt zich een donkergeel/oranje oplossing. Hier is een time-lapse video van de aqua regia die zijn karakteristieke geel/oranje kleur vormt na toevoeging van HCl aan HNO3.

Zoals ik hierboven al zei, is aqua regia krachtiger dan de som van zijn delen. Het lost goud op, hoewel geen van de bestanddelen (zoutzuur noch salpeterzuur) dat alleen kan!

Een stukje goud dat oplost in aqua regia! (afbeelding door Daniel Grohmann)

Hoe kan Aqua Regia goud oplossen?

Vele metalen kunnen ofwel in elementaire vorm ofwel in ionische vorm voorkomen. De elementaire vorm, vast goud, is ongeladen – chemici voegen een superscript “0” toe aan het chemische symbool om dit gebrek aan lading aan te geven: voor goud zou dit Au0 zijn. Een oxidatiemiddel kan ervoor zorgen dat de Au0 moleculen elektronen verliezen, waardoor ze veranderen in positief geladen ionen, Au3+. Salpeterzuur is een voorbeeld van een sterke oxidator, die Au0 kan omzetten in Au3+ wanneer ze worden gecombineerd. De positieve goudionen lossen dan op en worden een deel van de vloeibare oplossing. Op zichzelf kan salpeterzuur slechts een zeer kleine hoeveelheid van de goudatomen oplossen in Au3+ voordat de reactie een evenwicht bereikt.

Als het zoutzuur en salpeterzuur eenmaal zijn gecombineerd in aqua regia, scheidt het zoutzuur zich in H+ en Cl- ionen. Omdat tegengestelde ionen elkaar aantrekken, kunnen de Cl- ionen vervolgens met Au3+ reageren tot AuCl4- (ook wel tetrachloorgoud genoemd). Omdat het Au3+ nu deel uitmaakt van tetrachloorgoud, wordt het uit de oplossing verwijderd. Dat verstoort het evenwicht en maakt het mogelijk dat het salpeterzuur meer Au0 blijft oplossen in Au3+.

Dit is een voorbeeld van het principe van Le Chatelier, dat in wezen laat zien dat als de producten van een reactie worden verbruikt, dat de reactie dan door kan gaan om meer product te maken. Zie het als een bakkerij; als de cupcakes van een bakker snel worden gekocht, zal de bakker doorgaan met meer te maken.

Cupcakes bakken is een goed voorbeeld van het principe van Le Chatelier (foto van de Amerikaanse luchtmacht door Staf Sgt. Emily Kenney)

Goud is slechts een voorbeeld – aqua regia kan ook andere metalen oplossen! Aangezien we in ons laboratorium geen goud hadden liggen om op te lossen, besloten we koper te gebruiken. Voor deze blog hebben we koper in de aqua regia gedaan om te zien wat er zou gebeuren, en na een uur of wat was het volledig opgelost!

Links: een stukje koper in aqua regia. Rechts: een uur later is het koper opgelost in de aqua regia! (Foto’s door Liz Laudadio)

Een Nobelvoorbeeld

Misschien wel het beroemdste voorbeeld van aqua regia in de geschiedenis vond plaats tijdens de Duitse invasie in Denemarken in 1940.2 Twee Duitse Nobelprijswinnaars, Max Von Laue en James Franck, hadden hun gouden Nobelprijzen ter bescherming naar het laboratorium van Neils Bohr in Denemarken gestuurd. Toen de nazi’s Kopenhagen bereikten, moest George de Hevesy, een Hongaarse chemicus die in het lab van Bohr werkte, snel handelen om de medailles te beschermen. Wat denk je dat hij deed?

Ja! Hij loste ze op in aqua regia! De nazi-soldaten negeerden de bekers met gele vloeistof, en na afloop van de Tweede Wereldoorlog vond de Hevesy de oplossingen ongeschonden terug. Hij reprecipiteerde het goud en gaf het terug aan de Zweedse Academie in Stockholm om er nieuwe Nobelmedailles van te maken en ze terug te geven aan de rechtmatige eigenaars. Dus aqua regia lost niet alleen edele metalen op, maar ook Nobelmedailles!

George de Hevesy, een held uit oorlogstijd (afbeelding van Wikimedia)

Aqua Regia in het CSN

Hoe sluit dit alles aan bij het werk dat wordt verricht in het Center for Sustainable Nanotechnology? In het CSN bestuderen we veel complexe metaaloxide-nanomaterialen. Dit zijn nanodeeltjes die zijn gemaakt van meerdere verschillende metalen. Een van de onderzoeksgebieden in het CSN is compositie tuning – dat wil zeggen, het opzettelijk veranderen en controleren van de verhouding van verschillende metalen in een enkel deeltje. Een complex metaaloxidemateriaal dat vaak wordt bestudeerd in het CSN is lithiumnikkelmangaankobaltoxide, kortweg NMC, dat chemici omschrijven als LixNi0.33Mn0.33Co0.33O2 om de verhouding van elk element in de deeltjes aan te geven. (U kunt enkele van onze eerdere blogberichten en podcastafleveringen bekijken om meer over deze materialen te leren, hier, hier, hier en hier). In de “equistoichiometrische” NMC zijn er gelijke concentraties van nikkel, mangaan en kobalt metalen in elk deeltje; we hebben ook opzettelijk deeltjes ontworpen waar de metalen in verschillende verhoudingen worden gebruikt.3 Maar nadat we de nanodeeltjes hebben gemaakt, moeten we de verhouding verifiëren van de metalen die ze bevatten.

Onze synthese van nanomaterialen is in wezen gewoon een hoop precursoren toevoegen aan een bekerglas, een vaste stof laten vormen, en vervolgens de vaste deeltjes isoleren van de vloeistof er omheen. (Voor meer over hoe die nanodeeltjes zich vormen, zie dit recente bericht over nucleatie!) Hoe kunnen we bevestigen of de nanomaterialen die we hebben gemaakt de verhouding van metalen bevatten die we willen? Op het oog is het onmogelijk om te zien of we hebben gemaakt wat we wilden maken.

Onze complexe metaaloxidenanodeeltjes worden gesynthetiseerd door middel van een precipitatiereactie, waarbij vaste stoffen worden gevormd uit vloeistoffen (linker- en middenpaneel). Als de reactie voorbij is, halen we de vaste nanodeeltjes uit de oplossing (rechterpaneel) (Foto’s Liz Laudadio)

Dat is waar aqua regia’s vermogen om een verscheidenheid aan metalen op te lossen van pas komt. We kunnen aqua regia gebruiken om de complexe metaaloxidedeeltjes die we hebben gemaakt, op te lossen in hun samenstellende metaalsoorten (in het geval van NMC zijn dat lithium, nikkel, mangaan en kobalt). Vervolgens kunnen wij de concentraties van elk metaal in oplossing analyseren met een techniek die bekend staat als inductief gekoppeld plasma – optische emissiespectroscopie (ICP-OES), die licht gebruikt om te bepalen hoeveel van elk type metaal aanwezig is. Door de concentratie van elk metaal in het materiaal te kennen, kunnen we vervolgens de verhoudingen van elk metaal berekenen om te zien of onze synthese een succes was!

De linker afbeelding hieronder toont onze optisch zwarte nanodeeltjes vóór het oplossen in aqua regia, en de afbeelding rechts toont de oplossing van de opgeloste deeltjes in aqua regia!

Links: zwarte LiCoO2-nanodeeltjes, een materiaal dat verwant is aan NMC. Rechts: oplossingen van aqua regia waarin LiCoO2-nanopartikels zijn opgelost. (Foto’s door Liz Laudadio)

Safety First

Zoals ik hierboven al zei, is aqua regia een zeer gevaarlijke stof. Daarom nemen we serieuze voorzorgsmaatregelen bij het gebruik ervan. Hier is een foto van mij bij de voorbereiding van het maken van een aqua regia oplossing. Het is misschien niet de meest modieuze look, maar veiligheid is belangrijker!

Modelleer de vereiste veiligheidsmaatregelen voor het werken met aqua regia (foto’s van Jaya Borgatta)

Op deze foto draag ik een laboratoriumjas om mijn huid te beschermen, evenals twee lagen handschoenen om mijn handen te beschermen. Ik heb drie lagen oogbescherming: Ik draag een veiligheidsbril, een gelaatsscherm en ik heb ook de ruit van de zuurkast voor mijn gezicht. Dit beschermt niet alleen mijn ogen, maar beschermt ook mijn neus en mond tegen de chemicaliën in de dampkap, waardoor ik beschermd ben tegen de inhalatiegevaren van de gasvormige bijproducten van het maken van aqua regia. Wanneer ik aqua regia gebruik, zorg ik er ook voor dat ik een zo klein mogelijke hoeveelheid gebruik. Als ik klaar ben met het gebruik, kan ik de zuurgraad neutraliseren met natriumbicarbonaat – dat is zuiveringszout!

De kracht van Aqua Regia

Zoals Breaking Bad karakter Walter White ooit zei, “respecteer de chemie. “4 Aqua regia is een krachtig hulpmiddel voor chemisch onderzoek dat al eeuwenlang wordt gebruikt. Wanneer het veilig wordt gebruikt, kan de kracht ervan worden aangewend om grote dingen te bereiken. Het begrijpen van de chemische stoffen waarmee we werken en het nemen van de juiste voorzorgsmaatregelen is een belangrijk onderdeel van het zijn van een verantwoordelijk lid van de wetenschappelijke gemeenschap.

EDUCATIONELE RESOURCES:

  • UC San Diego: Zwavelzuur koolstofslang demonstratie in de klas
  • Chemistry in its Element Podcast: Aqua Regia
  1. Uitleg van de chemie van Aqua Regia: https://www.scienceabc.com/pure-sciences/aqua-regia-formula-recipe-structure-dissolve-gold-platinum.html
  2. Artikel over George de Hevesy: https://www.npr.org/sections/krulwich/2011/10/03/140815154/dissolve-my-nobel-prize-fast-a-true-story
  3. Ian L. Gunsolus*, Mimi N. Hang*, Natalie V. Hudson-Smith, Joseph T. Buchman, Joseph Bennett, Daniel Conroy, Sara E. Mason, Robert Hamers en Christy Haynes (* deze auteurs hebben gelijkelijk bijgedragen). Environmental Science: Nano, 2017, 4, 636-646. Doi: 1039/C6EN00453A
  4. Harnisch, F. & Salthammer, S. The Chemistry of Breaking Bad. Chemistry Views, 2013, 47, 214-221doi: 10.1002/chemv.201300114

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.