亞洲金礦之都

總分: 42 分

4A-1 4A-2 4A-3 4A-4 4A-5 4A-6 4B-1 4B-2 4B-3 4B-4 4B-5

分數 2 4 4 2 6 2 2 2 2 8 8

A

九份是在台灣北部山區中的一個老的採礦城鎮，你可以在那裡感受到台灣歷史的遺產。它曾經是亞洲 最大的金礦之一，因此被稱為亞洲金礦之都。以前，KCN 用來從礦石中將黃金(Au)萃取出來。黃金會 溶解於氰根(CN^一)溶液中,在空氣中形成 Au(CN)2

一離子， Au(CN)2

一 在水溶液中很穩定。

4 Au(s) + 8 CN⁻(aq) + O₂(g) + 2 H₂O(l) 4 Au(CN)₂⁻(aq) + 4 OH⁻(aq)

4A-1 畫出 Au(CN)2

一 的結構圖，此結構圖可以表示出 Au(CN)2

一 的所有原子的空間位子。

4A-1

C Au C N

N −

[ ]

Au(CN)₂¯ 的結構是線性的。

4A-2 需要多少克的 KCN 才能從礦石中萃取出 20 克的黃金？詳細寫出你的計算步驟。

王水是以 3 份濃鹽酸和 1 份濃硝酸混合而成，這是鍊金士為溶解黃金而發明出來的。這個反應事實是 一個氧化還原反應，如下面未平衡之反應式:

Au(s) + NO

₃⁻

(aq) + Cl

⁻

(aq) AuCl

₄⁻

(aq) + NO

₂

(g)

4A-2 13.024 克

計算步驟 :

4 Au + 8 KCN + O

₂

+ 2 H

₂

O 4 KAu(CN)

₂

+ 4 KOH

20 g ÷ 197 g/mol ≈ 0.10 mol (Au)

0.10 mol × (8/4) × 65.12 g/mol = 13.024 g (KCN)

4A-3 寫下氧化的半反應和還原的半反應，並且用這兩個半反應來寫出平衡後的反應式。

4A-3

Au(s) + 3 NO

₃⁻

(aq) + 6 H

⁺

( aq) + 4 Cl

⁻

( aq) AuCl

₄⁻

( aq) + 3 NO

₂

(g) + 3 H

₂

O(l) 氧化 Au(s) + 4 Cl

⁻

(aq)

還原 3 NO

₃⁻

(aq) + 6 H

⁺

(aq) + 3 e

⁻

AuCl

₄⁻

(aq) + 3 e

⁻

3 NO

₂

( g) + 3 H

₂

O(l)

4A-4 在 4A-3 的反應中，何者為氧化劑？何者為還原劑？

黃金是很不容易和硝酸反應。可是當黃金遇到王水，會形成AuCl4

− 錯合離子。從下列的兩個半反應中:

AuCl

₄⁻

(aq) + 3 e

⁻

Au(s) + 4 Cl

⁻

(aq)

E^ο

= +1.00 V Au

³⁺

(aq) + 3 e

⁻

Au(s)

E^ο

= +1.50 V

這兩個半反應可以組成一個電化學電池。

4A-5 計算在25°_{C 時，AuCl4}⁻的形成常數 (Formation Constant):

K = [AuCl₄⁻] / [Au³⁺] [Cl⁻]⁴

4A-5

K = 10^25.42 = 2.6 ×10²⁵

計算步驟:

AuCl₄⁻(aq) + 3 e⁻

Au(s) + 4 Cl⁻(aq)

−

E^ο=

−

1.00 V Au³⁺(aq) + 3 e⁻ Au(s) E^ο= +1.50 V

Au(s) + Au³⁺(aq) + 4 Cl⁻(aq) AuCl₄⁻(aq) + Au(s) + 3 e⁻

− 3 e⁻

E^ο= +0.50 V

E = E° – (0.059 / n) logQ

反應平衡時， Q = K, E = 0, K = [AuCl4

−] / [Au³⁺] [Cl⁻]⁴

E° = (0.059 / n) logK, 0.50 = (0.059 / 3) logK, K = 10^25.42 = 2.6 ×10²⁵

∆G1° + ∆G2° = ∆G3°

(–nFE1° ) + (–nFE2°) = –RTlnK

E° = (RT/nF)lnK = (0.059/n)logK, 0.50 = (0.059/3)logK, K = 10^25.42 = 2.6 ×10²⁵

4A-6 HCl的功能為提供 Cl¯。 Cl¯ 在上述的反應中是扮演何種的角色？

(a) Cl¯

是一個氧化劑

(oxidizing agent) (b) Cl¯ 是一個還原劑 (reducing agent) (c) Cl¯ 是一個錯合劑 (complexing agent)

(d) Cl¯ 是一個催化劑 (catalyst)

4A-6 正確答案 : (c)

B

黃金奈米粒子 (Gold Nanoparticles)

黃金奈米粒子的合成和定性是目前一個很熱門的研究課題。Brust-Schiffrin 法是合成黃金奈米粒子 (AuNP)的一個方法，這個方法可以很容易合成熱穩定和在空氣中穩定的黃金奈米粒子團 (AuNPs)。這 個方法可以減少黃金的多分散性，使其可聚集，將黃金奈米粒子的直徑控制在 1.5 and 5.2 nm. 簡單 敘述這個方法於下，將 HAuCl4 水溶液和溴化四正辛基銨 (tetra-n-octylammonium bromide) 的甲苯 溶液混合。 將上述之溶液與十二碳硫醇 (dodecanethiol)混合，再與過量的 NaBH4 反應。甲苯相 (toluene phase) 的顏色變深，代表 AuNPs 已經形成。24小時後，用減壓蒸餾的方式去除甲苯，再在 抽氣漏斗上用乙醇和己烷洗去多餘的硫醇 (thiol)。這些 AuNPs 可以重複的被分離和溶解於一般的有 機溶液中，而不會有不可逆的聚集或分解。

4B-1 這種方法是屬於從上而下(top-down) 或是從下而上(bottom-up)法? 從下面的答案中選取 正確的答案

(a) 從上而下法(top-down approach), 是將結構縮小為奈米的範圍。

(b) 從下而上法(bottom-up approach), 是將個別的分子或原子聚集為奈米的範圍。

4B-1 正確答案 : (b)

4B-2 溴化三甲基正辛基銨 (trimethyl-n-octylammonium bromide)也可以用來相之間的轉換劑 (phase-transfer)。 它 可 以 將 AuCl4¯ 從 水 相 (aqua phase) 轉 移 到 有 機 相 (orangic

phase)。 下面的那一個敘述是正確描述溴化三甲基正辛基銨作為有效的相轉移劑的性質？

(a) 溴化三甲基正辛基銨分子的一端有正電性，另一端有負電性。

4B-3 NaBH₄ 在這個方法中是何種角色?

4B-5 在黃金奈米粒子的表面上的金原子佔所有金原子的百分率為多少？從下列的答案中選擇正確 的答案並且寫下你的詳細計算過程

(a) 20-30%

(b) 40-50%

(c) 60-70%

(d) 80-90%

4B-5 正確答案 : (b) 40-50%

計算步驟:

方法1:

4/3 × π× r_AuNPs³ = 4/3 × π× r_Au³ × N_Au ∴ r_AuNPs³ = r_Au³ × N_Au Surface area of a gold nanoparticle: S_AuNPs = 4π r_AuNPs²

∴ S_AuNPs = 4π r_Au² N_Au^2/3 N_S ≈ S_AuNPs / π r_Au² = 4 N_Au^2/3 P ≈ N_S / N_Au = 4/ N_Au^1/3 N_Au ≈ 1000

P ≈ 40%

或

方法 2:

_rAuNPs

'_{AuNPs AuNPs} 2_Au r =r − r

問題 4: 亞洲金礦之都

^作者

在文檔中 2005理論試題及解答 (頁 21-27)