銀湯匙和銀飾為什麼會變黑?
― 銀對氧氣不理不睬,只跟硫攜手
收起來的銀湯匙或戒指,不知不覺就黑了。很多人以為這跟鐵生鏽一樣,但銀的對象不是空氣中的氧,而是藏在蛋、橡皮筋和溫泉裡的「硫」。看起來發黑的,只是一層厚約萬分之一毫米的薄膜。而且這層膜,可以變回原本的銀。
你從抽屜深處拿出久未使用的銀項鍊。剛買時明明閃著純白的光,現在卻有些地方變成褐色,邊緣黑黑的。
也許有人戴著戒指泡溫泉,上岸一看,戒指不到一晚就全黑了。還有人用銀湯匙吃水煮蛋,結果湯匙前端變黑,這種事也常聽到。
鐵放在空氣中會生出紅鏽。但銀即使在空氣中放上好幾年,單靠空氣幾乎不會有變化。那麼,讓銀變黑的到底是什麼呢?
變黑的原因只有兩個
銀幾乎不與氧反應,卻會和硫緊緊結合。它會把空氣或食物中極微量的含硫成分收集起來,在表面形成黑色的「硫化銀」。
硫化銀的膜一開始比光的波長還薄,看起來是黃色、褐色、紫色或藍色。等厚度長到約萬分之一毫米,就幾乎把光全部吸收,看起來就是黑的。
也就是說,銀變黑不像生鏽那樣會從裡面開始腐爛,只是表面極薄的一層換成了另一種物質。我們一步一步來看。
銀為什麼選硫,而不是氧?
鐵會和空氣中的氧與水反應而生鏽。鋁也會與氧結合,瞬間在表面形成一層透明的膜。但銀在一般溫度下,幾乎不與氧結合。據說銀與氧的化合物(氧化銀),加熱到約 300℃ 以上就會分解,變回銀和氧。可見兩者的結合有多弱。
相對地,銀與硫的結合則強得多。硫化銀極難溶於水,在化學界也被列為最難溶的物質之一。對銀來說,硫是遇上了就不放手的對象。
而硫在我們身邊到處都有。蛋白和蛋黃的蛋白質含有硫,加熱後會釋出少量帶有臭蛋味的氣體(硫化氫)。橡膠製品在製造時會加入硫來增加彈性,所以用橡皮筋綑銀,被綑的地方有時會變黑。含硫的溫泉則含有大量這種氣體。據說連都市的空氣中,也飄著極微量的含硫成分。
量雖然很少,銀卻會花上幾個月、幾年不斷地收集。所以,就算只是收起來放著,也會變黑。
從黃色到黑色。膜的厚度為什麼會改變顏色?
仔細看正在變黑的銀,會發現有偏黃的地方、褐色的地方,還有閃著紫色或藍色的地方。這是因為硫化銀膜在各處的厚度不同。請在下面的圖 1 中拖動滑桿,讓膜長厚看看。
膜非常薄的時候,膜表面與膜底反射的光會互相疊合。疊合的結果取決於膜的厚度與光的顏色(波長),有些顏色互相加強,有些則互相抵消。這和肥皂泡、水窪上的油膜會出現顏色,是同樣的原理。
膜再變厚,硫化銀本身吸收光的性質就會占上風。據說厚度達到約 100 奈米(萬分之一毫米)時,看起來就幾乎是黑色了。看圖 1 左側的剖面,膜有一部分嵌入虛線之下。這嵌入的部分,原本就是銀。
蛋煮太久,蛋黃表面會變成帶灰的綠色。這是蛋白釋出的含硫成分,與蛋黃中的鐵結合形成「硫化鐵」的顏色。和銀湯匙變黑,其實是同一種反應。煮好後立刻用水冰鎮,就比較不容易出現。
拋光時,銀會減少多少?
發黑的銀,用含研磨劑的布擦拭就會恢復光澤。不過,被擦掉的黑色膜裡,含有原本屬於銀的原子。每擦一次,銀就被削掉一點點。
根據摺疊區裡的計算,一支湯匙每從全黑狀態擦亮一次,大約會損失 2.5 毫克的銀。對純銀的厚重湯匙來說,不必太在意。但表面只薄薄鍍一層銀的「鍍銀」製品就不同了,擦太多次,底下的金屬會露出來。
除了擦拭,還有一種只把硫拉走的方法。請看圖 2。在耐熱容器裡鋪上鋁箔,倒入溶有小蘇打的熱水,把銀碰著鋁箔沉進去。鋁是比銀更容易釋出電子的金屬。電子從鋁移到銀之後,硫化銀會變回銀,硫則轉移到鋁那一側。這個方法不會削掉銀,所以也適合鍍銀製品。
總結
銀會變黑,是因為它不是與氧結合,而是與硫結合,在表面形成硫化銀膜。膜還薄的時候,靠光的疊合看起來是黃、紫、藍;長到約萬分之一毫米,就變成黑色。想讓銀長時間保持潔白,最簡單的辦法是遠離蛋料理、橡皮筋和溫泉,並裝進袋子隔絕空氣。
銀變黑不是生鏽,而是「硫的日記」。
它去過哪裡、碰過什麼,都寫在表面上。
如果想比較鐵生鏽的原理,請看「鐵為什麼會生鏽?」;想知道暖暖包裡鐵與氧結合的故事,請看「暖暖包為什麼一打開袋子就會發熱?」。至於溫泉區含硫氣體積聚的危險,則在「在火山或溫泉區,為什麼不能進入「窪地」?」中有詳細說明。
- 準備一支已經發黑的銀湯匙,或是不用的銀飾一件。如果沒有發黑的,可以把水煮蛋的蛋黃放在表面約 1 小時,那個部位就會變成褐色。
- 在耐熱容器裡鋪上鋁箔,加入約 1 大匙小蘇打。由大人倒入熱水,讓銀碰著鋁箔沉進去。
- 等幾分鐘後取出,用水沖洗並擦乾。比較看看黑色的部分是否變回銀色,以及碰到鋁箔的那面與沒碰到的那面有沒有差別。
會散發出一點臭蛋的味道,請開窗進行。請小心熱水燙傷,處理熱水的步驟由大人負責。鑲有珍珠或寶石的飾品,以及表面經過加工的物品可能會受損,請不要使用。
想知道更多的人 ― 名詞・算式・與課本的連結從國中理化到大學專業科目,明確標示每段內容屬於哪個程度
- 國中國中理化會學到的範圍
- 高中高中「化學」「物理」會學到的範圍
- 高中+高中的進階內容,或課本專欄程度的內容
- 大學高中不會學到,屬於大學專業科目(腐蝕科學、無機化學)的內容
- 研究連大學也不當作「定論」來教,目前研究者仍在探討的話題
國中名詞:這個現象有名字
- 硫化銀:銀與硫結合而成的黑色物質,就是銀變黑的真面目。
- 變色(失去光澤):金屬表面形成一層薄薄的化合物膜,使顏色和光澤改變。與連內部都崩壞的生鏽(腐蝕)不同。
- 硫化氫:帶有臭蛋味的氣體。加熱蛋或含硫溫泉都會產生,是讓銀變黑的主要對象之一。
國中高中用算式確認:一層黑膜會削掉多少銀?
構成黑膜的銀,原本就是表面的銀。銀原子不會消失也不會增加,所以可以從膜的厚度反推損失的銀量。
| 用符號寫 | m = A × ( d ÷ R ) × ρ |
| 用文字寫 | 損失的銀的質量 = 表面積 ×(膜厚 ÷ 體積比)× 銀的密度 |
| 這個式子從哪來 | 由反應 4Ag + 2H₂S + O₂ → 2Ag₂S + 2H₂O 可知銀原子數守恆。銀變成硫化銀後體積會膨脹成 R 倍,所以厚度 d 的膜,原本的銀厚度是 d ÷ R |
| m | 損失的銀的質量(公克) |
| A | 變黑部分的面積(平方公分) |
| d | 硫化銀膜的厚度(公分) |
| R | 每個銀變成硫化銀後體積變成幾倍(無單位) |
| ρ | 銀的密度(公克每立方公分) |
| 1 莫耳銀的體積 | 約 10.3 立方公分 |
| 硫化銀中相當於 1 莫耳銀的體積 | 約 17.1 立方公分 |
| 看起來幾乎全黑的膜厚(視為參考值) | 約 100 奈米 |
| 一支湯匙變黑部分的面積(假設) | 約 40 平方公分 |
| 銀的密度 | 約 10.5 公克每立方公分 |
| 體積比 R | 17.1 ÷ 10.3 ≒ 1.66 |
| 形成膜的銀的厚度(奈米) | 100 ÷ 1.66 ≒ 60 |
| 換算成公分 | 60 × 0.0000001 = 0.000006 |
| 損失的銀的體積(立方公分) | 40 × 0.000006 = 0.00024 |
| 損失的銀的質量(公克) | 0.00024 × 10.5 ≒ 0.0025 |
每把發黑的湯匙擦亮一次,算起來會損失約 2.5 毫克、厚度約 60 奈米的銀。假設鍍銀的厚度是 3 微米(3000 奈米),則 3000 ÷ 60 = 50,估計從全黑狀態擦亮約 50 次,鍍層就會被磨光。
高中高中+從電子的得失來看:變黑的反應與還原的反應
高中銀變黑的反應,是銀失去電子的「氧化」。即使對象不是氧,只要失去電子就稱為氧化。用鋁箔還原的反應則正好相反,是「還原」。鋁比銀更容易變成離子(離子化傾向較大),所以鋁釋出電子,硫化銀中的銀離子接收電子後變回銀。整體可寫成 3Ag₂S + 2Al → 6Ag + Al₂S₃,而硫化鋁會與水反應產生硫化氫,所以操作時會有味道。
高中+膜還薄時的顏色,可以用「薄膜干涉」來說明。在膜表面反射的光,與在膜底(與銀的交界)反射的光,路徑差在某個波長正好是半個波長時,那個顏色就會被抵消。隨著膜變厚,被抵消的顏色會從藍移向紅,所以外觀的顏色就依序改變。
大學銀在大氣中的腐蝕
在實際大氣中,使銀硫化的主要對象據說是硫化氫與羰基硫,濃度非常低,在十億分之一(ppb)的等級。即使如此反應仍能進行,被認為是因為反應發生在吸附於表面的薄水層中,所以濕度越高,變黑越快。膜成長的速度,也受原子在膜中擴散的速度影響。金屬變成其化合物時的體積比稱為「皮林-貝德沃斯比」,用來判斷膜是否能保護表面。硫化銀有多難溶,用「溶度積」表示,已知其值極小。
📖 算式的推導與更進一步的內容:氧化還原反應(維基百科) / 薄膜干涉(維基百科)
研究目前還不清楚的事
- 決定膜成長速度的是哪個階段? 究竟是氣體到達表面的速度、水層中的反應,還是膜內的擴散在限速,會依濕度、髒汙、鹽分而不同,各種條件下的研究仍在進行。
- 如何保護藝術品中的銀? 博物館正在試驗能抑制展示櫃內微量含硫氣體的材料,以及防止變色的薄保護膜,但要如何在不改變外觀的前提下長期保護,至今仍在摸索。
- 奈米尺寸銀粒子的變化。 用於衣物和醫療用品的銀微粒,在環境中被硫化後性質會如何改變,正在研究中。
也就是說,這篇文章的內容也是「就目前所知範圍內的說明」。顏色與厚度的對應,以及膜看起來變黑的厚度,請當作會隨條件而前後變動的參考值。
與課本的連結(依程度)
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化「化學變化」(金屬與硫的結合) | 銀與硫結合形成硫化銀 |
| 高中 | 化學「氧化還原」「離子化傾向」 | 變黑的反應,以及用鋁還原的反應 |
| 高中+ | 物理「光的干涉(薄膜)」 | 膜厚改變顏色的原理(圖 1) |
| 大學 | 腐蝕科學・無機化學 | 大氣中的硫化、皮林-貝德沃斯比、溶度積 |
| 研究 | 文化資產保存科學・環境化學 | 藝術品的變色對策、銀微粒的去向 |
| ― | 與生活的連結 | 銀製品的保存、鍍銀品的保養 |
- 維基百科「硫化銀」(日文版)
- 維基百科「硫化氫」(日文版)
- T. E. Graedel, "Corrosion Mechanisms for Silver Exposed to the Atmosphere", Journal of the Electrochemical Society, 139 (1992)
- J. P. Franey, G. W. Kammlott, T. E. Graedel, "The corrosion of silver by atmospheric sulfurous gases", Corrosion Science, 25 (1985)
- 日本化学会 編『化学便覧 基礎編』(日本化學會編《化學便覽 基礎篇》)丸善出版
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是為了幫助理解原理的參考值與概算。昂貴物品、文化資產或鑲有寶石的飾品,請依購買店家或專業業者的指示保養。