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［111-2］第11組-泡碳酸飲料可以換新①嗎？— 被奪走功勞的酸鹼中和

 泡碳酸飲料可以換新①嗎？— 被奪走功勞的酸鹼中和

新舊硬幣比較。

左為全新的硬幣，右為泡過一天沙士的硬幣。可見泡碳酸飲料太久會使硬幣受損、被腐蝕。

第11組：勞工1彭星瑋、會資1張舒涵、資工2郭佑、資管2孔德瑋、政治1蔡亦宸

　　在坊間流傳著「硬幣泡可樂可以使其煥然一新」、「可樂加鹽可以加快反應速度」的傳聞，在搜尋頁面也充斥著各種實作結果，而在原理的部分都沒有多作解釋，僅是以「氧化還原」四字帶過。而經過資料的查證，顯示硬幣上的氧化銅與碳酸飲料中的酸性物質反應後會生成鹽類和水，這個現象其實是一種「酸鹼中和」反應。而除了可樂之外，其他碳酸飲料照理來說也可以有類似的效果，於是我們決定以五種碳酸飲料做實驗，測試哪一種飲料對氧化銅的清潔效果最好。另外，浸泡的時間過長可能會導致硬幣的表面受損，本末倒置，若硬幣有收藏意義，建議不要輕易嘗試。

　　台幣一元硬幣的成分為銅、鎳、鋁，其中主要成分為銅（約92%），遠多於鎳和鋁的6%及2%，而隨著時間推移，硬幣會從原本帶有金屬光澤的紅褐色變成接近黑色的深褐色，這是由於氧化反應，使得硬幣表面生成黑色的氧化銅。首先，碳酸飲料的原理則是利用高壓將二氧化碳注入飲料，使更多二氧化碳因高壓溶入飲料中，開瓶時，壓力減少，此時二氧化碳對水的溶解度變小，二氧化碳也會隨之釋出，進而造成許多氣泡，讓飲用者有口感上的刺激，而二氧化碳會與水作用形成「碳酸」，化學反應式為：CO2 + H2O ⇌ H2CO3。再者，氧化銅是強電解質，可溶於酸性溶液並形成銅鹽類化合物，而可樂是碳酸飲料的一種，自然可以使硬幣表面的氧化銅融於可樂並形成銅鹽類化合物，經放置或搓洗，就可以使硬幣「重返青春」，其中除鏽的過程並不屬於氧化還原，因為其中銅離子的氧化數不變(見以下註一)，甚至如果以酸加鹼產生鹽跟水的國中理化程度想法去看，可樂清潔硬幣屬於酸鹼中和反應。另外，其他的碳酸飲料也應該要有這樣的效果，因此，接下來我們將選用五種碳酸飲料進行實驗，實測究竟哪一種碳酸飲料對於硬幣的清潔效果最好。我們選用的碳酸飲料分別為可口可樂（下稱「可樂」）、雪碧汽水（下稱「雪碧」）、黑松沙士（下稱「沙士」）、黑松汽水C&C氣泡飲－檸檬口味（下稱「CC檸檬」）、魔爪能量碳酸飲料（下稱「魔爪」）。以下是各個碳酸飲料中含有的酸性物質：

可樂：碳酸水、磷酸

雪碧：碳酸水、檸檬酸

沙士：碳酸水、檸檬酸

CC檸檬：碳酸水、檸檬酸

魔爪：碳酸水、檸檬酸

　　除了碳酸飲料都會有的碳酸之外，可樂中含有磷酸，而另外四種飲料含有檸檬酸。相較於檸檬酸，磷酸的酸性更強，更容易與氧化銅反應，就比例來看，碳酸飲料中的磷酸跟檸檬酸占比都沒有差很多，大部分是水跟糖，因此我們推測可樂應該是五種碳酸飲料中清潔力最好的。上述酸性物質與氧化銅反應的化學式如下，反應過後皆會產生銅鹽類化合物：

磷酸

2 H3PO4 + 3 CuO → Cu3(PO4)2 + 3 H2O (產生磷酸銅，為銅的磷酸鹽類)

註一：反應前CuO中Cu氧化數為+2 ，反應後Cu3(PO4)2中Cu氧化數同樣為+2，銅離子氧化數一樣，並沒有發生氧化還原反應，事實上酸鹼中和反應不可能是氧化還原反應。

碳酸（水）

CuO + CO2 + H2O → CuCO3·Cu(OH)2  （產生碳酸銅與氫氧化銅，前者為銅的碳酸鹽）

檸檬酸

3CuO + 2C6H8O7 → Cu3(C6H5O7)2 + 3H2O （產生檸檬酸銅(II)）

在加入鹽巴（氯化鈉）的狀況下，碳酸和磷酸則會與氯化鈉產生反應並形成鹽酸（氯化氫）：

2NaCl + 2H2O  → Cl2 + 2NaOH + H2

其中在自然狀況下會有很小的概率下發生以下反應：

Cl2(g) + H2(g)  → 2HCl(g)

氧化銅也會與極少的稀鹽酸發生反應產生水跟氯化銅：

CuO + 2HCl → CuCl2 + H2O

　　因此雖然在鹽巴加水可以產生鹽酸，但因其濃度很低，所以效果並不顯著。不過但鹽巴可以提升碳酸飲料的解離程度，碳酸飲料中含有約90%的水，鹽巴會將碳酸飲料中水分子的聚集結構打破，形成離子。這些離子可以與水分子形成更多的氫氧根離子（OH-）和氫離子（H+），進而提升碳酸飲料的解離程度。使碳酸飲料更容易與氧化銅反應，增加其反應速率。最後使加入鹽的碳酸飲料因成分90%的水的解離程度變大，而使得酸與氧化銅的反應速率變快。因此我們又推測，加入鹽巴之後，碳酸飲料對硬幣的清潔力會變強。


實驗過程如下：

  1. 每種飲料分配六枚*髒污程度相似一元硬幣，並將硬幣分成「加鹽」及「不加鹽」（各三枚），以此避免實驗誤差

  2. 將兩組硬幣分別放入容器中，再倒入碳酸飲料，加鹽組加一茶匙（約5克）的鹽

  3. 每一小時以鑷子或筷子將硬幣夾出並拍照紀錄，為期八小時

＊本實驗為比較硬幣浸泡碳酸飲料前後的差異，因為我們無法保證硬幣的髒污程度完全相同，故採取比較的方式，看看何組差異最大/清潔效果最明顯。


實驗成果：

（左為初始照片，右為浸泡碳酸飲料八小時之後的紀錄）

可樂

雪碧

沙士

CC檸檬

魔爪


實驗分析：

實驗結果顯示，沙士、CC檸檬及魔爪有較明顯的變化，與起初的預期結果「可樂清潔力最好」不同且加鹽組的清潔效果也沒有比不加鹽組更好，會造成如此差異的因素可能有以下幾點：

  1. 硬幣的氧化程度不同

  2. 硬幣上氧化物的成分不同（不一定都是氧化銅，可能有其他變因影響）

  3. 硬幣上的黑色（髒污）部分不一定是氧化物

  4. 實驗時間不夠長


　　這個實驗證實：碳酸飲料確實可以「清潔」氧化銅，不過值得注意的是，若硬幣在碳酸飲料中浸泡太久，其中的酸性物質可能會對硬幣造成損害，導致硬幣變得更加容易氧化、失去光澤，甚至使硬幣的表面被磨平，而硬幣表面會逐漸變成紅色（沙士、CC檸檬、魔爪的實驗結果可見），有可能是由以下兩個原因導致：

  1. 氧化銅可溶於酸性溶液，因此在碳酸飲料中浸泡一段時間後，氧化銅溶解，硬幣就變回銅原本的顏色，也就是紅色。

  2. 表層的黑色氧化銅與酸性物質酸鹼中和之後，剩下銅氧化初期的氧化亞銅（Cu2O），相關化學式如下：

    （銅的氧化過程：銅 → 氧化亞銅 → 氧化銅）

    2 Cu + O2 → Cu2O

    2 Cu2O + O2 → 4 CuO

　　以上可能原因是我們根據既有認知及有限的化學知識與資料推測出來的結果，網路上眾說紛紜，也沒有相關實驗或專家證實，若有錯誤或指教歡迎提出，我們會進行修改及商榷。

　　最後，若作為一般使用硬幣的清潔，碳酸飲料或許值得一試，但若是作為收藏用（古）硬幣的清潔，建議還是找專家以專用的清潔劑處理，以免傷及硬幣本身。


參考資料：

  • 陸羽（2011年2月15日）。證實髒錢幣放進可樂拿出來是否會和新的一樣。https://blog.xuite.net/aa655061/wretch/108148487
  • Stem.x大玩家專題式教育系統（2016年2月5日）。新年企劃：居家簡易洗錢大法。Facebook。https://www.facebook.com/BigPlayerScience/photos/a.491558964190347/1108686435810927/?type=3
  • 科學Online-教育資源平台（2010年10月14日）。化學情境試題：炎夏常喝的碳酸飲料(I)。https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=12103
    • 科學Online-教育資源平台（2009年4月29日）。氧化銅（Copper(II) Oxide）。https://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=4669
    （此報導與ChatGPT協作）