Złoto
79. pierwiastek chemiczny / Z Wikipedii, wolnej encyclopedia
Drogi AI, mówmy krótko, odpowiadając po prostu na te kluczowe pytania:
Czy możesz wymienić najważniejsze fakty i statystyki dotyczące Złoto?
Podsumuj ten artykuł dla 10-latka
Złoto (Au, łac. aurum) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 79. Złoto jest ciężkim, miękkim i błyszczącym metalem, najbardziej kowalnym i ciągliwym spośród wszystkich znanych metali. Czyste złoto ma jasnożółty kolor i wyraźny połysk, nie utlenia się w wodzie czy powietrzu. Chemicznie złoto należy do metali przejściowych i pierwiastków grupy 11. Z wyjątkiem helowców (tzw. gazów szlachetnych) złoto jest najmniej reaktywnym pierwiastkiem. Złoto długo przed okresem spisanej historii było drogocennym i poszukiwanym metalem szlachetnym używanym w biciu monet, jubilerstwie, sztuce i zdobieniach.
Zobacz też: inne znaczenia. |
platyna ← złoto → rtęć | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Wygląd | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
żółty[1][2] | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Widmo emisyjne złota | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ogólne informacje | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nazwa, symbol, l.a. |
złoto, Au, 79 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Grupa, okres, blok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stopień utlenienia |
−I, I, III, V | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości metaliczne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości tlenków | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa atomowa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stan skupienia |
stały | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gęstość |
19300 kg/m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura topnienia |
1064,18 °C[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia |
2856 °C[4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numer CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
PubChem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Złoto jest odporne na poszczególne kwasy, ale roztwarza się w wodzie królewskiej (łac. aqua regia, nazwana tak ze względu na to, że rozpuszcza właśnie złoto – metal kojarzony z władzą królewską). Roztwarza się również w zasadowych roztworach cyjanków, które były używane do wydobywania złota. Złoto rozpuszcza się również w rtęci, tworząc amalgamat. Złoto jest nierozpuszczalne w kwasie azotowym, który roztwarza srebro i inne metale, co przez długi czas było wykorzystywane jako próba na obecność złota (np. w monetach).
Metal rodzimy występuje jako samorodki lub ziarna w skałach litych, żyłach i osadach aluwialnych. Mniej powszechnie występuje jako związki złota, zazwyczaj z tellurem. Parytet złota był najpowszechniejszą podstawą polityki pieniężnej w historii człowieka, powszechnie zastąpioną w XX wieku przez pieniądz fiducjarny.
Szacuje się, że do końca 2022 roku w całej historii zostały wydobyte 208 874 tony złota. Odpowiada to objętości 10 800 m³ lub sześcianowi o krawędzi nieco ponad 22 m. Światowe zasoby wydobytego złota w 46% zużyte zostały w jubilerstwie, w 39% w różnych inwestycjach, a 15% na inne cele[7] (przemysł, elektronika[8]). Złoża złota pozostałe pod ziemią, opłacalne do wydobycia, oceniane są na 52 tys. ton[7]. Od 2015 roku światowe wydobycie złota co roku przekracza 3 tys. ton[9]. Przy aktualnym poziomie wydobycia znane opłacalne złoża wystarczyłyby na ok. 17 lat[8].
Poza szeroko rozpowszechnionymi wyżej wymienionymi zastosowaniami, złoto stosuje się również w innych dziedzinach, w tym w stomatologii i w przemyśle spożywczym.
Złoto jest znane i używane przez rzemieślników co najmniej od chalkolitu. Złote wyroby na Bałkanach pojawiają się w wykopaliskach archeologicznych datowanych na IV milenium p.n.e., takich jak nekropolia Warny. Złote artefakty, takie jak złote kapelusze czy dysk z Nebry, pojawiały się w Europie Środkowej od drugiego tysiąclecia p.n.e. w epoce brązu[10].
W egipskich hieroglifach złoto pojawia się od około 2600 p.n.e. Mitannijski król Tuszratta miał powiedzieć, że jest go w Egipcie „więcej, niż brudu”[11]. Egipt, a szczególnie Nubia, miały wystarczające złoża złota, by być przez większą część dziejów wiodącymi obszarami wydobycia. Jedna z najstarszych znanych map, tzw. papirusowa mapa z Turynu (ok. 1100 lat p.n.e.)[12], przedstawia plan kopalni złota w Nubii, wraz z ukazaniem lokalnej rzeźby terenu. Prymitywne metody wydobycia, włączając w to technikę podkładania ognia, zostały opisane przez Strabona i Diodora Sycylijskiego. W okresie Starożytnego Egiptu wydobywano około jednej tony złota rocznie[13]. Duże kopalnie złota były również w obszarze Morza Czerwonego, znajdujące się w dzisiejszej Arabii Saudyjskiej, między innymi kopalnie Mahd adh Dhahab („kolebka złota”), w której, w okresie panowania króla Salomona (961–922 p.n.e.), było wydobywane złoto, srebro i miedź[14].
Mit o złotym runie może nawiązywać do używania w starożytności owczych skór do wychwytywania złotego pyłu ze złóż okruchowych. Złoto jest często wspominane w Starym Testamencie, rozpoczynając od Księgi Rodzaju 2, 11 (o Havilah) oraz jest jednym z darów mędrców (Trzech Królów) w pierwszych rozdziałach Nowego Testamentu, w Ewangelii według Mateusza. Apokalipsa świętego Jana 21, 21 opisuje miasto Nowe Jeruzalem jako mające rynek Miasta to czyste złoto jak szkło przeźroczyste[15].
Południowo-wschodni obszar Morza Czarnego był znany ze swojego złota. Wydobycie złota datuje się tam od czasu króla Midasa i tamtejsze złoto prawdopodobnie było wykorzystane w pierwszym na świecie biciu monet w Lidii, tzw. „lwów lidyjskich”[16] około 610 r. p.n.e. Od VI do V wieku p.n.e. państwo Chu miało w obiegu monetę Ying Yuan (chiń. 郢爰)[17].
W metalurgii Starożytnego Rzymu zostały wprowadzone nowe metody wydobycia złota na dużą skalę, wykorzystujące urabianie hydrauliczne, od 25 roku p.n.e. wykorzystywane w Hiszpanii, a od 106 roku n.e. w Dacji. Do największych kopalń należały te w Las Médulas, w prowincji León, gdzie siedem długich akweduktów pozwalało przemywać duże złoża aluwialne. Dużymi kopalniami były także te położone w Roşia Montană w Transylwanii (Siedmiogród), które do niedawna były wciąż eksploatowane przy użyciu metod odkrywkowych. Również były wykorzystywane mniejsze złoża w Brytanii, takie jak złoża okruchowe czy skalne w Dolaucothi. Różne używane metody wydobycia złota zostały opisane przez Pliniusza Starszego w encyklopedii Historia Naturalis, napisanej pod koniec pierwszego wieku naszej ery. W okresie imperium rzymskiego produkcja złota osiągała 5–10 ton rocznie[13].
Imperium Mali w Afryce słynęło w Starym Świecie ze swojego bogactwa w złoto. Mansa Musa, władca imperium (1312–1337) stał się sławny w całym Starym Świecie ze względu na jego hadżdż do Mekki w 1324. Kiedy przechodził przez Kair w lipcu 1324 roku, towarzyszyła mu podobno karawana składająca się z ponad tysiąca ludzi i około setki wielbłądów. Wydał tyle złota, że obniżyło to jego cenę w Egipcie na ponad 10 lat[18]. Szacuje się, że obszary dzisiejszej Ghany dostarczały 5-8 ton złota rocznie[13].
Złoto w Egipcie miało wysoką cenę zanim przybyli w tym roku. Mithqal nie kosztował mniej niż 25 dirham, a zazwyczaj powyżej, ale od tamtego czasu jego wartość spadła i złoto staniało, a pozostawało tanie do tej pory. Mithqal nie przekraczał 22 dirham lub kosztował nawet mniej. To był stan rzeczy od dwunastu lat do dzisiaj z powodu dużej ilości złota, którą przywieźli do Egiptu i tutaj je wydali [...]
Europejska eksploracja Ameryki była w dużej mierze napędzana doniesieniami o złotych ozdobach obficie pokazywanych przez Indian, szczególnie w Ameryce Centralnej, Peru, Ekwadorze i Kolumbii. Aztecy dosłownie traktowali złoto jako produkt bogów, nazywając je „boskimi odchodami” (nah. teocuitlatl)[20]. Jednakże dla ludów tubylczych Ameryki Północnej złoto było bezużyteczne, większą wartość widzieli w innych minerałach, które były bezpośrednio związane z ich zastosowaniem, takie jak obsydian, krzemień i łupek[21]. Szacuje się, że eksplorowane obszary Ameryki Południowej łącznie z afrykańskim Złotym Wybrzeżem w XVI dostarczały około 10–12 ton złota rocznie[13].
Chociaż cena metali z grupy platynowców może być znacznie wyższa, złoto przez długi czas było uważane za najbardziej pożądany metal szlachetny, a jego wartość w historii była używana jako standard dla wielu walut (parytet złota). Złoto było używane jako symbol czystości, wartości, królewskości, i szczególnie ról, które łączyły te cechy. Złoto jako symbol bogactwa i prestiżu zostało wyśmiane przez Thomasa More’a w traktacie Utopia. Na tej wymyślonej wyspie złoto było tak powszechne, że było używane do robienia łańcuchów dla niewolników, zastawy stołowej i desek klozetowych. Kiedy przybyli ambasadorzy z innych krajów, ubrani w złoto i odznaki, Utopianie wzięli ich za zwykłe sługi, składając hołdy najskromniej ubranym spośród ich grupy.
Istnieje archaiczna tradycja gryzienia złota w celu sprawdzenia jego autentyczności. Chociaż nie jest to profesjonalna metoda badania złota, to „test gryzienia” nadaje się do oceny złota ponieważ złoto jest miękkim metalem (do 3 w skali Mohsa). Im czystsze złoto tym łatwiej je odkształcić. Malowany ołów może oszukać ten test ponieważ ołów jest bardziej miękki niż złoto (istnieje małe ryzyko zachorowania na ołowicę na skutek przyjęcia dawki ołowiu).
Jednym z głównych celów alchemików było przekształcenie różnych substancji, głównie ołowiu, w złoto. Miało odbyć się to w wyniku kontaktu danej substancji z mityczną substancją zwaną kamieniem filozoficznym. Chociaż im nigdy się to nie udało, alchemicy rozpowszechnili zainteresowanie tym co można robić z substancjami, przez co położyli podwaliny pod naukę, którą dzisiaj nazywamy chemią. Alchemicznym symbolem złota był okrąg z punktem w środku (☉), który był również symbolem astrologicznym i starożytnym chińskim znakiem oznaczającym słońce. Obecnie otrzymywanie złota z innych substancji jest możliwe m.in. przez przekształcenie rtęci na drodze wychwytu neutronu przez 196Hg.
Złoto w starożytności było stosunkowo łatwe do uzyskania z kopalnianych warstw geologicznych. W XIX wieku, wszędzie gdzie zostawały odkryte większe złoża złota wybuchały gorączki złota. Pierwszym udokumentowanym odkryciem złota w Stanach Zjednoczonych było odkrycie złota w Reed Gold Mine w Midland w Karolinie Północnej w 1803[22]. Jednakże 90% otrzymanego złota zostało wydobyte od 1848 roku, kiedy to w Kalifornii wybuchła gorączka złota[13]. W 1851 roku, w samej tylko Kalifornii, wydobyto 77 ton złota. Światowa produkcja złota w tym okresie wzrosła do około 280 ton (1852)[13].
Właściwości atomowe
Atom złota zbudowany jest z 79 protonów i 90–126 neutronów tworzących jądro oraz 79 elektronów (w stanie podstawowym) o konfiguracji 1s22s22p63s23p63d104s24p64d104f145s25p65d106s1 (zapis skrócony: [Xe]4f145d106s1).
- Izotopy
Złoto ma jeden trwały izotop, 197Au, będącym jednocześnie jedynym naturalnie występującym izotopem złota. Znanych jest kilkadziesiąt radioizotopów otrzymanych syntetycznie, których masy atomowe są w zakresie od 126 do 205. Najstabilniejszym spośród nich jest 195Au, który ma czas połowicznego rozpadu, T½ równy 186,1 dni. Najmniej stabilnym jest 171Au, o T½ = 30 µs, który rozpada się w wyniku emisji protonu. Większość radioizotopów złota o masach poniżej 197 u ulega rozpadowi w wyniku kombinacji emisji protonu, rozpadu α i rozpadu β+. Wyjątkami od reguły są 195Au, który rozpada się przez wychwyt elektronu oraz 196Au, który w 93% rozpada się przez wychwyt elektronu oraz w 7% przez rozpad β+[23].
- Izomery
Zostały opisane przynajmniej 32 izomery jądrowe o zakresie mas atomowych 170 do 200. W przedziale tym tylko 178Au, 180Au, 181Au, 182Au i 188Au nie mają izomerów. Najstabilniejszym jest 198Au o T½ = 2,27 dnia. Najmniej stabilnym jest 177Au o T½ = 7 ns. 184Au ma trzy ścieżki rozpadu; rozpad β+, przejście izomeryczne i rozpad α[23].
Właściwości fizyczne
Złoto jest najbardziej kowalne spośród wszystkich metali; jeden gram złota może być rozbity na arkusz o powierzchni 1 m². Płatek złota może być rozbity do tego stopnia, że staje się półprzezroczysty. Przechodzące przez taki płatek światło jest zielono-niebieskie, ponieważ złoto silnie odbija żółte i czerwone składowe długości światła[24][25]. Takie półprzezroczyste arkusze również silnie odbijają podczerwień, co czyni je użyteczne w wytwarzaniu osłon przed promieniowaniem podczerwonym (cieplnym) w kombinezonach żaroodpornych i osłonach przeciwsłonecznych w skafandrach astronautów[26]. Złoto z łatwością tworzy stopy z innymi metalami. Przy wytwarzaniu tych stopów można zmieniać ich twardość i inne właściwości metalurgiczne, od temperatury topnienia do koloru (patrz poniżej)[27]. Złoto charakteryzuje się bardzo dobrą przewodnością cieplną i elektryczną, co znajduje zastosowanie w elektronice i elektryce. Złoto jest metalem o wysokiej gęstości 19,3 g/cm³, dla porównania gęstość ołowiu wynosi 11,34 g/cm³, a najcięższego pierwiastka, osmu 22,61 g/cm³.
Złoto może zawierać izostrukturalne domieszki innych pierwiastków. Tego typu stopy mogą występować naturalnie lub być wytwarzane sztucznie. Mogą to być domieszki np.:
- srebra – elektrum;
- rtęci – amalgamat złota;
- miedzi – cuproauryt;
- palladu – porpezyt;
- rodu – rhodyt;
- itru – irauryt;
- platyny – złoto platynowe;
- bizmutu – maldonit.
Kolor
- Podstawy fizyczne
Podczas gdy większość metali w postaci zwartej jest szara lub srebrno-biała, złoto jest żółte. Jest to wynikiem zbliżenia pasma energetycznego w pełni zapełnionego orbitalu 3d (3d10) i poziomu Fermiego orbitalu 6s, zapełnionego jedynie w połowie (6s1). Efekty relatywistyczne sprawiają, że orbital 3d10 ulega rozszerzeniu, a 6s1 skurczeniu, a w efekcie przerwa energetyczna, której wielkość odpowiada za kolor pierwiastka, wynosi jedynie 2,3 eV. Wartość ta została ustalona doświadczalnie i jest zgodna z obliczeniami, pod warunkiem, że uwzględniają one efekty relatywistyczne. Taka energia oznacza silną absorpcję światła niebieskiego i fioletowego oraz odbicie światła żółtego i czerwonego, co nadaje złotu charakterystyczną barwę. Dla srebra, pomimo bardzo zbliżonego układu klasycznych pasm elektronowych, efekty relatywistyczne są znacznie słabsze i energia przejścia wynosi 3,5 eV, co lokuje absorpcję światła w rejonie ultrafioletu, co w efekcie powoduje odbijanie całego zakresu światła widzialnego i srebrny kolor metalu. Problem koloru złota jest jednak bardzo złożony i brak jest pełnej charakterystyki obliczeniowej tego zjawiska[28][29][30].
- Barwa stopów złota
Powszechne stopy kolorowego złota, takie jak różowe złoto, mogą być wytworzone poprzez dodawanie różnych ilości miedzi i srebra, jak pokazuje to diagram trójkątny. Stopy zawierające pallad i nikiel tworzą tzw. „białe złoto”, które często jest wykorzystywane w jubilerstwie. Mniej powszechnymi są stopy złota zawierające dodatki manganu, glinu, żelaza, irydu i innych pierwiastków[31], które nadają złotu bardziej niezwykłe kolory, jak na przykład niebieski[32][25].
Właściwości chemiczne
Złoto jest metalem szlachetnym o wyjątkowo dużej odporności chemicznej, znacznie większej niż poprzedzające go w grupie 11 miedź i srebro. W przeciwieństwie do nich, na powietrzu nie ulega ściemnieniu. Jest też odporne na działanie większości czynników korozyjnych, dzięki czemu idealnie nadaje się do produkcji monet, biżuterii i pokryć ochronnych bardziej reaktywnych metali.
Ulega działaniu bardzo agresywnych czynników utleniających, utleniając się od razu do związków AuIII, co wyraźnie odróżnia je od miedzi i srebra, dla których tak wysoki stopień utlenienia jest niezwykle rzadki (znany jest AgF3)[30]. W ten sposób roztwarza się w wodzie królewskiej, w kwasie solnym w obecności ozonu oraz w gorącym kwasie selenowym[33]:
- 2Au + 6H2SeO4 → Au2(SeO4)3 + 3H2SeO3 + 3H2O
Podobnie ulega też działaniu chloru i bromu, natomiast fluor utlenia złoto do związków AuV[30].
Złoto jest roztwarzane także w zasadowych roztworach cyjanków (w obecności utleniaczy, np. tlenu) tworząc kompleksy cyjanozłocianowe:
- 4Au + 8KCN + O2 + 2H2O → 4K[Au(CN)2] + 4KOH
Proces ten wykorzystywany jest do wydobywania złota ze złóż.
Ponadto złoto rozpuszcza się w rtęci tworząc amalgamat złota.
Wysoka odporność chemiczna złota wynika z wyjątkowo dużego potencjału redoks Au0/Au+ oraz wysokiego pierwszego potencjału jonizacyjnego wynoszącego 9,225 eV (dla porównania dla srebra jest to 7,576 eV). Te wyjątkowe właściwości elektronowe, a co za tym idzie, właściwości chemiczne, wynikają – podobnie jak kolor złota – w dużej mierze z efektów relatywistycznych[30].
Najpowszechniejszymi stopniami utlenienia złota jest I i III. Znane są również związki na –I stopniu utlenienia (złotek cezu) i na V (fluorek złota(V)[34]).
Jony złota znajdujące się w roztworze, do którego doda się jakiegokolwiek innego metalu będącego reduktorem, łatwo ulegają redukcji i strąceniu w postaci metalicznego złota. Dodany metal utlenia się i rozpuszcza zastępując w roztworze złoto, które może strącić się w postaci osadu.
Wysokiej czystości metaliczne złoto nie ma smaku i zapachu, co zawdzięcza swojej wysokiej odporności na korozję (jony metali są odpowiedzialne za ich smak)[35].