Имея температуру плавления 1064,18 °C и температуру кипения 2856 °C, золото известно своей летучестью, которая начинается задолго до плавления, явление, хорошо наблюдаемое при нагревании от источников открытого пламени; для уменьшения потерь используются другие методы плавления, такие как индукционные печи или аналогичные.
Химический элемент золото (Au): свойства, методы получения и место в периодической таблице
Золото (Au, от лат. Aurum) — химический элемент I группы периодической таблицы Менделеева, относящийся к группе драгоценных металлов. Помимо золота, в эту группу входят серебро, платина, рутений, родий, палладий, осмий, иридий и иногда рений. Вышеупомянутые металлы названы так из-за их высокой химической стойкости. Золото высоко ценилось во всем мире с древних времен. О его особой ценности свидетельствует тот факт, что каждый средневековый алхимик считал целью своей жизни получение золота из других веществ, чаще всего используя в качестве исходного материала ртуть. Существуют легенды, что некоторым, например, Николя Фламелю, это даже удалось.
Распространение в природе
Золото встречается повсюду. В кубическом километре морской воды содержится 5 кг этого желанного элемента, а если уколоть палец и выдавить каплю крови, то в ней будет 0,00025 мг золота. В человеческом скелете содержится 10 мг: если бы вы задались целью выплавить из людей кольцо, хватило бы всего 300. Но это золото находится в такой рассеянной форме в окружающей среде, что извлекать его оттуда нерентабельно, а зачастую и невозможно.
Месторождения, пригодные для добычи золота, делятся на первичные (постмагматические) и вторичные (россыпные).
Первичные месторождения
Химический элемент Au в изобилии содержится в магме — расплавленных недрах земного шара. Золото содержится в верхних слоях мантии и частично в земной коре (которая, однако, содержит почти всю периодическую таблицу). Магма поднимается на поверхность планеты, остывает и превращается в твердую породу. Места, где в ней содержится столько ценного элемента, что его выгодно добывать промышленным способом, являются первичными месторождениями.
Природное золото встречается в виде самородков — цельных зерен химически чистого вещества. Часто оно сочетается с другими элементами (магма содержит почти все из них):
Вторичные месторождения
Вторичные месторождения образуются в результате разрушения первичных месторождений, известного как выветривание:
Выходы чистого золота выглядят как песок и иногда переносятся водами на многие километры от первичного месторождения.
Находки в природе
Золото встречается повсюду. В кубическом километре морской воды содержится 5 кг этого желанного элемента, а если уколоть палец и выдавить каплю крови, в ней окажется 0,00025 мг золота. 10 мг содержится в человеческом скелете: если бы вы задались целью выплавить кольцо из людей, вам понадобилось бы всего 300 человек. Но это золото встречается в окружающей среде в такой рассеянной форме, что извлекать его оттуда нерентабельно, а зачастую и невозможно.
Месторождения, пригодные для добычи золота, делятся на первичные (постмагматические) и вторичные (россыпные).
Первичные месторождения
Химическим элементом Au богата магма — расплавленный в недрах земного шара материал. Золото содержится в верхних слоях мантии и частично в земной коре (которая, однако, содержит почти всю периодическую таблицу). Магма поднимается на поверхность планеты, остывает и превращается в твердую породу. Места, где содержится такое количество этого драгоценного элемента, что его выгодно добывать промышленным способом, являются первичными месторождениями.
Природное золото встречается в виде самородков — цельных зерен химически чистого материала. Часто оно сочетается с другими элементами (магма содержит почти все из них):
Вторичные месторождения
Вторичные месторождения образуются в результате разрушения первичных месторождений, известного как выветривание:
Выходы чистого золота выглядят как песок и иногда переносятся водами на многие километры от первичного месторождения.
История открытия элемента
В чистом виде золото попало в руки человека в 6 веке до нашей эры. Массовая эксплуатация африканских месторождений началась раньше — около 2000 года до н.э., но методов вскрыши не было, и золотые изделия того времени отличались низким качеством.
В поздней античности (начало нашей эры) алхимия начала распространяться по всему миру с ее стремлением превратить недрагоценные химические элементы в благородные. Она не была успешной, но современная цивилизация достигла многих чудес благодаря алхимии, например, техники извлечения чистого золота из руды.
Латинское название золота — Aurum (читается как аурум) — ‘желтый’. Оно принято в качестве международного названия. У алхимиков символ солнца выглядел как круг с точкой посередине, а в современной химии его обозначают аббревиатурой Au.
Обнаружение в природе
Золото часто встречается в окружающей среде. Оно составляет почти 5% литосферы нашей планеты. Высокая цена этого металла обусловлена его трудоемкой добычей, даже с помощью специализированного оборудования. Существует много видов горных пород, содержащих мелкие частицы золота, но золото представлено в виде рассеянной пыли. Интересным историческим фактом является то, что люди находили большие залежи этого минерала просто под слоями земли.
Химический элемент образуется в земной коре под воздействием температурных изменений. Его добывают из железных руд и минералов. Чаще всего металл находят в виде самородков, но в природе он может сочетаться с серебром, висмутом, медью, селеном или сурьмой. Известные природные твердые растворы называются:
Существуют месторождения вторичных веществ, которые образуются при распаде первичных соединений. Причинами образования таких окаменелостей могут быть:
Довольно большое количество химического элемента присутствует в морской воде, но извлекать его оттуда нерентабельно. Материал размещения напоминает песок, который течением уносится далеко от первоначального месторождения. Небольшое количество чистого вещества можно найти даже в обычной проточной воде.
Сегодня этот ценный металл добывают во многих странах мира:
Читайте далее:Золото находят в Гане, Индонезии и Мексике. Эти страны поставляют золото на мировой рынок металлов. На физической карте оно обозначается круглым символом с затемненной левой половиной.
Атомная структура и физические свойства
На схеме золото значится в шестом периоде в подгруппе меди в группе 11. Его буквенное обозначение — Au. Элемент имеет номер 79. В ядре атома металла 79 протонов и 117 нейтронов. На шести энергетических уровнях атома находится 79 электронов. Природный элемент существует в виде химически стабильного изотопа 197Au. Остальные изотопы нестабильны и могут быть получены только в условиях ядерного реактора.
Распределение электронов по орбиталям в электронной формуле золота имеет вид 1s22s22p63s23p63d104s24p64f145s25p65d106s1 В своих соединениях металл проявляет валентность I. Это связано с наличием одного неспаренного электрона. Однако этот элемент также характеризуется валентностью II.
Золото относится к группе переходных металлов. В абсолютно чистом виде оно имеет светло-желтый цвет. Если оно содержит медь, то может иметь красноватый оттенок. Химический элемент характеризуется гранецентрированной кубической кристаллической решеткой.
Основными физическими характеристиками золота являются.
- температура плавления — 1064,18 °C;
- температура кипения — 2856 °C;
- атомная масса — 196,96655;
- плотность — 19,3 г/см3;
- молярный объем — 10,2 см3/моль;
- твердость по Моосу — 2,5.
Это вещество характеризуется пластичностью и гибкостью. Золото — самый мягкий из всех металлов и прекрасно поддается обработке. Золото — самый мягкий из всех металлов и очень податливый. Предметы из этого материала могут гнуться и ломаться, поэтому важно защищать их от любых механических повреждений. При изготовлении столовых приборов производители добавляют к золоту дополнительные сплавы для повышения прочности изделий. Жидкое вещество летуче и может испаряться до температуры плавления.
Золото и его сплавы
Золото — очень мягкий металл, его можно легко расплющить и уменьшить до тонких пластин и листов. В некоторых случаях это очень удобно. Тем не менее, большинство изделий из золота отливают, хотя температура плавления золота составляет 1063° C. Уже древние мастера должны были убедиться, что невозможно придать золоту все необходимые формы путем литья. Например, при изготовлении простого кувшина ручку приходилось отливать отдельно, а затем припаивать.
Историки и археологи установили, что пайка металлов известна человеку уже несколько тысяч лет. Древние паяли не олово, а золото, точнее, сплав золота и серебра. В современных машинах тоже иногда приходится использовать золотой припой.
Золото — третий по электропроводности материал после серебра и меди.
Когда золото и медь вступают в контакт под давлением, в восстановительной среде или в вакууме, диффузия — перенос молекул от одного металла к другому — происходит довольно быстро. Детали из этих металлов соединяются друг с другом при температуре гораздо ниже температуры плавления меди, золота или любого из их сплавов. Такие соединения называются золотыми пломбами. Они используются при производстве некоторых типов радиоламп, хотя прочность золотых уплотнений несколько ниже, чем у соединений плавлением. Сплавы золота с серебром или медью используются для изготовления волосков гальванометров и других точных приборов, а также миниатюрных электрических контактов, рассчитанных на прием огромного количества затворов и отверстий. И что важно, эти структурно простые компоненты должны работать без склеенных контактов и реагировать на каждый импульс.
В сплавах с наименьшей адгезией золото играет особую роль. Безупречно работают сплавы золота с палладием (30%) и платиной (10%), палладием (35%) и вольфрамом (5%), цирконием (3%), марганцем (1%). В литературе описаны сплавы с аналогичными свойствами, которые могут конкурировать с золотом. Существует, например, сплав платины с 18% иридия, но он дороже любого из упомянутых сплавов. А лучшие контактные сплавы очень дороги, но без них не может обойтись современная космическая техника. Более того, они используются в самых важных некосмических приложениях, требующих особой надежности.
Золото и его сплавы стали строительным материалом не только для миниатюрных радиотрубок и контактов, но и для гигантских ускорителей частиц. Ускоритель обычно представляет собой огромную круглую камеру — трубу, свернутую в тимпан. Чем больше разрежение, которое может быть создано в такой трубке, тем дольше элементарные частицы могут в ней жить. Трубки изготовлены из нержавеющей стали, расплавленной в вакууме. Внутренняя поверхность трубки отполирована до блеска — с такой поверхностью легче поддерживать глубокое разрежение.
Давление в ускорителе частиц не превышает миллиардной доли атмосферного давления. Излишне объяснять, как трудно поддерживать такой вакуум в гигантском ‘плунжере’, тем более что плунжер имеет разветвления, втулки и соединения.
Уплотнительные кольца и ускорительные шайбы сделаны из мягкого, ковкого золота. Соединения элементов паяются золотом.
В некоторых случаях податливость золота оказывается необходимой характеристикой, а в других, наоборот, создает трудности. Одно из самых старых применений золота — зубное протезирование. Конечно, легче формировать мягкий металл, но зубы из чистого золота относительно быстро изнашиваются. Поэтому зубные протезы и ювелирные изделия изготавливают не из чистого золота, а из сплавов золота с серебром или медью. В зависимости от содержания серебра цвет таких сплавов меняется: 20-40% серебра дает зеленовато-желтый металл, а 50% — бледно-желтый.
Далее сплавы закаливают путем термической обработки, и золото в этом случае ведет себя очень своеобразно. Процесс закалки стали хорошо известен: металл нагревают до определенной температуры, а затем быстро охлаждают. Такая обработка придает стали твердость. Чтобы снять закалку, металл снова нагревают и медленно охлаждают — это отжиг. В отличие от этого, сплавы золота с медью и серебром становятся мягкими и пластичными при быстром охлаждении, а медленный отжиг делает их твердыми и хрупкими.Золото в медицине
Первые попытки использования золото Золото как лекарство можно проследить до алхимии, но с не большим успехом, чем философский камень. В 16 веке Парацельс пытался использовать препараты золота для лечения некоторых заболеваний, в частности сифилиса. Он писал ‘Целью химии должно быть не превращение металлов в золото, а приготовление лекарств’.
Гораздо позже золотосодержащие соединения были предложены в качестве средства для лечения туберкулеза. Было бы неправильно считать это предложение лишенным рациональной основы: in vitro, то есть вне организма, ‘на глаз’, эти соли губительны для туберкулезной палочки, но для эффективной борьбы с болезнью необходимы довольно высокие концентрации этих солей. В настоящее время соли золота полезны против туберкулеза лишь постольку, поскольку они повышают устойчивость к этому заболеванию.
Также было обнаружено, что хлорид золота в концентрации 1 : 30 000 ингибирует спиртовое брожение, при увеличении концентрации до 1 : 3 900 оно ингибируется значительно, а при концентрации 1 : 200 полностью прекращается.
Тиосульфат золота и натрия AuNaS203который был успешно использован для лечения трудноизлечимого кожного заболевания — красной волчанки. Органические соединения золота, особенно кризолган и трифала, также нашли применение в медицинской практике.
Кризолган одно время широко использовался в Европе для борьбы с туберкулезом, а трифала, которая менее токсична и более эффективна, чем золото и тиосульфат натрия, — для лечения красной волчанки. В Советском Союзе был разработан очень активный препарат кризанол (Au-S-SH2-CNON-CH2S03)2Ca для лечения волчанки, туберкулеза и проказы.
После открытия радиоактивных изотопов золота его роль в медицине значительно возросла. Коллоидные частицы изотопов используются при лечении злокачественных опухолей. Эти частицы физиологически инертны, поэтому их не нужно выводить из организма как можно быстрее. При введении в определенные участки опухоли они облучают только пораженные участки. Радиоактивное золото используется для лечения некоторых форм рака. Была создана специальная ‘радиоактивная пушка’, содержащая 15 стержней радиоактивного золота с периодом полураспада 2,7 дня. Было доказано, что лечение ‘радиоактивными иглами’ позволяет устранить поверхностно локализованную опухоль молочной железы уже на 25-й день.
