Złoto i jego stopy

Złoto

Pierwiastek chemiczny o symbolu Au i liczbie atomowej 79. Ciężki, miękki i błyszczący metal, najbardziej kowalny i ciągliwy 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. Za 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.

Jest odporne na poszczególne kwasy, ale roztwarza się w wodzie królewskiej, w zasadowych roztworach cyjanków, które były używane do wydobywania złota. Złoto rozpuszcza się również w rtęci, tworząc amalgamat. 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 w postaci samorodków lub ziarna w skałach litych, żyłach i osadach aluwialnych. Mniej powszechnie występuje jako związki złota, zazwyczaj z tellurem. Poza szeroko rozpowszechnionymi zastosowaniami, złoto stosuje się również w stomatologii, elektronice i przemyśle spożywczym.

Właściwości złota:

1. Fizyczne

Złoto jest najbardziej kowalne spośród wszystkich metali. 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. 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. Z łatwością tworzy stopy z innymi metalami. Przy wytwarzaniu tych stopów można zmieniać ich twardość i inne właściwości metalurgiczne, od temperatury topnienia do koloru. 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.

2. Kolor

Podczas gdy większość innych metali jest szara lub srebrno-biała, złoto jest żółte. Ten kolor jest określony przez gęstość luźno związanych elektronów walencyjnych. Powszechne stopy kolorowego złota, takie jak różowe złoto, mogą być wytworzone poprzez dodawanie różnych ilości miedzi i srebra. 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, które nadają złotu bardziej niezwykłe kolory, jak na przykład niebieski.

Rys. 1 Różne kolory stopów Ag-Au-Cu

3. Mieszaniny złota

Złoto często zawiera domieszki, takie jak:

• srebro - elektrum;

• rtęć - amalgamat złota;

• miedź - cuproauryt;

• pallad - porpezyt;

• rod - rhodyt;

• itr - irauryt;

• platyna - złoto platynowe;

• bizmut - maldonit.

4. Chemiczne

Chemicznie, złoto nie podlega działaniu powietrza i większości czynników korozyjnych, dzięki czemu idealnie nadaje się do produkcji monet, biżuterii i pokryć ochronnych bardziej reaktywnych metali. Roztwarza się w wodzie królewskiej, w kwasie solnym w obecności ozonu oraz w gorącym kwasie selenowym. Jest roztwarzane także w zasadowych roztworach cyjanków (w obecności utleniaczy, np. tlenu) tworząc kompleksy cyjanozłocianowe. Ponadto rozpuszcza się w rtęci tworząc amalgamat złota.

Najpowszechniejszymi stopniami utlenienia złota jest +1 i +3. Znane są również związki na -1 stopniu utlenienia (złotek cezu) i na +5 (fluorek złota(V)).

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).

5. Izotopy

Złoto ma jeden trwały izotop, ¹⁹⁷Au, będący jednocześnie jedynym naturalnie występującym izotopem złota. Znanych jest kilka radioizotopów otrzymanych syntetycznie, których masy atomowe są w zakresie od 126 do 205. Najstabilniejszym spośród nich jest ¹⁹⁵Au, najmniej stabilnym jest ¹⁷¹Au. 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⁺.

Występowanie

Liczba atomowa złota 79 czyni je jednym z najcięższych pierwiastków występujących naturalnie. Uważa się, że złoto powstaje w wyniku procesu nukleosyntezy w supernowych. Ich eksplozje rozpraszają bogaty w metale pył zawierający między innymi złoto. Występujące na Ziemi złoto elementarne najczęściej występuje w postaci roztworu stałego złota ze srebrem, tj. stopu złota ze srebrem. Jego kolor zmienia się od złoto-srebrnego do srebrnego, w zależności od zawartości srebra. Im więcej w nim srebra tym niższa gęstość.

Złoto znajdowane jest w rudach złożonych ze skał mających bardzo małe lub mikroskopijne ilości złota. Takie rudy złota często są znajdowane wraz z kwarcem lub siarczkami, takimi jak „złoto głupców”, którym jest piryt. Złoża zawierające takie rudy nazywane są złożami żyłowymi. Złoto rodzime można znaleźć także w postaci płatków, ziaren lub większych bryłek (samorodków), które wyerodowały ze skał i znalazły się w złożach aluwialnych, zwanych złożami okruchowymi. Większe ilości wolnego złota zazwyczaj znajdują się na wierzchu żyły złotonośnej, co spowodowane jest utlenianiem towarzyszących mu minerałów na skutek wietrzenia i wymywania złotego pyłu przez strumienie i rzeki, gdzie następuje jego nagromadzenie się. W ten sposób powstają złotonośne piaski rzeczne.

Złoto tworzy dwa podstawowe typy złóż:

• złoża pierwotne - związane z wysokotemperaturowymi żyłami hydrotermalnymi, przecinającymi skały wylewne, z żyłami kwarcowymi i skałami metamorficznymi. Bywa spotykane z kwarcem, pirytem, chalkopirytem, galeną, sfalerytem, barytem, fluorytem, srebrem rodzimym

• złoża wtórne - związane ze skałami okruchowymi, powstałymi wskutek niszczenia wcześniejszych złóż pierwotnych. Znajdowane jest w aluwialnych piaskach i żwirach, a także w piaskowcach i zlepieńcach.

Złoto jest wydobywane w kopalniach głębinowych w strefie zimnej, tj. Rosja, USA, RPA oraz w kopalniach odkrywkowych w strefie gorącej: Afryka, Azja południowo-wschodnia, Ameryka Południowa. Dodatkowo pojawia się jako domieszka w wydobyciu innych surowców, jednakże ilość wydobytego w ten sposób złota jest stosunkowo niewielka.

Stopy złota

W stopach złota przeznaczonych dla celów jubilersko-złotniczych, zgodnie z polskim prawem probierczym, jako pozostałe składniki stopowe mogą być stosowane wszystkie metale szlachetne, a z nieszlachetnych miedź i nikiel. W przypadku spoiw mogą być jeszcze stosowane cynk i kadm, które dodaje się do stopów złota w celu obniżenia temperatury topnienia oraz poprawienia jego płynności. W stopach złota można wyróżnić stopy dwuskładnikowe, trójskładnikowe i wieloskładnikowe. Stopy złota na cele jubilerskie i dentystyczne zostały uregulowane normą branżową BN-81/8520-03. Wspomniana norma branżowa pt. „Złoto i jego stopy” oprócz podawania czystości złota rafinowanego podaje również składy chemiczne stopów złota dla poszczególnych prób obowiązujących w Polsce. Norma ujmuje stopy trójskładnikowe typu Au-Ag-Cu. Nie podaje natomiast składów chemicznych stopów białego złota, zarówno białego złota niklowego, jak i białego złota palladowego. Spoiwa złote (luty złote) zostały uregulowane w normie branżowej BN-67/0898-01 pt. „Spoiwa złote do lutowania”.

Stopy złoto-srebro (Au-Ag)

Stopy te tworzą roztwory stałe ciągłe, to znaczy, że składniki stopowe rozpuszczają się w sobie w każdej ilości bez ograniczeń w stanie stałym, jak też w stanie ciekłym. Różnica między temperaturami krzepnięcia i topnienia posiada bardzo mały zakres, gdyż waha się w granicach od 10 do 20 stopni. W zależności od zawartości srebra w stopie złota kolor stopu będzie się zmieniał z barwy żółtej dla próby Au 0,960, poprzez jasnożółtą, żółto-zieloną, do zielonkawo-żółtej Au 0375, aż nastąpi zupełnie zanik barwy żółtej dla stopu Au 0,333.

W stopach podwójnych Au-Ag dodatek srebra wpływa minimalnie na wzrost własności wytrzymałościowych i twardości, jak również niewiele wpływa na zmianę własności plastycznych. Stopy Au-Ag nie podlegają obróbce cieplnej, gdyż nie wpływa ona na zmianę własności mechanicznych. Natomiast przy przeróbce plastycznej, gdzie ulega zgniotowi, stosuje się wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze 700-800°C ze studzeniem wyżarzanych przedmiotów na powietrzu.

Stopy złoto-miedź (Au-Cu)

Układ równowagi stopów Au-Cu, z którego wynika, że jest to nieograniczona rozpuszczalność wzajemna obu metali, przy wystąpieniu minimum rozpuszczalności przy składzie 81,5 procent Au oraz 18,5 procent Cu. W czasie wolnego studzenia w stanie stałym powstają nadstruktury, które pod względem proporcji ilościowych odpowiadają związkom AuCu, oraz druga nadstruktura, odpowiadająca związkowi AuCu3. Powstałe nadstruktury są twarde i kruche, czyli pogarszają własności plastyczne stopów Au-Cu. W celu poprawienia własności plastycznych stosuje się dla tych stopów obróbkę cieplną polegającą na wygrzaniu stopu powyżej temperatury 650 stopni Celsjusza, a następnie szybkie studzenie w wodzie lub denaturacie. Stopy typu Au-Cu bez obróbki cieplnej o zwiększonej twardości, a zarazem i zwiększonej odporności na ścieranie, mają zastosowanie jako stopy monetarne do bicia monet złotych.

Stopy trójskładnikowe

Są to głównie stopy typu Au-Ag-Cu (złote-srebro-miedź), czyli podstawowe stopy stosowane w jubilerstwie. Barwa tych stopów zależy głównie od proporcji srebra i miedzi. Przy sporządzaniu większej ilości stopów trójskładnikowych najczęściej sporządzana jest tzw. ligatura, czyli stop pośredni; w tym przypadku będzie to stop srebra z miedzią.

Wprowadzenie do stopionego złota pozostałych składników w postaci ligatury zapewnia jednorodność stopu oraz ułatwia jego topienie. Stopy typu Au-Ag-Cu ze względu na możliwość występowania nadstruktur typu AuCu lub AuCu3, co może powodować kruchość stopu, wymagają po stopieniu szybkiego ostudzenia. Również przy przeróbce plastycznej po wyżarzaniu rekrystalizującym należy stosować szybkie studzenie w wodzie lub spirytusie denaturowanym.

Zastosowanie złota:

1. Jubilerstwo

Z powodu miękkości czystego złota, do zastosowań w jubilerstwie, są tworzone stopy z mniej szlachetnymi metalami, zmieniając jego twardość, ciągliwość, temperaturę topnienia, kolor i inne właściwości. Stopy o mniejszej ilości karatów, zazwyczaj 22k, 18k, 14k lub 10k, zawierają większy procent miedzi. 18-karatowe złoto zawierające 25% miedzi stosowano w antyku i rosyjskiej biżuterii i ma wyraźny, choć nie dominujący, odcień miedzi, tworząc różowe złoto. 14-karatowy stop złota z miedzią ma niemal identyczny kolor do pewnych brązów, i oba często są używane do wyrobu odznak policyjnych, medali i innych ozdób. Niebieskie złoto może być wytworzone poprzez stopienie złota z żelazem, a fioletowe poprzez stopienie z glinem, chociaż są stosunkowo rzadko wykonywane, za wyjątkiem specjalnej biżuterii. Niebieskie złoto jest bardziej kruche i stąd praca i wyrób biżuterii z tym złotem jest trudniejsza. 14 i 18-karatowe stopy złota ze srebrem wydają się zielono-żółte, stąd są określane jako zielone złoto. Białe stopy złota mogą być zrobione z palladem lub niklem. Białe 18-karatowe złoto, zawierające 17,3% niklu, 5,5% cynku i 2,2% miedzi ma srebrną barwę. Ze względu na toksyczność niklu produkcja takich stopów jest regulowana w Europie prawem. Alternatywne białe stopy złota są wytwarzane w oparciu o pallad, srebro i inne białe metale, lecz stopy oparte na palladzie są wyraźnie droższe od tych opartych na niklu. Wysokokaratowe białe złoto jest znacznie bardziej odporne na korozję niż czyste srebro czy srebro sterling. Japońskie rzemiosło mokume-gane wykorzystuje różnice kolorów pomiędzy laminowanymi kolorowymi stopami złota, tworząc dekoracyjny efekt przypominający słoje drzewa.

2. Przemysł

• złoty stop lutowniczy jest używany w łączeniu elementów złotej biżuterii za pomocą lutowania wysokotemperaturowego lub lutowania twardego.

• ze złota można wytwarzać nici używane do haftu,

• złoto używane jako barwnik szkła tworzy głęboki, intensywny czerwony kolor w szkle rubinowym,

• złoto dobrze odbija promieniowanie elektromagnetyczne, takie jak podczerwień, światło widzialne i fale radiowe, używane jest jako pokrycie ochronne w sztucznych satelitach, w osłonach kombinezonów chroniących przed silnym promieniowaniem podczerwonym i broni elektronicznej,

• złoto jest używane jako warstwa odbijająca w wysokiej jakości płytach CD,

• ze względu na swoje właściwości rozpraszania ciepła, złota folia jest użyta w silnikach McLarena, w modelu F1,

• ze złota można wytworzyć na tyle cienką warstwę, że staje się ona przezroczysta. Takie warstwy są używane w oknach niektórych kokpitów samolotów, co pomocne jest w ich odlodzaniu lub zapobieganiu oblodzeniu dzięki przepuszczeniu prądu przez taką warstwę. Ciepło wytwarzane przez opór złota jest wystarczające by zapobiec oblodzeniu.

3. Elektronika

Złoto ma bardzo wysokie przewodnictwo elektryczne (tylko srebro i miedź mają wyższe, ale wadą ich jest mniejsza odporność na korozję), przez co wykorzystywane jest w przewodach elektrycznych do zastosowań wymagających wysokich energii. Złoto jako okablowanie stosowane jest w eksperymentach nuklearnych.

Mimo że złoto jest atakowane przez chlor, to jego dobra przewodność i ogólna odporność na utlenianie i korozję w innych środowiskach doprowadziły do jego szerokiego zastosowania w przemyśle jako cienkie pokrycia wszelkiego rodzaju złącz elektrycznych. Złoto jest, na przykład, używane w złączach droższych kabli elektronicznych, takich jak kable audio czy USB.

4. Chemia przemysłowa

Złoto jest atakowane i rozpuszczane przez zasadowe roztwory cyjanków sodu i potasu, tworząc sól cyjanek złota. Proces ten był wykorzystywany w procesie otrzymywania złota z jego rud (metoda cyjankowa). Roztwór cyjanku złota jest elektrolitem wykorzystywanym w przemysłowej galwanizacji i elektroplastyce złota na powierzchniach metali nieszlachetnych.
Roztwory chlorków złota (kwas chlorozłotowy) są używane do sporządzania koloidalnych roztworów złota poprzez redukcję cytrynianami lub askorbinianami. Chlorek złota i tlenek złota są używane do wyrobu drogocennego czerwonego szkła, które jak koloidalne zawiesiny złota, zawiera jednolitego rozmiaru nanocząsteczki złota.

5. Jedzenie i napoje

• złoto może znajdować się jako dodatek w jedzeniu i oznaczane jest wtedy numerem E 175,

• złoto płatkowe, plasterki lub złoty pył są używane w niektórych pokarmach dla smakoszy, zwłaszcza w słodyczach i napojach będąc składnikiem ozdabiającym je,

• płatki złota i złoty pył były używane przez szlachtę w średniowiecznej Europie jako dekoracja w pożywieniu i napojach, by zademonstrować bogactwo gospodarza lub wierząc, że coś cennego i rzadkiego musi być dobroczynne dla zdrowia,

• Goldwasser - jest to tradycyjny likier ziołowy produkowany w Gdańsku. Istnieją również inne napoje alkoholowe, zawierające płatki złota, których cena za porcję sięga kilku tysięcy dolarów. Metaliczne złoto jest obojętne chemicznie w ludzkim organizmie, złoto nie dodaje żadnego smaku, ani wartości odżywczych i opuszcza ciało bez zmian.

6. Medycyna

Związki złota są stosowane, jako środek leczniczy w reumatoidalnym zapaleniu stawów. Hamują one proliferację limfocytów, uwalnianie enzymów lizosomalnych oraz produkcję reaktywnych form tlenu w makrofagach, a także produkcję interleukiny 1. Działaniem ubocznym mogą być: fotosensytywne wysypki, zaburzenia żołądkowe oraz uszkodzenie nerek. Izotop ¹⁹⁸Au jest używany w terapii niektórych nowotworów, a także w innych chorobach.

7. Stomatologia (biomateriał)

Obecnie czyste złoto stosowane jest do uzupełnień protetycznych z zastosowaniem metody galwanicznej. Czyste złoto charakteryzuje się bardzo dobrą odpornością na korozję w jamie ustnej, ale dość niską twardością. Dlatego we współczesnej stomatologii stosowane są stopy, w których złoto jest głównym składnikiem albo jednym z ważniejszych dodatków stopowych, posiadające wyższe właściwości mechaniczne niż czysty metal. Stopy złota wytwarzane są z innymi szlachetnymi metalami: platyną, palladem, srebrem oraz dodatkami nieszlachetnych metali: miedzi, cynku, możliwie małymi ilościami cyny, niklu.

Złoto i jego stopy możemy podzielić, ze względu na obszar zastosowania w stomatologii, na 4 typy:

Typ 1: o małej wytrzymałości - na odlewy podlegające bardzo małym obciążeniom, np. wkłady;

Typ 2: o średniej wytrzymałości - na odlewy podlegające umiarkowanym obciążeniom, np. wkłady i nakłady;

Typ 3: o dużej wytrzymałości - na odlewy podlegające dużym obciążeniom, np. nakłady, cienkościenne odlewane elementy do licowania, przęsła, pełne korony i siodła;

Typ 4: o bardzo dużej wytrzymałości - na odlewy podlegające bardzo dużym obciążeniom i o cienkich przekrojach np. siodła, łuki, klamry, korony, korony teleskopowe, odlewy całkowite i elementy protez częściowych.

8. Kosmetyka

Współczesne technologie pozwoliły na udowodnienie, że złoto może być cennym surowcem kosmetycznym jak również odkryto technologie, które pozwalają na stworzenie takich form złota, które można dostarczyć do skóry.
Do upiększania zastosowano między innymi czyste złoto, które dzięki zaawansowanym procesom mikronizacji może zostać równomiernie rozprowadzone wraz z kremem na skórze. Dzięki temu zabiegowi cera zostaje naturalnie rozświetlona  i nabiera blasku. Reakcje alergiczne po zastosowaniu złota są niezwykle rzadkie gdyż jest to produkt naturalny.

Złoto działa na skórę antybakteryjnie, dzięki czemu zapobiega infekcjom skórnym, ma działanie  przeciwzapalne, pobudza syntezę kolagenu i rekonstrukcję tkanki, opóźnia powstawanie zmarszczek i stymuluje skórę. Złoto ma działanie spowalniające wydzielanie melaniny. Kosmetyki ze złotem mogą być wykorzystane w pielęgnacji każdego rodzaju cery, bo intensywnie ją nawilżają, usuwają wolne rodniki i pomagają niwelować szkodliwe wpływy promieniowania ultrafioletowego. Dodatkowo należy zaznaczyć, że złoto jest bardzo dobrym nośnikiem dla różnych biologicznie czynnych substancji.  Zawarte w kosmetykach złoto koloidalne działa na zasadzie pompy jonowej, dzięki czemu przyspiesza migrację aktywnych składników w głąb skóry, wymianę jonową, wspomaga usuwanie toksyn i inicjuje rekonstrukcję tkanki. Cecha ta powoduje, że kosmetolodzy bardzo chętnie łączą je z różnymi innymi substratami, co znacząco podnosi efektywność kremów i dlatego w produktach zawierających złoto  znajdują się zwykle inne, ważne dla skóry substancje. Niezwykle ciekawym rozwiązaniem jest wykorzystanie złota w połączeniu z mikrokryształami diamentu. Tak zwany „pył diamentowy” to prawdziwe odkrycie kosmetologii ostatnich lat. Udowodniono, że ma on niezwykłe właściwości polegające na stymulowaniu białek zwanych sirtuinami, które odpowiadają za wydłużenie życia komórek, a tym samym za młodość skóry. Kombinacja złota i diamentu działa na skórę rewiatalizujaco, odmładza ją i opóźnia proces starzenia.

---