Лекция 6. Благородные металлы и их сплавы. Золото и его сплавы.

Лекция 6. Благородные металлы и их сплавы. Золото и его сплавы.

Введение.

Содержание золота в земной коре.

Способы получения золота.

Основные свойства золота и его сплавов.

Химические свойства.

Физико-механические свойства.

Цветовая характеристика золотых сплавов.

Влияние легирующих элементов и примесей на свойства сплавов золота.

Сплавы золота.

6. Золотые сплавы различных проб.

7. Использование золота и его сплавов в художественных изделиях.

1.Введение.

Благородные металлы получили свое название главным образом благодаря высокой химической стойкости и красивому внешнему виду в изделиях. К благородным металлам относятся золото (Au), серебро (Ag), платина (Pt), палладий (Pd), родий (Rh), иридий (Ir), рутений (Ru) и осмий (Os).

Основу для использования при изготовлении художественных изделий в общем и, в частности, в ювелирном деле составляют три металла – золото, серебро и платина. Эти металлы, обладая уникальными свойствами – красивым цветом, мягкостью, пластичностью, способностью сочетаться с драгоценными камнями и эмалями, выглядеть благородно и в полированном виде и матовыми, в качестве сплавов используются для изготовления ювелирных изделий.

Платиновые металлы (палладий, родий, иридий, рутений, осмий) выделены в особую группу – платиноиды. В природе эти металлы, как правило, сопутствуют друг другу. Все платиноиды белого цвета, с разницей в оттенках, обладают высокой коррозионной стойкостью и тугоплавкостью, однако в художественной промышленности практически не используются.

Содержание золота в земной коре.

Общее содержание золота в земной коре составляет около 5·10^-7% по массе. Для сравнения отметим, что в земной коре золота содержится в 20 раз меньше, чем серебра, и в 200 раз меньше, чем ртути. В морях и океанах содержится около 10 млрд. т золота. Примерно столько же содержится золота в речных и подземных водах. Повышенное содержание золота обнаруживают в водах источников и рек, протекающих в золотоносных районах. Специалисты утверждают, что только река Амур, например, ежегодно выбрасывает в Тихий океан не менее 8,5 т драгоценного металла.

Известно более 20 достоверно установленных минералов золота, представленных самородным золотом; его интерметаллическими соединениями с Ag, Cu, Hg, Bi; теллуридами золота, золота и серебра, золота и меди, золота, свинца и меди; сульфидами и селенидами золота и серебра. Наибольшее число минеральных видов составляют теллуриды и интерметаллические соединения золота.

К числу минералов золота, часто встречающихся в различных типах золоторудных месторождений, принадлежат сплавы золота с серебром – электрум и теллуриды золота: калаверит – AuTe₂, креннерит – (Au,Ag)Te₂, сильванит – AuAgTe₄, петцит –(Ag,Au)₂Te.

Электрум – AuAg содержит 35-45 % Ag, имеет цвет от светло-желтого до серебряно-бе-лого. Плотность – 12-15 г/см³. Встречается значительно реже, чем самородное золото совместно (в ассоциации) с серебросодержащими сульфидами.

Калаверит – AuTe₂(Au – 43,6 %, Te – 56,4 %). Цвет изменяется от латунно-желтого до серебряно-белого. Плотность – 9,1-9,4 г/см³. Встречается в виде кристаллов, зернистых агрегатов, единичных мелких зерен в ассоциации с самородным золотом, электрумом, а также другими теллуридами. На месторождениях Криппл-Крик (США) и Калгурли (Западная Австралия) находится в ассоциации с креннеритом и сильванитом и является главным минералом Au.

Креннерит – (Au,Ag)Te₂(Au – 32,99 %, Ag – 7,22 %, Te – 59,79 %). Цвет серебряно-белый, плотность 8,62 г/см³. В золотосеребряных месторождениях представлен агрегатами мелких зерен, иногда в ассоциации с самородным золотом, теллуридами золота и серебра и сульфидами цветных металлов.

Сильванит – AuAgTe₄(Au – 24,19 %, Ag – 13,22 %, Te – 62,59 %). Цвет в свежем изломе серебряно-белый, плотность 8,07-8,24 г/см³. Образует разнообразные по форме, часто сдвойникованные кристаллы, дендритообразные выделения, зернистые агрегаты. Встречается совместно с другими теллуридами.

Петцит – (Ag,Au)₂Te (Au – 42 %, Ag – 25,5 %, Te – 32,5 %). Цвет изменяется от свинцово-серого до стального серого, плотность 9,1 г/см³. В виде зернистых агрегатов встречается в золотосеребряных месторождениях в срастании с гесситом и другими теллуридами.

Месторождения золота формировались в разные геологические эпохи на разных глубинах – от десятков метров до 4-5 км от поверхности земли. Известны два источника концентрирования золота. Это первичные (рудные, коренные) или гидротермальные (образованные из горячих вод в земной коре) образования.

Коренные месторождения представлены жилами, системами жил, залежами и зонами прожилково-вкрапленных руд протяженностью от десятков до тысяч метров. Содержание Au в коренных золоторудных месторождениях обычно составляет 2-20 г/т, в комплексных – 0,06-0,5 г/т. Крупные месторождения имеют запасы золота 50-100 т и более. Месторождение считается промышленным, если содержание золота в породе превышает 2 г (!) на тонну. Для получения всего одной унции (31,1 г) золота перерабатывается примерно 5 т золотоносной руды.

В коренных источниках наиболее распространенными формами являются свободное (самородное) видимое золото, сплав золота с серебром – электрум (Au Ag), а также золотистое серебро – кюстелит (Ag Au).

Главным и наиболее распространенным минералом золота является самородное золото. Самородное золото концентрируется в гидротермальных месторождениях и представляет собой минерал, являющийся твердым раствором серебра в золоте, содержащим до 43 % Ag, с примесями меди, железа, свинца, реже висмута, ртути, платины, марганца и других элементов. Оно служит основным источником добычи золота в рудных месторож-дениях. В самородном состоянии золото встречается в природе главным образом в виде мелких зерен, вкрапленных в кварц или содержащихся в кварцевом песке.

Самородки весом более 5-10 кг встречаются только в отдельных регионах мира. Прежде всего – это Австралия. Самый большой в мире самородок золота был найден в Австралии в 1872 г. на руднике Хилл-Энд. Самородок имел форму плитки длиной 144 см, шириной 66 и толщиной 10 см. Самородок был назван «Плита Холтермана», в крупной глыбе шиферного сланца содержалось около 82,11 кг чистого золота.

В России также известны многочисленные случаи находки самородного золота. На рис. 1 представлен самородок «Верблюд», найденный на Колыме в 1947 г. и хранящийся в Алмазном фонде.

 

    

Рис. 1. Самородок «Верблюд», масса 9288,2 г., проба 863,4.

К основным золотосодержащим районам России относятся Урал, Западная Сибирь, Якутия-Саха, Дальний Восток и Забайкалье, Магаданская и Читинская области.

Способы добычи золота в основном зависят от характера месторождений и мощности залегания золота. Основное количество золота добывается из рудных месторождений. Кроме добычи из рудных и россыпных месторождений золото добывают и попутно. Попутной считают добычу золота, находящегося в незначительных концентрациях пород разрабатываемых месторождений, например, цветных металлов. Попутная добыча золота из руд цветных металлов занимает все больший процент в общем объеме добычи золота.

Золото добывают (в основном) на золотых приисках, но его получают также и при рафинировании недрагоценных металлов (меди, никеля и др.) в качестве побочного продукта. Значительно больше золота, чем его было добыто за всю историю человечества, содержится (во взвешенном состоянии) в водах Мирового океана.

Способы получения золота.

Природное золото никогда не бывает чистым. Извлеченное из различ-ных источников  (руд, россыпей, попутно), оно содержит множество при-месей и является исходным продуктом для получения чистого золота. Про-дукцию приисков принято называть шлиховым золотом. Чистота шлихового золота различна и может колебаться от 500-й до 970-й пробы, т.е. от 50 до 97 % чистого золота в металлической массе. Поскольку шлиховое золото состо-ит из частиц разной пробы и разного содержания, оно требует очистки от примесей до однородно высокой чистоты.

Извлечение золота из песков россыпных месторождений сводится к предварительному разрыхлению с последующей промывкой на шлюзе, представляющем собой наклонный желоб, покрытый перфорированными стальными листами, деревянными трафаретами или пеньковыми коврами, на которых задерживаются частички золота при промывке водой золотоносных песков. Более совершенными способами являются: отсадка, производимая с помощью отсадочных машин, и добыча при помощи драг – сложных агрегатов, в которых совмещаются добыча и извлечение золота.

В конце XIX – начале XX вв. основным источником золота стали коренные месторождения. При добыче золота из руд их предварительно подвергают дроблению и измельчению. Из измельченного материала золото извлекают либо непосредственно, либо после гравитационного и флотационного обогащения.

Из полученного концентрата извлекают золото раствором цианида калия или натрия. Метод добычи золота из руд с помощью растворов цианидов калия или натрия был разработан в 1843 г. русским инженером П.Р. Багратионом. Он принадлежит к гидрометаллургическим методам получения металлов и в настоящее время наиболее распространен в металлургии золота.

Дальнейшая очистка золота от примесей (главным образом от серебра) производится обработкой его горячей концентрированной серной кислотой или путем электролиза. Использование драгоценных металлов в качестве валютных ценностей и для приготовления сплавов требует от них высокой чистоты. Это достигается путем аффинажа (очистки, рафинирования) на специальных аффинажных предприятиях. Методы аффинажа зависят от характера исходного продукта и требуемой чистоты золота.

Весь золотосодержащий металл, подготовленный для аффинажа, подвергают приемной плавке, для того чтобы в полученном слитке определить содержание золота, других примесей и выбрать метод очистки. Наиболее высокая степень очистки достигается электролитическим методом. Для очистки золота электролизом (способ Э. Вольвилла, 1896) аноды, отлитые из нечистого золота, подвешивают в ванне, содержащей солянокислый раствор AuC1₃, катодом служит лист чистого золота. При прохождении тока примеси выпадают в осадок (анодный ил, шлам), а на катоде отлагается золото чистотой не менее 99,99 %.

Чистое золото – понятие условное, степень чистоты выражается пробой 999; 999,9 и т. д., 1000-й пробы нет. Золото, как и все металлы, маркируется. Марка чистого золота Зл 999 означает, что в его составе золота (Зл) 99,9 %, остальное примеси. В качестве примесей – свинец, железо, сурьма, висмут, медь, серебро в допустимых пределах.

    При производстве полуфабрикатов (полосы, проволока и др.) из чис-того золота используют слитки различной массы, выпускаемые аффинаж-ными заводами. Степень чистоты по специальным техническим условиям может достигать 99,9999 %.

    Основная масса чистого золота идет на составление сплавов, используемых для производства ювелирных изделий, монет и медалей; зубных протезов; сусального золота; декоративных гальванопокрытий. Используется также золото для нужд электронной промышленности, приборостроения и др.

Химические свойства золота.

В периодической системе Д. И. Менделеева золото находится в одной группе с серебром и медью, но его химические свойства гораздо ближе к химическим свойствам металлов платиновой группы. Как благородный металл золото химически мало активно. На воздухе оно не претерпевает изменений. Природное золото в нормальных условиях инертно по отношению к большинству органических и неорганических веществ.

Золото не растворяется в щелочах и органических кислотах, в большинстве минеральных (серной, соляной, азотной, плавиковой) кислот, за исключением горячей селеновой кислоты H₂SeO₄. На золото не действуют разбавленные и концентрированные кислоты (HCl, HNO₃, H₂SO₄). Но в присутствии таких окислителей, как двуокись магния, хлористое железо и медь, а также под большим давлением и при высокой температуре в присутствии кислорода золото растворяется в HCl. Так же легко растворяется золото в смеси соляной и азотной кислот (царская водка): Au+HNO₃ +3HCl = AuCl₃ +NO­+2H₂O, а также в смесях минеральных кислот: серной с азотной, марганцовой с серной и растворе хлорида натрия в азотной кислоте.

Золото растворяется в хлорной воде и в аэрируемых растворах цианидов щелочных металлов. Ртуть растворяет золото, образуя амальгаму, которая при содержании более 15 % Au становится твердой.

С сухими галогенидами при обычных условиях золото не реагирует; с кислородом, водородом, азотом и углеродом не соединяется вплоть до температуры плавления. Соединения золота химически неустойчивы, и большинство из них разлагается при нагревании, а некоторые – на свету с выделением металлического золота.

Сильные кислоты не воздействуют на сплавы 750-й пробы. Сплавы 585-й пробы являются довольно стойкими, сплавы 375 и 333-й проб сильно подвержены воздействию кислот.

Ювелирные изделия в процессе эксплуатации не подвержены воздействию агрессивных коррозионных сред, и сплавы 585-й пробы или более высокой пробы практически не вызывают проблем связанных с коррозией. Однако когда сплавы 585-й пробы подвергаются воздействию серных соединений, в особенности газов, присутствующих в атмосфере промышленных предприятий, таких как, например, сернистый водород (H₂S), они могут окисляться, особенно если изготовлены методом пластической деформации в холодном состоянии без конечного отжига или упрочнения старением.

Сплавы золота

Среди двухкомпонентных сплавов золота в ювелирной промышленности встречаются сплавы системы золото – медь и золото – серебро.

Вопросы для самоконтроля

 

1.Перечислите крупнейшие золотодобывающие районы Древнего мира.

2.Когда и где начали добывать первое русское золото?

3.Какие месторождения называют коренными, а какие россыпными?

4.Какие примеси присутствуют в самородном золоте?

5.Что принято считать самородком?

6.Какие месторождения считаются промышленными?

7.Что такое шлиховое золото?

8.Что такое аффинаж?

9.Какими химическими свойствами обладает золото?

10.Какими физико-механическими свойствами обладает золото?

11.Дайте цветовую характеристику золотых сплавов.

12.Что представляет собой голубое, черное и фиолетовое золото?

13.Как меняются физико-механические свойства золота при легировании?

14.Как маркируют золото и его сплавы?

15.Какими свойствами обладают различные пробы золота?

16.Что такое белое золото?

17.Какие сплавы золота находят применение в ювелирной промышленности?

18.Что представляет собой процесс золочения?

19.Назовите области применения золота и его сплавов.

Лекция 6. Благородные металлы и их сплавы. Золото и его сплавы.

Введение.

Содержание золота в земной коре.

Способы получения золота.