§ 59. Золото

Определения и обозначения

Золото — химический элемент с символом Au, а также простое вещество, образованное его атомами. В периодической системе это элемент с порядковым номером 79, относящийся к переходным металлам. Его атомное ядро содержит 79 протонов, а химические свойства определяются строением электронной оболочки. Различие между элементом и простым веществом помогает не путать обозначение Au с самим металлом.

Самородное золото — золото, которое встречается в природе в свободном, не связанном с другими элементами состоянии. Оно не обязательно химически чистое: в самородках бывают примеси серебра, меди, железа и других веществ. Такой состав объясняет, почему найденный кусок металла может отличаться по цвету и свойствам от очищенного золота. Понятие нужно, чтобы описывать природное нахождение металла, а не степень его чистоты.

Благородные металлы — металлы, которые отличаются сравнительно малой химической активностью и устойчивостью к действию многих веществ. Золото служит характерным примером: при обычных условиях оно не покрывается ржавчиной и не тускнеет из-за реакции с воздухом или водой. Но слово «благородный» не означает, что металл вообще не вступает в реакции. Этот термин помогает сопоставить поведение золота с активными металлами.

Аффинаж золота — очистка золота от примесей, в том числе от других металлов. Для этого используют различия в химических свойствах компонентов и подходящие способы разделения. Аффинаж нужен, чтобы получить металл заданной чистоты для техники, лабораторных задач или приготовления сплавов. Он также позволяет точнее определить содержание золота в готовом материале.

Как это устроено

В природе золото находят в коренных рудах и россыпях: при разрушении пород частицы металла могут переноситься водой и накапливаться в осадках. Оно часто сохраняется в самородном виде, потому что при обычных природных условиях медленно реагирует с кислородом и водой. В руде золото может быть рассеяно в породе или связано с другими минералами, поэтому его сначала отделяют от пустой породы. Затем металл извлекают химическими и физическими способами, а для удаления оставшихся примесей проводят аффинаж.

Атомы золота образуют металлическую решётку, в которой электроны участвуют в металлической связи и могут перемещаться между узлами. Такое строение помогает объяснить металлический блеск и электропроводность золота. При ковке слои атомов способны смещаться, не разрушая связь между ними, поэтому металл ковкий и пластичный: из него делают тонкие листы и проволоку. Высокая плотность связана с большой массой атомов золота и тем, что они плотно расположены в кристалле.

На поверхности золота при обычных условиях практически не образуются оксиды: металл малоактивен и не реагирует заметно с кислородом воздуха или водой. Большинство кислот также не растворяет его, поскольку их окислительного действия недостаточно либо образующиеся частицы золота не удаляются из раствора достаточно эффективно. Царская водка действует иначе: азотная кислота окисляет золото, а хлорид-ионы из соляной кислоты связывают его в растворимый комплекс. Некоторые растворы комплексообразующих веществ тоже способствуют растворению, потому что образование устойчивого комплекса смещает реакцию в сторону растворённых соединений.

В соединениях золото чаще всего имеет степени окисления +1 и +3. Степень окисления — условный заряд атома в соединении; она показывает, как распределяют электроны при формальном описании химической связи. Примеры — хлорид золота(I) AuCl и хлорид золота(III) AuCl₃; золото(III) образует также комплексные соединения, например тетрахлороаурат-ион [AuCl₄]⁻. Эти примеры показывают, что низкая активность простого вещества не мешает ему образовывать соединения при подходящих условиях.

Золото применяют в ювелирном деле, электронике, электротехнике, медицине и для изготовления специальных покрытий. Для украшений почти не используют чистый металл: он мягкий, легко царапается и деформируется. Добавление серебра, меди и других металлов повышает прочность сплава и позволяет менять его оттенок. Содержание золота обозначают пробой — числом массовых частей золота в тысяче частей сплава, поэтому проба характеризует состав, а не массу изделия.

Физические и химические свойства золота

В таблице собраны признаки, которые позволяют быстро сопоставить физические свойства золота с его химическим поведением и примерами соединений. При разборе задания сначала определите, спрашивают ли о простом веществе, реакции или составе сплава. Затем используйте соответствующую строку: например, устойчивость к воде не означает устойчивости к царской водке. Степени окисления связывайте с формулами соединений, а не с цветом или массой металла.

Разбор задач

Задача 1. Символ и число протонов

Условие: укажите символ золота и определите число протонов в ядре его атома по периодической системе. Нужно связать обозначение элемента с его порядковым номером: именно он задаёт заряд ядра и число протонов. При этом число нейтронов для ответа не требуется.

1. Находим в периодической системе элемент золото: его символ — Au.
2. Смотрим порядковый номер: он равен 79.
3. Для нейтрального атома заряд ядра определяется числом протонов, поэтому в ядре 79 протонов.

Ответ: символ золота — Au; число протонов — 79.

Задача 2. Устойчивость и царская водка

Условие: объясните, почему золотое изделие не покрывается ржавчиной на воздухе, а для растворения золота применяют царскую водку. Слово «ржавчина» здесь обозначает продукты коррозии, возникающие при реакциях металла с окружающей средой. Сравним обычные условия с действием специально подобранной смеси реагентов.

1. Золото малоактивно, поэтому при обычном контакте с воздухом и водой его поверхность почти не изменяется.
2. Для растворения металла нужны условия, в которых золото окисляется и продукты реакции могут переходить в раствор.
3. В царской водке азотная кислота окисляет золото, а хлорид-ионы связывают его в растворимый комплекс.

Ответ: золото не ржавеет из-за низкой химической активности, но растворяется в царской водке благодаря совместному действию окислителя и хлорид-ионов. Царская водка — смесь концентрированных соляной и азотной кислот, а не отдельная кислота.

Задача 3. Массовая доля и проба

Условие: в сплаве массой 12 г содержится 9 г золота. Найдите массовую долю золота и метрическую пробу. Массовая доля сравнивает массу золота с массой всего сплава, а проба выражает ту же долю в тысячных частях. Сначала вычислим долю, затем переведём её в проценты и пробу.

1. Записываем отношение: w = m(золота) / m(сплава) = 9 г / 12 г = 0,75.
2. Чтобы получить проценты, умножаем долю на 100 %: 0,75 × 100 % = 75 %.
3. Чтобы найти пробу, выражаем долю в тысячных: 0,75 × 1000 = 750.

Ответ: массовая доля золота равна 0,75, или 75 %; проба сплава — 750. Проверка: в 12 г сплава с долей 75 % должно быть 12 × 0,75 = 9 г золота, как сказано в условии.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что золото вообще не вступает в химические реакции. Так думают, потому что в повседневных условиях металл сохраняет блеск и не ржавеет. Но это относительная инертность: золото растворяется в царской водке и реагирует в некоторых других специальных условиях. Проверка: если утверждение содержит слово «никогда», вспомните конкретные реагенты, которые растворяют золото.

Ошибка: называть царскую водку одной кислотой. Путаница возникает из-за её названия и того, что в описании растворения часто говорят о кислотной среде. На самом деле это смесь концентрированных соляной и азотной кислот, совместное действие которых обеспечивает растворение золота. Проверка: в ответе должны быть названы обе кислоты.

Ошибка: смешивать золото и золотой сплав или считать, что проба показывает массу изделия. Ювелирное изделие обычно содержит золото и другие металлы, а проба описывает именно долю золота в сплаве. Например, проба 750 означает 750 массовых частей золота из 1000, то есть 75 %. Проверка: отдельно выпишите массу всего изделия и массу содержащегося в нём золота.

Ошибка: считать самородное золото исключительно чистым металлом. Само слово указывает на свободное состояние элемента в природе, но не гарантирует отсутствия примесей. В самородках могут присутствовать серебро, медь и другие элементы. Проверка: различайте «не связано в соединение» и «не содержит примесей» — это разные характеристики.

Связь с другими темами

Для понимания золота нужны знания о строении атома и периодическом законе: порядковый номер позволяет определить заряд ядра, а электронное строение связано с химическими свойствами. Степени окисления золота помогают разбирать окислительно-восстановительные реакции и формулы его соединений. Растворение золота в царской водке и образование хлоридных комплексов связывают тему с комплексными соединениями. Наконец, сплавы и массовая доля помогают объяснить, как рассчитывают пробу ювелирного золота.

Что запомнить

• Химический символ золота — Au.
• В природе золото часто встречается в самородном состоянии.
• Золото обладает высокой плотностью, ковкостью и пластичностью.
• При обычных условиях золото устойчиво к воздуху и воде.
• Золото растворяется в царской водке.
• Для золота характерны степени окисления +1 и +3.
• Проба показывает содержание золота в сплаве.