黃金有哪些化學特性?黃金的歷史與應用介紹

沒有什麼能像金一般抓住人類的想像力。埃及人認為這種明亮的黃色金屬是神聖且不可摧毀的,是太陽本身的物質化身。

埃及語中的「金」一詞是 nub,這個詞保留在努比亞這個名字中,努比亞是一個位於非洲東北部的古老地區,成為了貴金屬的主要供應地。阿茲特克人用 teocuitlatl(「神之排洩物」)來形容金。而在元素週期表中,金用 Au 這個符號來表示,來自拉丁語 aurum,意思是「閃耀的黎明」。無論用什麼名字,金一直都是財富和權力的象徵。

對金的貪婪推動了西班牙對美洲的殖民。而19世紀的淘金熱,無論是在加利福尼亞還是澳大利亞,都引發了一種對金的飢渴,至今幾乎都未得到滿足。

你可能會認為不斷的搜尋、挖掘和淘金已經產出了足夠多的黃金來鋪滿奧茲國的每一條道路,但你錯了。歷史上僅開採了161,000公噸(146,057公噸)的黃金。相比之下,美國在一年內生產了560萬噸(510萬公噸)的鋁。

然而,稀有性只是人們珍視黃金的其中一個原因。它獨特的物理和化學性質也使其變得有用。一盎司的金可以被槌鍛成僅五百萬分之一英寸厚的薄片,或者拉成50英裡(80公裡)長的金絲。而且它是化學惰性的,這意味著它不會輕易與其他化學物質反應。

當然,正如莎士比亞曾說過的,「並非所有閃光的東西都是金。」新娘手指上的閃亮婚戒也有其黑暗的一面。黃金開採對環境有害,每盎司產生的廢料比其他任何金屬都多。更令人擔憂的是,這對全球低工資的勞工來說是危險的,這些工人被僱來從地球上掘取金屬。每年有數百名礦工因塌方和爆炸喪生。更多的礦工被活埋在地下。

理解這些問題是理解黃金如何運作的關鍵。在接下來的幾頁中,我們將研究元素週期表上的第79號元素,並試圖理解它在我們想像中所持有的力量。讓我們從考慮金的悠久歷史開始,這將帶我們從文明的黎明到19世紀晚期的偉大淘金熱。

法老圖坦卡門的珍貴面具

當大多數人想到史前人類從石器時代過渡到青銅時代時,他們會聯想到從石製工具到銅製或銅錫合金工具的轉變。然而,在世界某些地區,早期人類可能在使用其他金屬之前就開始使用黃金。例如,在保加利亞,考古學家發現了約公元前4000年的裝飾性黃金物件。大多數北非、亞洲和歐洲的文明在公元前6000年至2500年間逐漸脫離了石器時代,因此黃金早在他們發展的初期就被接受了。

毫無疑問,古埃及人對黃金有著強烈的渴望。早在公元前2600年,金屬的描述就出現在象形文字中。到公元前1500年,黃金已成為國際貿易的公認交易媒介。這些黃金來自努比亞或庫什,這是一個位於尼羅河以南的撒哈拉以南帝國。法老派遣遠征隊前往努比亞開採石英礦脈中的黃金,埃及金匠將其轉化為容器、家具、葬禮用品和精美的珠寶。

到公元前550年,希臘人已經開始在地中海和中東地區開採黃金。羅馬人繼續這一做法,並引入了複雜的技術,如水力採礦或沖淘法,這涉及使用大量水來疏鬆岩石和清除碎屑。他們還以空前的規模鑄造硬幣,在公元200年至400年間生產了數百萬枚帶有皇帝頭像的金奧里斯硬幣。

與此同時,南美洲的文明在黃金金屬加工方面也取得了巨大進展。中期西坎時代(公元900至1100年)的居民,居住在今天的秘魯,生產了大量珍貴的金屬工藝品。他們的金匠專門使用石錘在石砧上敲打金錠製成金屬片,結果是製作出令人驚嘆的金飾、面具、頭飾和其他物品。

這些就是當歐洲人開始探索西方世界時渴望找到的寶藏。接下來,我們將看到對黃金的渴望如何塑造了帝國和普通人的命運。

神的肉體

埃及的法老堅持要被埋葬在黃金中,他們認為黃金是“神的肉體”。看看圖坦卡門的陵墓。這位少年國王被安放在三個黃金棺材中。第三個也是最後一個棺材由243磅(110公斤)的純金製成。內部還有一個鑲嵌青金石和彩色玻璃的金製葬禮面具。

黃金的歷史:中世紀和瘋狂的淘金熱

威尼斯探險家馬可波羅於1271年赴中國旅行,並在忽必烈汗的宮廷中服務,對歐洲人產生了極大的啟發,認為在遙遠的土地上可以找到大量的黃金寶藏。他的書《馬可波羅遊記》描述了牆壁上覆滿黃金和銀子的宏偉宮殿。克里斯托弗·哥倫布肯定讀過馬可波羅的書,並假設可以通過向西航行穿越大西洋到達富庶的東方。

哥倫布於1492-93年成功航行至加勒比海,掀起了前所未有的探索浪潮。雖然傳播基督教是西班牙的一個主要目標,但獲得黃金和銀子也是重中之重。1511年,資助哥倫布前往新世界的國王費迪南德明確表示:“如果可以,請人道地獲取黃金,但無論如何,都要獲取黃金。”在16世紀,西班牙集中力量征服中美洲和南美洲,並不斷尋找傳說中的黃金城市埃爾多拉多,那裡的黃金據說和沙子一樣常見。

每當探險家發現主要的黃金來源時,他們就報告說找到了傳說中的城市,並引發了一場淘金熱。1700年,巴西米納斯吉拉斯地區發生了首次淘金熱。該地區的黃金開採成為主要經濟活動,使巴西在1720年成為最大的黃金生產國。從非洲引進的奴隸使用原始技術,如淘洗,來進行採礦。

淘洗也成為加利福尼亞淘金熱的象徵,儘管美國首次淘金熱發生在3000英里(4828公里)外且早了45年——在北卡羅來納州。直到1830年代,北卡羅來納州提供了美國鑄幣局在費城鑄造的所有國內黃金硬幣。然後,1848年1月24日,紐澤西出生的承包商和建築商約翰·馬歇爾在監督薩克拉門托附近鋸木廠的建設時發現了金片。年底時,加利福尼亞州估計有5000人從事採礦活動。到1849年底,這個數字激增至40000人。

類似的淘金熱在19世紀也席捲了其他國家。1850年,愛德華·哈蒙德·哈格里夫斯在新南威爾士發現黃金,引發了澳大利亞的淘金熱。1868年,喬治·哈里森在南非挖石頭建房時發現了黃金。

牛頓的(金色)蘋果

著名的英國科學家艾薩克·牛頓在我們研究自然世界的方法上取得了革命性成果,他與黃金有兩個令人驚訝的聯繫。首先,他實踐煉金術,一種古老的偽科學,試圖將較便宜的金屬轉變為銀和金。其次,他曾擔任英國鑄幣廠的監督官。1700年,牛頓固定了黃金的價格,重新定義了先令、英鎊和便士,使21先令6便士等於一枚金基尼。他還打擊偽造者——有人說他對偽造者的追捕與他對物理世界洞察的追求同樣激烈。

探勘與開採黃金

在2008年,黃金交易接近歷史新高,人們蜂擁至加州的黃金國度尋找黃金。提供黃金淘洗旅遊的公司預訂量激增。 根據世界黃金協會的數據,世界上超過90%的黃金是在19世紀中期至末期的淘金熱之後生產的。黃金開採的整個過程大致可分為四個步驟:探勘、開採、提取和精煉。

早期的黃金發現依賴於有人偶然在溪流或岩縫中發現一抹黃光的盲目運氣。但如今的搜索更有系統和精確。首先,地質學家對黃金的形成有更多的了解。例如,他們知道,黃金存在於幾乎所有的岩石和土壤中,但顆粒太小以至於看不見。只有在少數地區,黃金的濃度足夠高,才有利可圖地進行開採。這些科學家,被稱為探勘者或勘探員,搜索這些礦床。這被稱為探勘。有時,這些礦床含有純金。然而,在大多數礦床中,黃金與銀或其他金屬結合。在發現黃金的跡象後,科學家們會鑽探以獲取地下樣本,並對其黃金含量進行分析。如果礦床中有足夠的黃金,礦業公司可能會建立大規模的採礦作業。

黃金的開採方式取決於礦床的類型。脈金礦床是固體岩石中發現的黃金濃縮區。如果含金岩石位於地表,礦業公司將使用露天開採技術。首先,礦工鑽孔佈局,然後填充炸藥。接下來,他們引爆炸藥以破碎地面,便於裝入運輸卡車。

如果脈金礦床位於地表以下,則需要進行地下開採。在這種情況下,礦工會在地下鑽一個井筒或隧道以進入礦脈。然後他們挖掘從礦塊頂部到底部的垂直長隧道,稱為礦柱。在鑽孔並在礦塊中裝填炸藥後,礦工引爆炸藥,造成破碎的礦石落入礦柱底部。在那裡,礦石被裝入卡車並運至地表。

砂金礦床,即在溪床或海灘沉積物中的鬆散黃金,則採用不同的開採方式。礦工挖掘沙子、礫石和岩石,並與大量的水混合。由於黃金的密度較大,它比其他材料沉得更快,並在底部收集。許多礦工使用金屬或塑料盤來分離黃金和沉積物,這個過程稱為淘金。

提取黃金

一根金條在2001年於美國的一家精煉廠上蓋上序號。這根重約40磅(18公斤)的金條是那天倒出的九根之一。從地面移除含金岩石只是第一步。要分離出純金,礦業公司使用複雜的提取過程。這個過程的第一步是將大塊岩石破碎成較小的碎片。在磨坊,稱為破碎機的大型機器將礦石減小到不大於路面礫石的大小。這種礫石狀材料然後進入裝有鋼球的旋轉滾筒中。在這些滾筒中,礦石被研磨成細漿或粉末。

接下來,磨坊操作員用水稀釋漿料形成漿液,並將漿液通過一系列浸出槽。浸出過程使用化學溶劑溶解礦石中的黃金。最常見的溶劑是氰化物,它必須與氧氣結合,在稱為炭漿法的過程中進行。隨著氰化物和氧氣的化學反應,漿液中的黃金溶解。當工人將小碳粒引入槽中時,黃金附著在碳上。通過篩網過濾漿液分離出含金碳。

碳移動到剝離槽,在那裡熱苛性溶液將黃金從碳中分離出來。另一組篩網過濾掉碳粒,這些碳粒可以回收再處理。最終,含金溶液準備進行電解回收,即從浸出化學品中回收黃金。在電解回收過程中,操作員將含金溶液倒入稱為槽的特殊容器中。槽中的正負電極向溶液提供強電流,這使得黃金在負電極上積聚。

熔煉過程將產生接近純金,涉及在約2,100華氏度(1,149攝氏度)的爐中熔化負電極。當工人向熔融材料中添加一種稱為熔劑的化學混合物時,黃金從製造電極的金屬中分離出來。工人倒出熔劑,然後倒出黃金。模具用於將液態黃金轉變成稱為金條的固體條。這些低純度的金條然後被送往世界各地的精煉廠進行進一步處理。

世界黃金產量

主要黃金生產國包括南非、美國、澳大利亞、墨西哥、秘魯、加拿大、中國、印度和俄羅斯。南非是領先的黃金生產國,其次是美國和澳大利亞。在美國,內華達州是最大的黃金生產地。

精煉黃金

精煉的結果之一:2000年為珍妮弗·安妮斯頓和布拉德·皮特結婚製作的白金婚戒。這些戒指看起來可能有銠電鍍。許多人不喜歡沒有電鍍的白金外觀。 ­黃金生產的最後階段——精煉——涉及去除熔煉過程後仍然存在的雜質。精煉公司接收金條以及廢金,並在爐中重新熔化金屬。工人向熔融金屬中添加硼砂和蘇打灰,這分離出純金和其他貴金屬和非貴金屬。然後取樣到實驗室進行測試或化驗,以測量黃金含量。在大多數情況下,黃金的純度達到99.9%。工人將精煉過程中產生的黃金鑄成條。

接下來的用途取決於黃金的用途。純金通常太軟,不適合大多數實際應用,因此幾乎總是加入其他金屬。當黃金以這種方式結合時,它形成了一種合金。科學家和金匠經常用顏色來標示各種可能的黃金合金。例如,白金是將金與鎳、銀或鈀結合而成的。紅色或粉紅色金是金和銅的合金。藍色金是金和鐵混合的結果。

黃金的純度

黃金的純度是指物體中含金量與其他合金的比例。較高的純度表示樣品中金的比例較高。因此,24K金是100%金,而12K金則只有一半多一點。常見的純度如附表所示。

有趣的是,不同文化喜歡不同的純度。例如,印度人偏愛22K金,而歐洲人則喜歡18K金。在美國,14K金是最受歡迎的,因為它在含金量、硬度和可負擔性之間達到平衡 。

大多數人熟悉純度在珠寶中的應用,珠寶佔全球黃金需求的近三分之二。在下一節中,我們將探討黃金的其他用途。

你的黃金有多純?

24K = 100% 金

22K = 91.75% 金

21K = 87.5% 金

18K = 75% 金

14K = 58.5% 金

12K = 50.25% 金

10K = 42% 金

9K = 37.8% 金

8K = 33.75% 金

金的用途:珠寶、醫療保健和技術

珠寶

自古以來,珠寶匠和金匠因其獨特的性質選擇了金作為他們的貴金屬。金天然美麗且抗腐蝕和抗氧化。此外,它還具有柔軟和可塑性,使藝術家可以將金打造成幾乎任何設計。大多數珠寶仍然是這樣製作的——由個人使用已有數世紀的工藝技能和簡單工具製作。然而,金珠寶的工廠生產也越來越普遍。

技術

電子產品製造商也廣泛使用金來利用其高導電性。金的導電性僅次於銀和銅,而且它不易腐蝕。這使得金成為電鍍接觸點、端子、印刷電路和半導體的理想選擇。例如,一台典型的電腦在顯示器和電路板中都使用了金。每台電腦只含有少量——不到27公斤(60磅)機器中的0.1公斤(3.5盎司)——但數量累積起來就不少了。根據美國地質調查局的數據,一噸(1.1噸)的電路板可以包含40到800倍於美國開採的金礦中的金。

航天

依賴計算機和微電子的其他行業,如航天業,也使用大量金。根據世界黃金協會的數據,NASA在建造哥倫比亞號太空梭時使用了超過40.8公斤(90磅)的金。這些金大部分用於電接觸點和電路板,但有大量用於薄膜應用。厚度為0.15毫米(0.006英寸)的金箔具有高度反射性,能夠有效地作為輻射屏蔽。類似的金膜現在被用於覆蓋大型辦公樓的窗戶,以反射陽光和控制被動加熱。

醫療保健

其他行業也發現了金的用途。例如,牙醫用金來製作牙冠,某些藥物如治療類風濕性關節炎的氯化金鈉也含有金。

食品和飲料

少量金有時會用於點綴食品,例如果凍或利口酒,如Goldschläger。

化學

金可以更有效地催化或加速某些化學反應,勝過其他有毒的催化劑。

環境

金也可以在減少污染方面發揮作用。例如,科學家最近發現,金粒子在太陽的照射下可以破壞揮發性有機化合物。

金與貨幣

金幣歷史

金在作為貨幣方面的作用值得一提。你可以在《貨幣如何運作》中了解更多,但在這裡提及是因為金與貨幣幾乎是同義詞。金幣已存在數個世紀,可能自古代利底亞國王克羅伊斯在公元前640年大規模發行純金幣以來。正如我們提到的,希臘人和羅馬人也鑄造了金幣,如廣泛流通的羅馬奧里斯金幣。在許多年後,另一種金幣才如此受歡迎。那就是於1284年在威尼斯引入的杜卡特金幣。同年,英國也發行了第一枚主要金幣——弗洛林金幣。金匠埃夫拉伊姆·布拉謝爾在1784年鑄造了第一枚美國金幣。

國際儲備

除了鑄造金幣,政府還儲備金以備國際債務支付之需。事實上,世界各國中央銀行持有約20%的地上金供應量。美國政府將其儲備存放在兩個地點——紐約市的聯邦儲備銀行和肯塔基州的美國金庫。在這兩個設施中,你會看到像柴火一樣堆放的磚塊狀金條。每條金條尺寸為7英寸×3.625英寸×1.75英寸,重400盎司或27.5磅。以公制計算,這相當於一條大約18厘米×9厘米×4厘米、重約11公斤的金條。福特諾克斯目前持有147.3百萬盎司的金(4.2百萬公斤)。以每盎司42.22美元的賬面價值計算,福特諾克斯的持金價值為62億美元!

金本位制度

金本位制的消亡導致了這些儲備組合的再平衡。這裡提供一些基礎知識。實行金本位制的國家會用紙幣兌換金並以固定價格買賣金。1900年,隨著《金本位法》的通過,美國正式採用金本位制,但在1971年放棄了它。

金的未來

如果金相對稀有且大部分已被開採,那它還有未來嗎?需要記住的一點是,世界上很大一部分金的供應量由中央銀行或持有金作為投資的個人持有。據估計,所謂的「金條囤積」佔據了近236噸(214公噸)的金。回收也起著重要作用。約85%的歷史上發現的所有金仍在使用中,這意味著你最喜歡的珠寶中的金可能曾經在印加或阿茲特克國王的頭飾上閃閃發光。

一些科學家正在尋找從天上尋找更多金的方法。1998年,近地小行星探測器(NEAR)飛船經過小行星Eros時,發回了數據,顯示這顆土豆狀的太空岩石是一個巨大的金屬倉庫。如果Eros是典型的墜落到地球的石質隕石,那麼它含有大約3%的金屬。根據這顆小行星的尺寸,NASA科學家估計Eros可能包含200億噸(18.1億公噸)的金和類似數量的其他金屬,如鋁和鉑。

在地球上,探險者繼續使用新的高靈敏度檢測方法尋找新的金礦床。這些新方法大大增加了曾被忽略的金礦發現的可能性。例如,內華達州卡林附近的一個金礦正在從1965年經過密集科學和技術工作後開發的大型低品位礦床中生產金。其他此類礦床肯定還存在。

無論新礦在哪裡建立,礦業公司都需要更加關注其運營對環境的影響。提取一盎司金需要移除250噸(227公噸)的岩石和礦石。然後是從提取和精煉過程中產生的含氰化物的液體廢物,通常被倒入海洋。「無髒金」是一個由非營利組織Earthworks運營的運動,旨在提高全球礦業的環保標準。該運動已經獲得了世界上30家領先珠寶公司的支持,說服它們停止出售來自有問題的礦山的金。

這樣的運動不太可能阻止全球對金的需求。但也許它會讓我們意識到我們手指上的金戒指擁有一個遠超我們自身的生命和歷史。