Одержання золота у атомному реакторі. Як отримати золото з ртуті? Знаходження у природі
Зміст статті
ЗОЛОТО- Елемент групи IА періодичної таблиці. Завдяки малій хімічній активності належить до так званих благородних металів. У природі представлений єдиним стабільним нуклідом 197 Au. Штучно отримано більше десяти радіоактивних ізотопів золота, з яких довгоживучий – 195 Au з періодом піврозпаду 183 діб. З найдавніших часів блиск золота зіставлявся з блиском сонця (латиною – sol), звідси і російське «золото». Англійське та німецьке слово gold, голландське goud, шведське та датське guld (звідси, до речі, гульдени) у європейських мовах пов'язані з індоєвропейським коренем ghel і навіть із грецьким богом сонця Геліосом. Латинська назва золота aurum означає «жовте» і споріднена з Авророю (Aurora) – ранковою зорею.
У алхіміків золото вважалося «царем металів», його символом було променисте сонце, а символом срібла – місяць (при цьому відношення ціни золота та срібла у Стародавньому Єгипті відповідало відношенню сонячного року до місячного місяця).
Золото у природі.
Золота в земній корі дуже мало: всього 4,3 · 10 -7% за масою, тобто, в середньому, лише 4 мг в тонні гірських порід, це один з найрідкісніших елементів: його втричі менше рідкісного металу паладію, 15 разів менше срібла, у 300 разів менше вольфраму, у 600 разів менше урану, у 10 тисяч разів менше міді. Якби все золото було рівномірно розсіяне – як у морській воді – його видобуток був би неможливим ( см. Габер). Проте золото здатне активно мігрувати, наприклад, із підземними водами, у яких розчинений кисень. В результаті різних міграційних процесів золото концентрується у родовищах – у кварцових золотоносних жилах, у золотоносному піску.
Розрізняють рудне та розсипне золото. Рудне золото зустрічається у вигляді вкраплених в кварц дрібних (від 0,0001 до 1 мм) золотинок, у такому вигляді воно зустрічається в кварцових породах у формі тонких включень або потужніших жил, що пронизують сульфідні руди – сірчаний колчедан FeS 2 , мідний колчедан CuFeS 2 , сурм'яний блиск Sb 2 S 3 та ін. Інша форма рудного золота – його досить рідкісні мінерали, в яких золото знаходиться у вигляді хімічних сполук (найчастіше – з телуром, з яким утворює сріблясто-білі кристали, іноді з жовтим відтінком): калаверит AuTe 2 , монтбрейіт Au 2 Te 3 , мутманіт (Ag,Au)Te (дужки вказують, що ці елементи можуть міститися в мінералі в різних пропорціях), креннерит (Ag,Au)Te 2 , сильваніт (Ag,Au) 2 Te4, монтбрейіт (Au,Sb) 2 Te 3 , петцит Ag 3 AuTe 2 , ауростибіт AuSb 2 , аурантимонат AuSbO 3 , аурікуприд Cu 3 Au, нагіагіт Pb 5 Au(Te,Sb) 4 S 5–8 , фішесеріт Ag 3 AuSe 2 та інші.
Частина золота у процесах геологічних змін неслася з місць первинного залягання і знову відкладалася у місцях вторинного залягання, так утворилося розсипне золото – продукт руйнування корінних родовищ, що накопичувалися у долинах річок. У ньому зрідка знаходять великі самородки, часом химерної форми. Деякі такі родовища утворилися 20-30 тисяч років тому. Найбагатше на Землі родовище, яке тягнеться вздовж гірської гряди Вітватерсранд (у перекладі з голландського «Край білої води») у Південній Африці, дуже старе йому близько 3 млрд. років.
Самородне золото – не хімічно чисте золото, у ньому завжди є домішки, іноді – у значній кількості: срібло (від 2 до 50%), мідь (до 20%), залізо, ртуть, метали платинової групи, вісмут, свинець, телур та інші. Природний сплав золота зі сріблом, що містить 15 – 30% срібла і трохи міді, давні греки називали електроном (римляни – електрумом) за його жовтий колір: по-грецьки elektor - променисте світило, сонце, звідси і грец. elektron – бурштин.
Порівняно високу концентрацію золота знайдено у воді гарячих джерел. Так, у Новій Зеландії відкладення золота було виявлено у трубах електростанції, що працює на гідротермальних водах. Мігруючи із ґрунтовими водами, золото потрапляє і в рослини, деякі з них (хвощі, кукурудза) здатні збирати золото. Зола хвощів у золотоносних районах може містити до 0,065% дорогоцінного металу. Збирати золото можуть деякі бактерії, осаджуючи його з розведених розчинів.
Фізичні властивості.
Золото – один із найважчих металів: його щільність 19,3 г/см 3 . Тяжче золота тільки осмій, іридій, платина і реній. На одній із виставок демонструвався невеликий полірований золотий кубик розміром трохи більше 5 см, причому оголошення свідчило, що той, хто зможе підняти його двома пальцями однієї руки, може забрати його з собою. Організатори нічим не ризикували: жодний силач не зміг би підняти таким чином слизький зливок, що важить кілька кілограмів. Якщо щільно заповнити золотими зливками кімнату площею 20 кв.м та висотою 3 м, їх маса становитиме 1150 т – вага важко завантаженого залізничного складу.
«Чисте золото відбиває жовте світло, а вигляді дуже тонких листів (листове золото), у яких здатне виковуватися і витягуватися, просвічує синювато- зеленим кольором... При нагріванні навіть у горнах золото дає пари, чому полум'я, що проходить над ним, забарвлюється в зелений колір» (Д.І. Менделєєв. Основи хімії).
Жовтий колір має хімічно чисте золото, проте домішки можуть забарвлювати їх у інші кольори – від білого до зеленого. Червоний (червоний) колір надає золоту, наприклад, мідь при певному вмісті в сплаві. Так, у виданій 1905 енциклопедії за редакцією Ю.Н.Южакова сказано: «Червоне золото – метал золота з міддю щодо 9:1, використовується для карбування монет». Про те ж говорить і словник В.І.Даля: «Червоне золото – з мідним металом; біле золото - зі срібним сплавом».
Золото - порівняно легкоплавкий метал, плавиться при 1064 ° С, кипить при 2880 ° С, по теплопровідності та електропровідності займає третє місце (після срібла та міді). Твердість золота за 10-бальною шкалою Мооса складає всього 2,5, чисте золото надто м'яке і не годиться для будь-яких виробів. Для твердості до нього завжди додають інші метали, наприклад, срібло чи мідь ( см. ЗОЛОТІ ВИРОБИ).
Золото легко сплавляється з багатьма металами, які можуть входити до кристалічної структури золота, не порушуючи її, а просто замінюючи атоми золота. У разі утворюються тверді розчини. Природні тверді розчини із золотом можуть утворювати срібло, мідь, платина, паладій, родій, іридій, ряд інших металів, розміри атомів яких такі ж, як у золота (радіус 0,14 нм) або мало від нього відрізняються. Тверді природні розчини Au-Ag іноді містять до 10% ртуті (наприклад, у родовищі Золота гора на Уралі). У присутності домішки заліза (деякі знахідки Якутії містять до 4,45% Fe) мінерал стає магнітним.
Хімічні властивості.
За минулі століття хіміки (а до них алхіміки) провели із золотом величезну кількість різних експериментів, і виявилося, що золото зовсім не так інертне, як про це думають нефахівці. Щоправда, сірка та кисень (агресивні по відношенню до більшості металів, особливо при нагріванні), на золото не діють за жодної температури. Виняток – атоми золота на поверхні. При 500-700 ° С вони утворюють надзвичайно тонкий, але дуже стійкий оксид, що не розкладається протягом 12 годин при нагріванні до 800 ° С. Це може бути Au 2 O 3 або AuO (OH). Такий оксидний шар знайдено на поверхні крупинок самородного золота.
Не реагує золото і з воднем, азотом, фосфором, вуглецем, а галогени із золотом при нагріванні реагують з утворенням AuF 3 AuCl 3 AuBr 3 і AuI. Особливо легко, вже за кімнатної температури йде реакція з хлорною і бромною водою. З цими реактивами трапляються лише хіміки. У побуті небезпека для золотих кілець є йодна настойка – водно-спиртовий розчин йоду та йодиду калію: 2Au + I 2 + 2KI ® 2K.
Луги та більшість мінеральних кислот на золото не діють. Але суміш концентрованих азотної та соляної кислот («царська горілка») легко розчиняє золото: Au + HNO 3 + 4HCl ® H + NO + 2H 2 O. Після обережного випарювання розчину виділяються жовті кристали комплексної золотохлористоводневої кислоти HAuCl 4 ·3H 2 O. Царську горілку, здатну розчиняти золото, знав ще арабський алхімік Гебер, який жив у 9-10 ст. Менш відомо, що золото розчиняється в гарячій концентрованій селеновій кислоті: 2Au + 6H 2 SeO4 ® Au 2 (SeO4) 3 + 3H 2 SeO 3 + 3H 2 O. У концентрованій сірчаній кислоті золото розчиняється в присутності окислювачів: йодної кислоти діоксид марганцю. У водних розчинах ціанідів при доступі кисню золото розчиняється з утворенням дуже міцних диціаноауратів: 4Au + 8NaCN + 2H 2 O + O 2 ® 4Na + 4NaOH; ця реакція є основою важливого промислового способу вилучення золота з руд. Діють на золото та розплави із суміші лугів та нітратів лужних металів: 2Au + 2NaOH + 3NaNO 3 ® 2Na + 2Na 2 O, пероксиди натрію або барію: 2Au + 3BaO 2 ® Ba 2 + 3BaO, водні або ефірні розчини вищих і нікелю: 3Au + 3MnCl 4 ® 2AuCl 3 + 3MnCl 2 , тіонілхлорид: 2Au + 4SOCl 2 ® 2AuCl 3 + 2SO 2 + S 2 Cl 2 деякі інші реагенти. Отже, золото далеко не так «шляхетне», як це прийнято вважати.
Цікавими є властивості дрібнороздробленого золота. При відновленні золота із сильно розведених розчинів воно не випадає в осад, а утворює інтенсивно забарвлені колоїдні розчини – гідрозолі, які можуть бути пурпурно-червоними, синіми, фіолетовими, коричневими та навіть чорними. Так, при додаванні до 0,0075%-ного розчину H відновника (наприклад, 0,005%-ного розчину солянокислого гідразину) утворюється прозорий блакитний золь золота, а якщо до 0,0025%-ного розчину H додати 0,005%-ний розчин карбонату калію , а потім по краплях при нагріванні додати розчин таніну, утворюється червоний прозорий золь. Таким чином, залежно від ступеня дисперсності забарвлення золота змінюється від блакитного (грубодисперсного золь) до червоного (тонкодисперсного золь). При розмірі частинок золю 40 нм максимум його оптичного поглинання припадає на 510-520 нм (розчин червоний), а при збільшенні розміру частинок до 86 нм максимум зсувається до 620-630 нм (блакитний розчин). Реакція відновлення з утворенням колоїдних частинок використовується в аналітичній хімії для виявлення малих кількостей золота.
При відновленні розчинів сполук золота хлоридом олова(II) у слабокислих розчинах утворюється інтенсивно забарвлений темно-пурпурний розчин так званого касійного золотого пурпуру (він названий так на ім'я Андреаса Касія, скловара з Гамбурга, що жив у 17 ст). Це дуже вразлива реакція. Коли золота золь втрачає стійкість (коагулює), утворюється чорний осад, т.к. що саме такий колір має порошок будь-якого металу у тонкодисперсному стані. Кассіїв пурпур, введений в розплавлену скляну масу, дає чудово забарвлене рубінове скло, кількість золота, що при цьому витрачається, мізерно. Кассіїв пурпур застосовується і для живопису по склу та фарфору, даючи при прожарюванні різні відтінки – від слаборожевого до яскраво-червоного.
Відомі органічні сполуки золота. Так, дією хлориду золота(III) на ароматичні сполуки отримують сполуки, стійкі до води, кисню та кислот, наприклад: AuCl 3 + C 6 H 6 ® C 6 H 5 AuCl 2 + HCl. Органічні похідні золота(I) стабільні лише у присутності координаційно пов'язаних із золотом лігандів, наприклад, триетилфосфіну: CH 3 Au·P(C 2 H 5) 3 .
Видобуток золота: технології.
В результаті природного концентрування приблизно лише 0,1% всього золота, що міститься в земній корі, доступна, хоча б теоретично, для видобутку, проте завдяки тому, що золото зустрічається в самородному вигляді, яскраво блищить і легко помітно, воно стало першим металом яким познайомилася людина. Але природні самородки рідкісні, тому найстародавніший спосіб видобутку рідкісного металу, заснований на великій щільності золота, - промивання золотоносних пісків. «Видобуток... промивного золота вимагає тільки механічних засобів, а тому не дивно, що золото відомо було навіть дикунам і в найдавніші історичні часи» (Д.І. Менделєєв. Основи хімії).
«Дікарі» струшували золотоносний пісок у потоці води на похилому лотку, у своїй легший пісок змивається, а золоті крупинки залишаються на лотку. Такий спосіб застосовували старателі новий час. Золото майже в 20 разів важче за воду і приблизно в 8 разів важче за пісок, тому крупинки золота можна струменем води відокремити від піску або від подрібненої порожньої породи. Старовинний спосіб промивання за допомогою баранячих шкур, на яких відкладалися золоті крупинки, відображено в давньогрецькому міфі про золоте руно. Самородки та розсипи золота часто знаходили за течією рік, які тисячоліттями розмивали золотоносні породи. У давнину золото видобували тільки з розсипів, і зараз там, де вони залишилися, золотоносний пісок вичерпують з дна річок і озер і збагачують на драгах - величезних спорудах розміром з багатоповерховий будинок, здатних переробляти мільйони тонн золотоносної породи на рік. Але багатих золотих розсипів майже залишилося, і вже на початку 20 в. 90% усього золота добували із руд. Зараз багато золотих розсипів практично вичерпано, тому видобувають, переважно, рудне золото, щоправда, тепер видобуток рудного золота багато в чому механізована, але залишається важким виробництвом, часто захованим глибоко під землею. Останні десятиліття постійно зростала частка найрентабельніших відкритих розробок. Родовище економічно вигідно розробляти, якщо в тонні руди міститься всього 2–3 г золота, а за вмістом понад 10 г/т воно вважається багатим. Істотно, що витрати на пошук та розвідку нових золотих родовищ становлять від 50 до 80% усіх витрат на геологорозвідувальні роботи.
Старий (так званий ртутний) спосіб вилучення золота з руди - амальгамування заснований на тому, що ртуть добре змочує (але практично не розчиняє) золото - як вода змочує (але не розчиняє) скло. Тонко розмелену золотоносну породу струшували в бочках, на дні яких була ртуть. При цьому частинки золота прилипали до рідкого металу, змочуючи ртуттю з усіх боків. Оскільки колір золотих частинок зникає, може здатися, що золото «розчинилося». Потім ртуть відокремлювали від порожньої породи та сильно нагрівали. Летюча ртуть відганялася, а золото залишалося у незмінному вигляді. Недоліки цього – висока отруйність ртуті і неповнота виділення золота: найдрібніші його частки змочуються ртуттю погано.
У романі А.Н.Толстого Гіперболоїд інженера ГарінаГерой сподівається розбагатіти, знайшовши у глибинах земної кулі «золотий шар» з рідкого «ртутного золота», що містить «дев'яносто відсотків червоного золота». Його передбачалося «черпати прямо з поверхні» і трубопроводами перекачувати в печі, де мали отримати чисте золото, випаровуючи ртуть. Насправді справжня розчинність золота в ртуті дуже мала і становить лише 0,126% при 20° С. При тривалому витримуванні золота в ртуті йде хімічна реакція з утворенням твердих при кімнатній температурі інтерметалевих сполук складу AuHg 2 , Au 2 Hg та Au 3 Hg, а при високому вмісті золота можливе також утворення його твердих розчинів із ртуттю. Ні хімічні сполуки, ні тверді розчини золота і ртуті не можна ні «черпати з поверхні», ні пропускати «ртутопроводом», як припускав робити Гарін.
Більше сучасний спосібвидобутку золота з бідних руд - вилуговування ціанідом натрію, при якому навіть найдрібніші крупинки переводять у водорозчинні ціаністі сполуки. Потім з водного розчину витягають золото, наприклад, витягаючи його за допомогою цинкового порошку: 2Na + Zn Na + 2Au. Вилужування дозволяє витягувати залишки золота з відвалів занедбаних розробок, фактично перетворюючи їх на нове родовище. Перспективний і метод підземного вилуговування: розчин ціаніду закачують у свердловини, він по тріщинах проникає всередину породи, де розчиняє золото, після чого викачують розчин через інші свердловини. Звичайно, ціанід переводитиме в розчин не тільки золото, але й інші метали, що утворюють стійкі ціанідні комплекси.
Інше, досить бідне, але постійне джерело золота – проміжні продукти свинцево-цинкового, мідного, уранового та деяких інших виробництв. Воно засноване на тому, що золото нерідко є сусідами з іншими металами. У поліметалевих рудах золото часто міститься у вигляді невеликої домішки, і їх переробки намагаються вести те щоб попутно витягувати і золото, якщо це виявляється рентабельним. Так, при електролітичному очищенні (рафінуванні) міді, коли її «переганяють» з анода на катод, благородні метали при розчиненні анода не переходять у розчин, а накопичуються під анодом у вигляді мулу (шламу). Цей шлам – важливе джерело отримання золота, якого видобувають тим більше, що масштабніше виробництво основних металів. Наприклад, у США це одне з основних джерел золота.
Так зване вторинне золото отримують з величезної маси вироблених або бракованих виробів електроніки. Їх прямо в нерозпакованих ящиках кидають у розплавлену мідь; дерево моментально згоряє, алюміній, залізо, олово, інші неблагородні метали переходять у оксиди, спливають на поверхню розплаву та видаляються, а мідь після достатнього збагачення благородними металами направляють на рафінування. Важливе джереловторинного золота (до 500 т) на рік – золотий брухт.
І лише теоретичний інтерес становлять ядерні реакції, з допомогою яких із неблагородних металів можна отримати «алхімічне золото». Прикладом може бути гіпотетична реакція 209 Bi + 32 S ® 197 Au + 44 Ca, а також реакція захоплення одного «свого» електрона з К-оболонки (К-захоплення) атомом одного з радіоактивних ізотопів ртуті: 197 Hg + e ® 197 .
Видобуток золота: світове виробництво.
Найстаріші з відомих істориків золотих копалень перебували у Єгипті. Є дані про видобуток золота та виготовлення з нього різних виробів ще в п'ятому тисячолітті до н. - У кам'яному столітті. Скелі із золотоносними кварцовими жилами розжарювали у вогні, а потім обливали холодною водою. Потріскану породу подрібнювали - дробили, товкли в ступах, мололи і піддавали промиванні. Стародавні єгиптяни добували золото в Аравійсько-Нубійській золотоносній провінції, розташованій між Нілом та Червоним морем. За багато століть, протягом царювання 30 династій вона дала його безліч – близько 3500 тонн. Так, тільки при фараоні, щорічний видобуток доходив до 50 т. У свій час для добування золота там витрачалося менше праці, ніж для інших металів, і золото коштувало дешевше срібла, але вже в давнину це найбагатше родовище було повністю виснажене. Усього єгиптяни на час захоплення Римом у 30 видобули близько 6000 т золота. Величезні золоті багатства, що були у похованнях фараонів, були майже всі розграбовані ще в давнину.
В античні часилише із золотоносних порід Іспанії стародавні римляни видобули понад 1500 тонн золота. І ще у середині 19 в. копальні Австро-Угорщини давали до 6,5 т золота на рік, на деяких золотих монетах того часу красуються написи латиною «З золота Дунаю», «З золота Ізара», «З золота Інна» (притоки Дунаю), «З золота Рейну ». Видобуток у Фінляндії обчислювався десятками кілограмів на рік. Наразі золоті розсипи в долинах європейських рік практично повністю вичерпані. Після плавань Колумба названа на його честь Колумбія тривалий час займала чільне місце у світі з видобутку золота. Дуже багаті золотоносні розсипи знаходили у 18–19 ст. у Бразилії, США, Австралії, інших країнах.
У Росії свого золота довго не було. Про початок його видобутку думки дослідників розходяться. Очевидно, перше вітчизняне золото було видобуто 1704 з Нерчинських руд разом із сріблом. У наступні десятиліття на Московському монетному дворі золото виділяли зі срібла, яке містило трохи золота як домішки (близько 0,4%). Так, у 1743–1744 «із золота, що в сріблі, виплавленому на Нерчинських заводах», було виготовлено 2820 червонців із зображенням Єлизавети Петрівни. Кількість видобутого золота була нікчемною: з 1719 по 1799 в такий спосіб отримали з величезними труднощами хімічного поділу всього 830 кг золота. За деякими відомостями, невеликі кількості золота (1745 – 6 кг) виплавили, причому таємно, на своїх мідних алтайських рудниках знамениті Демидови. З 1746 року всі ці рудники перейшли у власність царської сім'ї.
У 1745 на Уралі було знайдено корінне рудне золото, і в 1747 почав працювати перший вітчизняний золотий копальня, названий згодом Початковим. За весь 18 ст. у Росії було видобуто лише близько 5 т золота, але вже наступному столітті – в 400 разів більше. Відкриття (у 1840-ті) Єнісейського родовища вивело в ті роки Росію на перше місце у світі з видобутку золота, але ще до цього місцеві мисливці-евенки робили із золотих самородків кулі для полювання. Наприкінці 19 в. Росія видобувала на рік близько 40 т золота, їх 93% – розсипного. Усього ж у Росії до 1917 було видобуто за офіційними даними 2754 т золота, але за оцінками фахівців – близько 3000 т, причому максимум припав на 1913 (49 т), коли золотий запас досяг 1684.
Війни та революція призвели до різкого спаду видобутку золота. Так, у 1917 р. ще було видобуто 28 т, а через три роки – лише 2,5 т, причому різко зменшився і золотий запас – до 317 т (300 т вивезли до Німеччини за умовами Брестського світу, сотні тонн пішли з білою армією через Далекий Схід). Становище значно покращилося до кінця 1920-х, після відкриття у Східному Сибіру величезних запасів золота у басейні річки Алдан у Якутії та на Колимі. У 1928 видобуток золота досягла вже 28 т і продовжувала неухильно зростати, досягнувши 302 т в 1990. Після розпаду СРСР Росія втратила середньоазіатського золота, зокрема, найбільшого родовища Узбекистані (воно стабільно давало близько 60 т золота на рік). У 1991 в Росії було видобуто всього 168,1 т золота, причому видобуток продовжував рік у рік скорочуватися, досягнувши мінімуму в 1998 - 114,6 т. Після цього вона почала зростати досить швидкими темпами: 1999 - 126,1 т, 2000 - 142,7 т, 2001 - 154,5 т, 2002 - 173,5 т, 2003 - 176,9 т. Основна частина золота, що видобувається, йде на експорт, решта йде в Гохран, в Центробанк, в промисловість (у тому числі, в ювелірну). Добувають у нас золото у Магаданській, Читинській, Амурській областях, у Красноярському краї, у Якутії, на Чукотці.
Наразі найбільшим постачальником золота на світовий ринок є Південна Африка, де шахти досягли вже 4-кілометрової глибини. У ПАР знаходиться найбільша у світі копальня Вааль-Ріфс у Клексдорпі. При переробці 10 млн. тонн руди витягують приблизно 80–90 тонн золота. Усього ж на рік у ПАР добувають сотні тонн золота – близько двох тонн щодня. Загальні запаси золота ПАР оцінюються в 25 000 т. ПАР – єдина держава, у якому золото – головний продукт виробництва, де золото добувають на 36 великих рудниках, у яких працюють сотні тисяч жителів.
Однак золото, на відміну від нафти, не витрачається, а безперервно накопичується, хоча останні десятиліття і не так швидко (світове виробництво досягло свого максимуму в 1972). З іншого боку, розвідані його запаси обмежені, причому згодом розробляються дедалі бідніші родовища. Все це не може не позначатися (поряд з іншими факторами) на ціні золота. А ціна, своєю чергою, визначає рентабельність видобутку. Падіння цін на золото за останні два десятиліття 20 ст. небезпечно наблизило продажну ціну до собівартості видобутку, що становила до кінця 20 ст. близько 220 доларів за тройську унцію (31,1035 г) у США та 260 доларів у ПАР (у ряді компаній – ще вище). Це призвело до краху одних золотодобувних компаній та зниження видобутку іншими. Так, якщо в 1970 в ПАР було видобуто 1004 т золота (пік видобутку), то в 1975 – 713 т, у 1980 – 695 т, у 1985 – 673 т, у 2001 – лише 399. А в Канаді та Австралії у період низьких цінна золото його видобуток навіть дотувалася державою. У той самий час за значного підвищення ціни золото розробка деяких родовищ стає рентабельною. У ряді країн собівартість видобутку залишалася порівняно низькою (у Папуа – Новій Гвінеї – 150 доларів за унцію), що дозволяло їм нарощувати видобуток. Річне виробництво золота (в тоннах) у різні роки виглядало так:
| РІЧНЕ ВИРОБНИЦТВО ЗОЛОТА(В тоннах) | ||||||
| Країна/рік | 1913 | 1940 | 1960 | 1985 | 1999 | 2003 |
| ПАР | 274 | 437 | 665 | 673 | 450 | 450 |
| США | 134 | 151 | 53 | 80 | 340 | 265 |
| Австралія | 69 | 51 | 34 | 59 | 303 | 275 |
| Китай | 171 | 175 | ||||
| Канада | 25 | 166 | 144 | 90 | 158 | 165 |
| Перу | 89 | 130 | 155 | |||
| Індонезія | 127 | 175 | ||||
| Росія | 49 | 126 | 177 | |||
| Узбекистан | 86 | 86 | ||||
| Гана | 80 | 174 | ||||
| Папуа Нова Гвінея | 31 | 64 | ||||
| Бразилія | 5 | 6 | 72 | 54 | 78 | |
| Усього | 652 | 1138* | 1047* | 1233* | 2330 | 2500 |
| *Без СРСР | ||||||
Скільки всього видобуто золота? І скільки його ще лишилося? Облік (часто недостатньо достовірний, якщо золото видобувається старателями) ведеться від часу відкриття Америки наприкінці 15 в. Після плавань Колумба іспанські завойовники протягом кількох десятиліть привозили до Європи золото в таких кількостях, що знецінилося в 5–6 разів. У 19 ст. весь світ був вражений «золотими лихоманками» після відкриття багатих покладів у Каліфорнії (1848), в Австралії (1851), на Клондайку та Юконі на Алясці (1896 – 1900). "На золоті" виросли найбільші міста - Сан-Франциско, Сідней, Йоганнесбург, а найбагатше у світі родовище в Південній Африці, відкрите в 1886 і містить близько 30 г/т золота, не викликало напливу старателів-одинаків через особливості його геологічної будови : видобувати золото з твердих порід там можна було лише за допомогою спеціальної техніки та найважчої праці безправного негритянського населення (на початку 20 ст. на рудники було доставлено навіть кілька десятків тисяч китайських робітників).
На сьогодні найбільше золота видобуто в ПАР – близько 50 тисяч тонн, у Росії та СРСР – понад 14 тисяч, у США – понад 10 тисяч (з них лише у Каліфорнії – 3500 т), трохи менше у Канаді та в Австралії. Дуже багато золота (рахунок йде тисячі тонн) видобуто у Колумбії, Зімбабве, Гані, Мексиці, Бразилії. Далі йдуть Філіппіни, Заїр та Перу. І у всіх цих країнах у родовищах залишилося менше, ніж уже видобуто. Проте чи всі країни давали офіційні відомості. Так, в СРСР будь-яка інформація про золото була засекречена, і наявні відомості є оцінкою.
Загальні результати видобутку золота є такими. За перші 4400 років - з 3900 до н. (додинастичний архаїчний Єгипет) до 500 (падіння Римської імперії) - 10 000 т. За наступні 1000 років (середньовіччя) - ще 2500 т. З початку 16 ст. на початок 19 в. (340 років) – 4900 т. Основна ж маса видобута за останні 200 років, а всього – близько 130 тисяч тонн, причому приблизно дві третини – протягом останнього сторіччя (з них половина – у Південній Африці). Однак ці величезні кількості – лише соті частки відсотка від обсягу сталі, що виплавляється у світі лише за один рік. Зібране в одному місці все це золото утворило б куб з ребром, рівним 19 м, тобто висотою з п'ятиповерховий будинок (тоді як руда і пісок, з якого це золото вилучено, представляло б гору висотою понад 2,5 км). У той же час золото, яке видобуло зараз у всьому світі за один рік, помістилося б у кімнаті середніх розмірів (щоправда, жодна підлога такого вантажу не витримає). Якби можна було роздати золото, здобуте за всю історію людства, порівну між жителями Землі, кожен отримав би трохи більше 20 г, але така операція неможлива навіть теоретично: десятки тисяч тонн безповоротно втрачені внаслідок стирання, поховання в скарбах, пішли на морське дно . Наявне золото розподілено так: близько 10% у промислових виробах, решта – приблизно порівну між централізованими запасами (в основному, у вигляді стандартних зливків хімічно чистого золота), приватними особами та ювелірними виробами.
Видобуток золота: золоті самородки.
Поряд із маленькими крупинками в золотоносних районах зрідка знаходять великі шматки золота - самородки, які завжди привертають до себе увагу не тільки старателів. Про великі самородки пишуть газети, повідомляють інформаційні агенції всього світу. Колись дуже багаті на самородки були уральські родовища. На сьогодні в усьому світі знайдено приблизно 10 тисяч самородків масою понад 10 кг, і з них близько 2 тисяч – тільки на території Міаського району Челябінської. 7 г - був знайдений в 1842 на Південному Уралі (Царьово-Олександрівський копальня), зараз він зберігається в Алмазному фонді. Ще за півстоліття на Уралі знайшли самородок масою 20 кг. Такі самородки становлять значний інтерес для вчених. Особливо рідкісні добре огранені кристали природного золота – блискучі октаедри, куби, ромбододекаедри та їх комбінації. Іноді самородне золото утворює гілочки, що красиво гілкуються, - дендрити.
На початку 19 ст. був виданий указ, згідно з яким усі більш-менш великі самородки (масою понад 10–20 г) мали надходити до музею Петербурзького вищого гірничого училища, але з Уралу хлинув такий потік золота, що у 1825 мінімальна маса була підвищена до 409 г. фунт). Але навіть таких великих самородків набралося стільки, що надійшов наказ більшу частину (понад чверть тонни) здати на монетний двір. Самородки, що збереглися, у тому числі і «Великий трикутник», склали основу Алмазного фонду. Зараз навіть не дуже великі самородки навряд чи переплавлятимуть, тому що вони представляють колекційну цінність і коштують набагато більше золота, що міститься в них.
Великі самородки (зазвичай кожен їх має свою назву) знаходили у Росії як на Уралі. Наприкінці 19 ст. в Іркутській області було знайдено самородок масою 22,6 кг, а середині 20 в. на копальнях поблизу населених пунктів Бодайбо та Артемівський знайшли кілька десятків великих самородків масою до 10 кг і більше. Дуже багата на самородки виявилася Колима, де безліч копалень. Вже у другій половині 20 ст. там було знайдено два самородки масою по 14 кг і сотні дрібніших. Знаходили і продовжують знаходити великі самородки також у Якутії, Хабаровському краї, на Алтаї.
Серед розвинених країн великими самородками прославилася Австралія, де у середині 19 в. знайшли кілька самородків масою 50 кг та більше. Один з них, масою 70,9 кг (69,2 кг чистого золота) буквально валявся на дорозі: у 1869 про нього зламав колесо екіпаж, що проїжджав по дорозі. В Австралії в 1872 був знайдений і найбільший у світі самородок - «Плита Холтермана» розміром 140 × 66 × 10 см і масою 285,76 кг із золота, що тісно зрослося з кварцем, але для науки цей унікальний екземпляр був втрачений: з нього виплавили всі золото якого виявилося 93,3 кг. Наприкінці 20 ст. дуже великі самородки несподівано знайшли у Бразилії. А дрібних самородків там знаходять у сумі понад 10 тонн на рік.
Про великі самородки збереглися лише повідомлення древніх авторів, які важко перевірити. Так, аль Біруні у своїй Мінералогіїзгадує знайдений нібито Афганістані самородок масою 2,5 тонни. За іншими даними, на території сучасної Чехії в 752 було знайдено самородок масою близько 960 кг.
Використання золота.
Зараз золото – насамперед валютний метал, що виконує функцію загального еквівалента грошей. см. ЗОЛОТО ТА ЕКОНОМІКА). Багато золота осідає у банківських сховищах, ще більше використовується для виготовлення ювелірних виробів: на них витрачається понад 70% злиткового металу. Ювелірна промисловість споживає у рік золота більше, ніж його видобувається: у 1990-х – 2300–2700 тонн щорічно. У цьому промислово розвинені країни споживають лише третину золота, а що розвиваються – 60%. Найбільший споживач золота – населення Індії: у 2000 році індійці купили 1855 тонн дорогоцінного металу. Звичайно, слід при цьому враховувати і величезне населення цієї країни. Потім йдуть США (400-450 т на рік), Саудівська Аравія (190-220 т), Китай та Туреччина (близько 200 т); більше 100 т на рік споживають країни Перської затоки, Південна Корея, Єгипет, Пакистан, Індонезія.
Золото витрачається також на виготовлення монет і медалей, зубних протезів, корозійностійких деталей хімічних апаратів, електричних контактів, що не окислюються, термопар, для нанесення захисних покриттів, виготовлення спеціальних сортів скла. Золото застосовується при виготовленні деталей реактивних двигунів, ракет, ядерних реакторів, тепло- та світловідбивних покриттів космічних апаратів. Як каталізатор золото (у вигляді контактної сітки) використовується для окислення синильної кислоти до ціанової, з якої отримують полімери та інші продукти. Сульфід цинку, активований золотом, під впливом пучка електронів світиться зеленим, що використовується при виготовленні катодолюмінофорів.
Застосовується золото та в медицині. У 1583 році французький алхімік, придворний лікар і хірург Давид де Плані-Кампі опублікував Трактат про справжнє, неперевершене, велике і універсальне ліки древніх, або ж про питне золото, незрівнянну скарбницю невичерпних багатств. У ньому він, посилаючись на своїх попередників, в основному, арабських алхіміків, описував цілющі властивості так званого питного золота, приписуючи йому чудодійні властивості. Сподівався на aurum potabile (питне золото) і знаменитий лікар-алхімік 16 ст. Філіп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, відоміший під ім'ям Парацельса. Це й було золото в буквальному значенні цього слова, лише дуже дрібно роздроблене – колоїдний розчин золота червоного кольору. Про питне золото згадують і китайські книги з медицини, датовані I в. до н.е. Китайські лікарі мали на увазі під цією назвою «еліксир життя» – напій, що дарує молодість, здоров'я та силу. Зараз встановлено, що золото, як і срібло, має бактерицидні властивості.
Наприкінці 19 ст. німецький мікробіолог Роберт Кох виявив, що тетраціаноаурат(ІІІ) калію K припиняє зростання туберкульозних бактерій. У 20 столітті препарати золота, наприклад, тіосульфатний комплекс санокризин Na 3 · 2H 2 O, почали застосовувати для лікування туберкульозу, артриту як протизапальний засіб. Зараз для лікування ревматоїдного артриту застосовують препарат кризанол, що містить 33,5% золота у вигляді ауротіопропанолсульфонату кальцію (AuSCH 2 CH(OH)CH 2 SO 3) 2 Ca, і ауранофін, також містить зв'язок Au-S і координаційний пов'язаний з атомом золота триетилфо :
R–S–Au¬P(C 2 H 5) 3 , де R – повністю ацетильований залишок глюкози. Передбачається, що препарати золота впливають імунні процеси в організмі. У радіотерапії використовують радіонуклід 198Au з періодом напіврозпаду близько 3 діб.
Висока щільність золота іноді призводить до його незвичайного застосування. На початку 1990-х на кіностудії Центрнаукфільм знімався науково-популярний фільм про золото. Автор сценарію і оператор Євген Георгійович Покровський у пошуку цікавих сюжетів побував в Алмазному фонді в Московському Кремлі, там його увагу привернув куля із золота, що знаходиться у вітрині. Співробітник фонду сказав, що куля ця важить два пуди і зроблена на замовлення Д.І.Менделєєва. Проте з якою метою виготовлений шар, він сказати не міг. Довелося кінооператору звернутися за допомогою до консультанта.
З'ясувалося, що Положенням Державної ради Російської Імперії 8 червня 1863 р. у Петербурзі було засновано Депо зразкових заходів та терезів. У 1892 міністр фінансів С. Ю. Вітте запропонував Д. І. Менделєєву зайняти посаду вченого охоронця заходів та ваг у Депо. Менделєєв прийняв пропозицію і енергійно взявся за нову йому справу. Незабаром Депо було перетворено на Головну палату заходів і терезів; Менделєєв залишався її керуючим упродовж останніх 15 років свого життя. За ці роки їм було виконано важливі дослідження в галузі метрології – галузі фізики, завданням якої є створення еталонів фізичних одиниць та розробка методик точних вимірів. Під керівництвом Менделєєва було виготовлено російські зразки метра, літра, кілограма, і навіть старих заходів – фунта, аршина та інших. Метою Менделєєва був перехід країни на метричну систему заходів, що було здійснено лише 1918-го.
Для проведення Палаті точних вимірів прискорення вільного падіння на широті Петербурга потрібно було з високою точністю виміряти період коливань маятника відомої довжини, оскільки довжина маятника, період його коливань і прискорення сили тяжкості пов'язані простим співвідношенням. Але точно воно виконується тільки для ідеального (математичного) маятника, у якого розмах коливань невеликий, нитка невагома, вантаж – точковий, а опір повітря відсутня. Щоб реальний маятник був близьким до ідеального, він повинен бути виготовлений з важкого матеріалу та підвішений на довгій тонкій нитці. Ось Менделєєв і вирішив як вантаж для маятника використати важке золото. На його замовлення була виготовлена масивна полірована (для зменшення опору повітря) золота куля. При масі 2 пуди (32 кг) його радіус дорівнював всього 7,3 см. Оскільки в будівлі Палати не було високих залів, Менделєєв, щоб подовжити нитку підвісу, наказав пробити перекриття на декількох поверхах, та ще й викопати яму в підвалі. За допомогою такого маятника можна було виміряти прискорення сили тяжіння з високою точністю.
Ілля Леєнсон
Література:
Соболевський В. Шляхетні метали. Золото. М., Знання, 1970
Бусєв А.І., Іванов В.М. Аналітична хімія золота. М., Наука, 1973
Максимов М.М. Нарис про золото. М., Надра, 1977
Малишев В.М. Золото. М., Металургія, 1979
Паддефет Р. Хімія золота. М., Мир, 1982
Потьомкін С.В. Благородний 79-й. М., Надра, 1988
Вже протягом кількох років Адольф Міте займався фарбуванням мінералів та скла під дією ультрафіолетових променів. Для цього він використав звичайну ртутну лампу - евакуйовану тру6ку з кварцового скла, між електродами якої утворюється ртутна дуга, що випромінює ультрафіолетові промені.
Пізніше Миті користувався новим типом лампи, що давало особливо високий енергетичний вихід. Однак при тривалій експлуатації на стінках утворювалися нальоти, які сильно заважали роботі. У ртутних лампах, що відслужили, теж можна було виявити такі нальоти, якщо відігнати ртуть. Склад цієї чорнуватої маси зацікавив таємного радника, і раптом, під час аналізу залишку від 5 кг лампової ртуті, він знайшов… золото. Миті міркував: чи можливо теоретично, щоб у ртутній лампі ртуть в результаті руйнування атома розпадалася до золота з відщепленням протонів або альфа-часток. Міте та його співробітник Ганс Штамрайх проводили численні досліди, зачаровані ідеєю такого перетворення елементів. Вихідною речовиною служила ртуть, перегнана у вакуумі. Дослідники вважали, що вона містить золота. Підтвердили це також аналізи відомих хіміків К. Гофмана та Ф. Габера. Міті попросив їх досліджувати ртуть та залишки в лампі. Цією ртуттю, за аналітичними даними вільною від золота, Міті і Штамрайх заповнили нову лампу, яка потім працювала протягом 200 год. Після відгону ртуті вони розчинили залишок в азотній кислоті і захоплено розглядали під мікроскопом те, що залишилося в склянці: на покривному склі виблискував золотисто-жовтий агломерат октаедричних кристалів
Однак Фредерік Содді не думав, що золото утворилося шляхом відщеплення альфа-частинки чи протона. Швидше можна говорити про поглинання електрона: якщо останній має досить велику швидкість, щоб пронизати електронні оболонки атомів і впровадитися в ядро, тоді могло б утворитися золото. При цьому порядковий номер ртуті (80) зменшується на одиницю і утворюється 79 елемент - золото.
Теоретичне висловлювання Содді підкріпило думку Міті та всіх тих дослідників, які твердо увірували в «розпад» ртуті до золота. Проте не врахували тієї обставини, що на природне золото може перетворитися лише один ізотоп ртуті з касовим числом 197. Тільки перехід 197 Hg + e- = 197 Au може дати золото.
Чи існує ізотоп 197 Hg? Відносна атомна маса цього елемента 200,6, називалася тоді атомною вагою, дозволила припускати, що є кілька його ізотопів. Ф.В. Астон, досліджуючи каналові промені, дійсно знайшов ізотопи ртуті з масовими числамивід 197 до 202, тому таке перетворення було ймовірним.
За іншою версією, із суміші ізотопів 200,6Hg могло утворитися і 200,6Au, тобто один або кілька ізотопів золота з великими масами. Це золото мало б бути важчим. Тому Міте поспішив визначити відносну атомну масу свого штучного золота і доручив це найкращому фахівцю у цій галузі – професору Гонігшмідту у Мюнхені.
Звичайно, кількість штучного золота для такого визначення була дуже мізерною, проте більшого у Міті поки не було: король важив 91 мг, діаметр кульки 2 мм. Якщо порівняти його, іншими «виходами», які отримував Миті при перетвореннях у ртутній лампі - вони в кожному досвіді становили від 10 -2 до 10 -4 мг, - це був все ж таки помітний шматочок золота. Гонігшмідт та його співробітник Цинтль знайшли для штучного золота відносну атомну масу 197,2±0,2.
Поступово Міті зняв секретність зі своїх досвідів. 12 вересня 1924 року було опубліковано повідомлення з фотохімічної лабораторії, в якому вперше було наведено експериментальні дані та докладніше описано апаратуру. Вихід теж став відомий: з 1,52 кг ртуті, попередньо очищеною вакуумною перегонкою, після 107-годинного безперервного горіння дуги завдовжки 16 см, при напрузі від 160 до 175 В і струмі 12,6 А Міті отримав цілих 8,2 * 10 -5 г золота, тобто вісім сотих міліграм. "Алхіміки" з Шарлоттенбурга запевняли, що ні вихідна речовина, ні електроди і дроти, що підводять струм, ні кварц лампової оболонки не містили аналітично визначених кількостей золота.
Проте незабаром настав перелом. Підозр у хіміків виникало тим більше і більше. Золото то утворюється і завжди в мінімальних кількостях, то знову не утворюється. Жодної пропорційності не виявляється, тобто кількості золота не зростають зі збільшенням вмісту ртуті, підвищенням різниці потенціалів, при більшій тривалості роботи кварцової лампи. Чи справді штучно виходило золото, яке виявляли? Або воно вже було раніше? Джерела можливих систематичних помилок у методі Міті перевіряли кілька вчених із хімічних інститутів Берлінського університету, а також із лабораторії електричного концерну Сіменса. Хіміки насамперед детально вивчили процес перегонки ртуті і дійшли дивовижного висновку: навіть у перегнаній, здавалося б, не містить золота ртуті завжди є золото. Воно або з'являлося в процесі перегонки, або залишалося розчиненим у ртуті у вигляді слідів, тому його не можна було відразу виявити аналітично. Тільки після тривалого стояння або при розпиленні в дузі, що спричиняло збагачення, воно раптом знову виявлялося. Такий ефект міг бути цілком прийнятий за утворення золота. Виявилася ще одна обставина. Використані матеріали, у тому числі кабелі, що йдуть до електродів, і самі електроди - все містило сліди золота.
Але все ще існувала переконлива заява фізиків-атомників, за якою така трансмутація можлива з погляду атомної теорії. Як відомо, при цьому виходили з припущення, що ізотоп ртуті Hg 197 поглинає один електрон і перетворюється на золото.
Однак така гіпотеза була спростована повідомленням Астона, що з'явився в журналі Нейчур в серпні 1925 року. Фахівцю з поділу ізотопів вдалося за допомогою мас-спектрографа з підвищеною роздільною здатністю однозначно охарактеризувати лінії ізотопів ртуті. В результаті з'ясувалося, що природна ртуть складається з ізотопів з масовими числами 198, 199, 200, 201, 202 та 204.
Отже, стійкого ізотопу 197 Hg не існує. Отже, треба вважати, що отримати природне золото-197 з ртуті обстрілом її електронами теоретично неможливо і досліди, спрямовані на це, можна розглядати заздалегідь як безперспективні. Це зрештою зрозуміли дослідники Харкінс і Кей з університету Чикаго, які взялися за перетворення ртуті за допомогою надшвидких електронів. Вони бомбардували ртуть (охолоджувану рідким аміаком і взяту в якості антикатода в рентгенівській трубці) електронами, розігнаними в полі 145 000, тобто мають швидкість 19 000 км/с.
Аналогічні досліди проробляв і Фріц Габер під час перевірки дослідів Міті. Незважаючи на дуже чутливі методи аналізу, Харкінс та Кей не виявили й слідів золота. Ймовірно, вважали вони, навіть електрони з такою високою енергією не в змозі проникнути в ядро атома ртуті. Або ізотопи золота, що утворилися, настільки нестійкі, що не можуть «дожити» до кінця аналізу, що триває від 24 до 48 год.
Таким чином, уявлення про механізм утворення золота з ртуті, запропоноване Содді, було сильно похитнуто.
У 1940 році, коли в деяких лабораторіях ядерної фізики почали бомбардувати швидкими нейтронами, отриманими за допомогою циклотрону, сусідні із золотом елементи – ртуть та платину. На нараді американських фізиків у Нешвіллі у квітні 1941 року А. Шерр та К.Т. Бейнбрідж з Гарвардського університету доповіли про успішні результати таких дослідів. Вони направили розігнані дейтрони на літієву мішень і отримали потік швидких нейтронів, використаний для бомбардування ядер ртуті. Внаслідок ядерного перетворення було отримано золото.
Три нових ізотопи з масовими числами 198, 199 і 200. Проте ці ізотопи були настільки стійкими, як природний ізотоп - золото-197. Випускаючи бета-промені, вони через кілька годин або днів знову перетворювалися на стійкі ізотопи ртуті з масовими числами 198, 199 і 200. Отже, у сучасних прихильників алхімії не було приводу для тріумфування. Золото, яке знову перетворюється на ртуть, нічого не варте: це оманливе золото. Проте вчені раділи успішному перетворенню елементів. Вони змогли розширити свої знання про штучні ізотопи золота.
Природна ртуть містить сім ізотопів у різних кількостях: 196 (0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29) ,80%) та 204 (6,85%). Оскільки Шерр і Бейнбрідж знайшли ізотопи золота з масовими числами 198, 199 і 200, слід вважати, що останні виникли з ізотопів ртуті з тими самими масовими числами. Наприклад: 198 Hg + n= 198 Au + рТаке припущення видається виправданим - адже ці ізотопи ртуті досить поширені.
Імовірність здійснення будь-якої ядерної реакції визначається насамперед так званим ефективним перерізом захоплення атомного ядра по відношенню до відповідної бомбардуючої частки. Тому співробітники професора Демпстера, фізики Інгрем, Гесс та Гайдн, намагалися точно визначити ефективний перетин захоплення нейтронів природними ізотопами ртуті. У березні 1947 року вони змогли показати, що ізотопи з масовими числами 196 і 199 мають найбільший переріз захоплення нейтронів і тому мають найбільшу ймовірність перетворення на золото. Як «побічний продукт» своїх експериментальних досліджень вони отримали... золото. Точно 35 мкг, отриманих зі 100 мг ртуті після опромінення нейтронами уповільненими в атомному реакторі. Це становить вихід 0,035%, проте якщо знайдену кількість золота віднести лише до ртуті-196, то вийде солідний вихід 24%, бо золото-197 утворюється лише із ізотопу ртуті з масовим числом 196.
З швидкими нейтронами часто протікають ( n, р) - реакції, а з повільними нейтронами - переважно ( n, г) - перетворення. Золото, відкрите співробітниками Демпстера, утворилося так: 196 Hg + n= 197 Hg * + г 197 Hg * + e- = 197 Au
Утворюється по (n, г) - процесу нестійка ртуть-197 перетворюється на стійке золото-197 в результаті. K-захоплення (електрона з K-оболонки свого атома).
Співробітники Демпстера не могли відмовити собі в задоволенні - отримати в реакторі певну кількість такого штучного золота. З тих пір цей маленький цікавий експонат прикрашає музей Чикаго науки і промисловості. Цим раритетом – свідченням мистецтва «алхіміків» в атомну еру – можна було помилуватися під час Женевської конференції у серпні 1955 року.
З погляду ядерної фізики можливі кілька перетворень атомів на золото. Стійке золото, 197Au, можна було б одержати шляхом радіоактивного розпаду певних ізотопів сусідніх елементів. Цьому нас навчає так звана карта нуклідів, в якій представлені всі відомі ізотопи та можливі напрямки їхнього розпаду. Так, золото-197 утворюється з ртуті-197, що випромінює бета-промені, або з такої ртуті шляхом К-захоплення. Можна було б отримати золото з талію-201, якби цей ізотоп випускав альфа-промені. Проте цього немає. Як отримати ізотоп ртуті з масовим числом 197, якого немає в природі? Чисто теоретично його можна отримати з талію-197, а останній – зі свинцю-197. Обидва нукліди мимоволі із захопленням електрона перетворюються відповідно на ртуть-197 та талій-197. Практично це була б єдина, хоч і тільки теоретична, можливість зробити золото зі свинцю. Проте свинець-197 також лише штучний ізотоп, який треба спочатку отримати ядерною реакцією. Із природним свинцем справа не піде.
Ізотопи платини 197Pt та ртуті 197Hg теж отримують лише ядерними перетвореннями. Реально здійсненними є лише реакції, основу яких лежать природні ізотопи. Як вихідні речовини для цього підходять тільки 196 Hg, 198 Hg і 194 Pt. Ці ізотопи можна було б бомбардувати розігнаними нейтронами або альфа-частинками для того, щоб прийти до наступних реакцій: 196 Hg + n= 197 Hg * + г 198 Hg + n= 197 Hg * + 2n 194 Pt + 4 He = 197 Hg * + n.
З таким же успіхом можна було б отримати ізотоп платини з 194 Pt шляхом ( n, г) - перетворення або 200 Hg шляхом ( nб) - процесу. При цьому, звичайно, не можна забувати, що природне золото і платина складаються із суміші ізотопів, так що в кожному випадку доводиться враховувати конкуруючі реакції. Чисте золото доведеться виділяти із суміші різних нуклідів і не прореагували ізотопів. Процес цей вимагатиме великих витрат. Від перетворення платини в золото взагалі доведеться відмовитися з економічних міркувань: як відомо, платина дорожча за золото.
Іншим варіантом синтезу золота є безпосереднє ядерне перетворення природних ізотопів, наприклад, за такими рівняннями: 200 Hg + р= 197 Au + 4 He 199 Hg + 2 D = 197 Au + 4 He.
Якщо природну ртуть піддати в реакторі впливу потоку нейтронів, то крім стійкого золота утворюється головним чином радіоактивне. Це радіоактивне золото (з масовими числами 198, 199 і 200) має дуже малу тривалість життя і протягом кількох днів знову перетворюється на вихідні речовини з випромінюванням бета-випромінювання: 198 Hg + n= 198 Au* + p 198 Au = 198 Hg + e- (2,7 дні). Виключити зворотне перетворення радіоактивного золота на ртуть у жодному разі не вдається: закони природи не можна обминути.
У добу атома можна зробити золото. Однак процес занадто дорогий. Золото, отримане штучно у реакторі, безцінно. А якщо йдеться про суміш радіоактивних ізотопів 198 Au і 199 Au, то через кілька днів від золотого зливка залишиться, лише калюжка ртуті.
Видатний фізик Ісаак Ньютон, крім своїх робіт у галузі теоретичної фізики, кілька десятків років займався алхімією. Більше того, він був повністю впевнений у її можливостях, і тому з іншим фізиком Робертом Бойлем вніс на розгляд британського парламенту цікавий законопроект. У ньому йшлося про заборону розголошення перетворення металів, наприклад, того, як зробити золото зі свинцю, бо це могло призвести до падіння цін на золото.
Філософський камінь та інші досліди алхіміків
На початку минулого століття у гробниці міста Фів було знайдено папірус. У ньому містилося 111 рецептів, серед яких були і методи отримання золота та срібла. Проте більшість із цих рецептів все ж таки належали до методів створення підробок або покриття ними іншого металу. Тим не менш, такий документ показує, наскільки вже тоді алхімія була поширена і захоплювала уми жадаючих легкої наживи.
Ісаак Ньютон
Відбувшись від греків та єгиптян, вона поступово захоплювала всю Європу. У Середньовіччі займалися алхімією як деякі вчені, а й особи найвищих державних і церковних чинів. Майже при кожному імператорському дворі працювали свої алхіміки, маючи намір отримати золото, ніж поліпшити стан скарбниці. Отримати золото, на їхню думку, можливо, потрібно лише якимось чином знайти чи створити філософський камінь.
Записи алхіміків на той час були туманні і важко зрозумілі. Ось, наприклад, рецепт Лулія щодо отримання такого каменю.
Пропонувалося взяти меркурій філософів та обпалювати його до отримання зеленого лева, а потім і червоного. Його вже треба було нагріти на піщаній лазні разом із кислим спиртом винограду. Отриману від випаровування камедь потрібно було перегнати з допомогою перегінного снаряда. У самому перегінному снаряді після цього залишиться щирий дракон, який розтерти на камені і доторкнутися розжареним вугіллям. Після чого знову перегнати, внаслідок виходить гаряча вода та кров – це і є еліксир.
Пізніше такий рецепт було розшифровано. Виявилося, що меркурій – це свинець, зелений лев – його окис, червоний – сурик, а чорний дракон – порошок свинцю з вугіллям. Вийшла звичайна хімічна реакція – перегонка оцтово-свинцевої солі. Таким чином, вийшли продукти, здатні відновлювати золото із розчинів його солей.
Алхімія процвітала й у середині XVII століття. Тоді було складно сказати, з якою речовиною алхіміки мали справу, а високопосадовцями такі захоплення підтримувалися, що й стимулювало розвиток. Багато королів та імператорів і самі були алхіміками і, до речі, багато проведених ними перетворення - не зовсім обман. Просто, швидше за все, у вихідній речовині вже містилося золото у тому чи іншому вигляді.
Згодом кількість людей, які вірили в алхімію, ставало дедалі менше. Це було викликано тим, що алхіміки оголосили філософський камінь у вигляді всіх хвороб. І коли це не виправдовувалося на практиці, люди починали сумніватися у алхімії.
Проте деякі перетворення металів тоді ще пояснити не могли. Досвіди багатьох давали золото. Це було пов'язано з тим, що деякі з природних руд містять у собі якусь кількість золота спочатку. І через різні хімічні реакції його вдавалося очистити.
В 1709 відомий алхімік Гобмерг отримав золото, розплавляючи срібло з сурм'яною рудою. Золота на виході виявилося зовсім небагато, але він був певен, що знайшов секрет перетворення металів. Після часу, коли змогли провести точний аналіз руди, виявилося, що певний відсоток золота там утримувався від початку.
Осадження іодиду свинцю У 1783 р. аптекар Каппель зміг перетворити на золото срібло за допомогою миш'яку. Секрет його досвіду виявився подібним: золото містилося в миш'яковистій руді.
Ядерні перетворення.
Після відкриття атома і реакцій з його перетворення золотом зайнялися фізики-ядерники. І в 1935 році фізик Демпстер вивчав мас-спектографічні дані золота і дійшов висновку, що існує тільки один стабільний ізотоп цього металу, з масовим числом 197. Це означало, що потрібно шукати таку ядерну реакцію, яка дасть на виході саме цей ізотоп.
У 1940 році багато лабораторій почали вивчати це питання докладніше. Вони проводили досліди з бомбардування швидкими нейтронами сусідніх із золотом елементів у таблиці Менделєєва, платини та ртуті. Через рік американські фізики Шерр та Бейнбрідж доповіли про успішні результати: бомбардуючи атоми ртуті швидкими нейтронами, вони отримали золото.
Але ізотопи мали масові числа 198, 199 та 200. Таким чином, вони не зовсім досягли результату, золото отримали, але воно існувало короткий проміжок часу. Отже, сучасні прихильники алхімії не мали приводу тріумфувати, а експерименти необхідно було продовжувати.
З дослідів Шерра і Бейнбріджа зробили висновок, що ізотопи золота отримано з атомів ртуті з відповідними атомними числами. І таке припущення здавалося виправданим. Імовірність здійснення ядерної реакції визначається ефективним перетином захоплення ядра по відношенню до частки, що його бомбардує.
Таким чином, було показано, що атоми ртуті з масовими числами 196 і 199 мають найбільше шансів перетворитися на золото. І після проведення реакції вони справді його отримали. 100 г ртуті перетворили на 35 мкг золота. У 1950 році французький журнал «Атоми» написав, що ціна такого золота вийшла набагато вищою за ринкову через дорожнечу ядерних перетворень. Тому популярності воно не набуло.
Отримання золота-197 (його стабільного ізотопу) можна було б теоретично здійснити шляхом перетворення певних ізотопів сусідніх елементів. Згідно з картою нуклідів, золото-197 можна отримати з ртуті з таким самим масовим числом. А також можна було б отримати з талію-201, якби цей елемент мав альфа-розпад чого немає.
Залишається ізотоп ртуті-197, якого у природі немає. Його можна було б отримати з талію-197 або свинцю-197. Це була б єдина можлива реакція перетворення на свинець. Але тут з'являється нова загвоздка. Справа в тому, що такого ізотопу немає, його потрібно спочатку створити шляхом ядерних перетворень.
Таким чином, чисто теоретично отримати із свинцю золото можливо. А на практиці його можна здобути перетвореннями ртуті. Але такий процес має надто високу вартість, що робить отриманий метал «безцінним».
У 1935 році американському фізику Артуру Демпстер вдалося провести мас-спектрографічне визначення ізотопів, що містяться в природному урані. У ході дослідів Демпстер вивчив також ізотопний склад золота та виявив лише один ізотоп – золото-197. Жодних вказівок на існування золота-199 не було. Деякі вчені припускали, що має бути важкий ізотоп золота, бо золоту тоді приписували відносну атомну масу 197,2. Проте золото є моноізотопним елементом. Тому бажаючим штучним шляхом отримати цей омріяний шляхетний метал всі зусилля необхідно спрямувати на синтез єдиного стійкого ізотопу - золота-197.
Звістки про успішні досліди з виготовлення штучного золота завжди викликали занепокоєння у фінансових та правлячих колах. Так було за часів римських правителів, так і тепер. Тож не дивно, що сухий звіт про дослідження Національної лабораторії у Чикаго групи професора Демпстера ще недавно викликав збудження у капіталістичному фінансовому світі: в атомному реакторі можна з ртуті отримати золото! Це - останній і переконливий випадок алхімічного перетворення.
Почалося це ще 1940 року, коли в деяких лабораторіях ядерної фізики почали бомбардувати швидкими нейтронами, отриманими за допомогою циклотрону, сусідні із золотом елементи – ртуть та платину. На нараді американських фізиків у Нешвіллі у квітні 1941 року А. Шерр та К. Т. Бейнбрідж з Гарвардського університету доповіли про успішні результати таких дослідів. Вони направили розігнані дейтрони на літієву мішень і отримали потік швидких нейтронів, використаний для бомбардування ядер ртуті. Внаслідок ядерного перетворення було отримано золото! Три нових ізотопи з масовими числами 198, 199 і 200. Проте ці ізотопи були настільки стійкими, як природний ізотоп - золото-197. Випускаючи бета-промені, вони через кілька годин або днів знову перетворювалися на стійкі ізотопи ртуті з масовими числами 198, 199 і 200. Отже, у сучасних прихильників алхімії не було приводу для тріумфування. Золото, яке знову перетворюється на ртуть, нічого не варте: це оманливе золото. Проте вчені раділи успішному перетворенню елементів. Вони змогли розширити свої знання про штучні ізотопи золота.
В основі "трансмутації", проведеної Шерром та Бейнбріджем, лежить так звана (n, p)-реакція: ядро атома ртуті, поглинаючи нейтрон n, перетворюється на ізотоп золота і при цьому виділяється протон р.
Природна ртуть містить сім ізотопів у різних кількостях: 196 (0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29) ,80%) та 204 (6,85%). Оскільки Шерр і Бейнбрідж знайшли ізотопи золота з масовими числами 198, 199 і 200, слід вважати, що останні виникли з ізотопів ртуті з тими самими масовими числами. Наприклад:
Hg + n = Au + р
Таке припущення видається виправданим - адже ці ізотопи ртуті досить поширені.
Імовірність здійснення будь-якої ядерної реакції визначається, насамперед, так званим ефективним перерізом захоплення атомного ядра по відношенню до відповідної бомбардуючий частинці. Тому співробітники професора Демпстера, фізики Інгрем, Гесс та Гайдн, намагалися точно визначити ефективний перетин захоплення нейтронів природними ізотопами ртуті. У березні 1947 року вони змогли показати, що ізотопи з масовими числами 196 і 199 мають найбільший переріз захоплення нейтронів і тому мають найбільшу ймовірність перетворення на золото. Як "побічний продукт" своїх експериментальних досліджень вони отримали... золото! Точно 35 мкг, отриманих зі 100 мг ртуті після опромінення нейтронами уповільненими в атомному реакторі. Це становить вихід 0,035 %, проте якщо знайдену кількість золота віднести лише до ртуті-196, то вийде солідний вихід 24 %, бо золото-197 утворюється лише із ізотопу ртуті з масовим числом 196.
З швидкими нейтронами часто протікають (n, р)-реакції, і з повільними нейтронами - переважно (n,()-перетворення. Золото, відкрите співробітниками Демпстера, утворилося так:
Hg + n = Hg * + (
Hg* + e[-] = Au
Утворена по (n,()-процесу нестійка ртуть-197 перетворюється на стійке золото-197 в результаті К-захоплення (електрона з К-оболонки свого власного атома).
Таким чином, Інгрем, Гесс та Гайдн синтезували в атомному реакторі відчутні кількості штучного золота! Незважаючи на це, їхній "синтез золота" нікого не стривожив, оскільки про нього дізналися лише вчені, які ретельно стежили за публікаціями у "Фізикл ревью". Звіт був коротким і напевно недостатньо цікавим для багатьох через своє заголовок, що ні про що не говорить: "Neutron cross-sections for mercury isotopes" (Ефективні перерізи захоплення нейтронів ізотопами ртуті). Однак нагоди вийшло завгодно, щоб через два роки, у 1949 році, надто ревнощі підхопив це суто наукове повідомлення і в крикливо-ринковій манері проголосив у світовій пресі про виробництво золота в атомному реакторі. Після цього у Франції сталася велика плутанина при котируванні золота на біржі. Здавалося, що події розвиваються саме так, як уявляв Рудольф Дауман, який передбачив у своєму фантастичному романі "кінець золота".
Однак штучне золото, отримане в атомному реакторі, змушувало себе чекати. Воно не збиралося затоплювати ринки світу. До речі, професор Демпстер у цьому не сумнівався. Поступово французький ринок капіталу знову заспокоївся. У цьому вся не остання заслуга французького журналу " Атоми " , який у січневому номері 1950 року помістив статтю: " La transmutation du mercure en or " (Трансмутація ртуті в золото).
Хоча журнал у принципі визнавав можливість отримання золота з ртуті методом ядерної реакції, проте своїх читачів він запевняв у наступному: ціна такого штучного благородного металубуде набагато вище, ніж природного золота, здобутого з найбідніших золотих руд!
Співробітники Демпстера не могли відмовити собі в задоволенні - отримати в реакторі певну кількість такого штучного золота. З тих пір цей маленький цікавий експонат прикрашає музей Чикаго науки і промисловості. Цим раритетом – свідченням мистецтва "алхіміків" в атомну еру – можна було помилуватися під час Женевської конференції у серпні 1955 року.
З погляду ядерної фізики можливі кілька перетворень атомів на золото. Ми нарешті відкриємо таємницю філософського каменю та розповімо, як можна зробити золото. Підкреслимо при цьому, що єдиний можливий шлях – це перетворення ядер. Всі інші рецепти класичної алхімії, що дійшли до нас, нічого не варті, вони призводять лише до обману.
Стійке золото, Au можна було б отримати шляхом радіоактивного розпаду певних ізотопів сусідніх елементів. Цьому нас навчає так звана карта нуклідів, в якій представлені всі відомі ізотопи та можливі напрямки їхнього розпаду. Так, золото-197 утворюється з ртуті-197, що випромінює бета-промені, або з такої ртуті шляхом К-захоплення. Можна було б отримати золото з талію-201, якби цей ізотоп випускав альфа-промені. Проте цього немає. Як отримати ізотоп ртуті з масовим числом 197, якого немає в природі? Чисто теоретично його можна отримати з талію-197, а останній – зі свинцю-197. Обидва нукліди мимоволі із захопленням електрона перетворюються відповідно на ртуть-197 та талій-197. Практично це була б єдина, хоч і тільки теоретична, можливість зробити золото зі свинцю. Проте свинець-197 також лише штучний ізотоп, який треба спочатку отримати ядерною реакцією. Із природним свинцем справа не піде.
Ізотопи платини Pt і ртуті Hg теж отримують лише ядерними перетвореннями. Реально здійсненними є лише реакції, основу яких лежать природні ізотопи. Як вихідні речовини для цього підходять тільки Hg, Hg і Pt. Ці ізотопи можна було б бомбардувати розігнаними нейтронами або альфа-частинками для того, щоб прийти до наступних реакцій:
Hg + n = Hg * + (
Hg + n = Hg * + 2n
Pt + He = Hg * + n
З таким же успіхом можна було б отримати ізотоп платини з Pt шляхом (n, ()-перетворення або з Hg шляхом (n, () -процесу). При цьому, звичайно, не можна забувати, що природне золото і платина складаються з суміші ізотопів , Так що в кожному випадку доводиться враховувати конкуруючі реакції Чисте золото доведеться врешті-решт виділяти з суміші різних нуклідів і ізотопів, що не прореагували, Процес цей вимагатиме великих витрат Від перетворення платини в золото взагалі доведеться відмовитися з економічних міркувань: як відомо, платина дорожче золото.
Іншим варіантом синтезу золота є безпосереднє ядерне перетворення природних ізотопів, наприклад, за такими рівняннями:
Hg + р = Au + He
Hg + d = Au + He
До золота-197 привів би також ((, р)-процес (ртуть-198), ((, р)-процес (платина-194) або (р, () або (d, n)-перетворення (платина-196) ) Питання полягає лише в тому, чи можливо це практично, а якщо так, то чи рентабельно це взагалі з згаданих причин. у циклотроні – такий метод, як відомо, дає лише крихітні виходи речовин.
Якщо природну ртуть піддати в реакторі впливу потоку нейтронів, то крім стійкого золота утворюється головним чином радіоактивне. Це радіоактивне золото (з масовими числами 198, 199 і 200) має дуже малу тривалість життя і протягом декількох днів знову перетворюється на вихідні речовини з випромінюванням бета-випромінювання:
Hg + n = Au * + p
Au = Hg + e[-] (2,7 дні)
Виключити зворотне перетворення радіоактивного золота на ртуть, тобто розірвати цей Circulus vitiosus, у жодному разі не вдається: закони природи не можна обминути.
У умовах менш складним, ніж " алхімія " , здається синтетичне отримання дорогого шляхетного металу - платини. Якби вдалося направити бомбардування нейтронами в реакторі так, щоб відбувалися переважно (n,()-перетворення, то можна було б сподіватися отримати з ртуті значну кількість платини: всі поширені ізотопи ртуті - Hg, Hg, Hg - перетворюються на стійкі ізотопи платини - Pt, Pt і Pt Звичайно, і тут дуже складний процес виділення синтетичної платини.
Фредерік Содді ще 1913 року запропонував шлях отримання золота ядерним перетворенням талію, ртуті чи свинцю. Однак тоді вчені нічого не знали про ізотопний склад цих елементів. Якби запропонований Содді процес відщеплення альфа- та бета-частинок міг бути здійснений, слід виходити з ізотопів Tl, Hg, Pb. З них у природі існує лише ізотоп Hg, змішаний з іншими ізотопами цього елемента та хімічно нероздільний. Отже, рецепт Содді був неможливий.
Те, що не вдається навіть видатному досліднику атома, не зможе, звичайно, здійснити профан. Письменник Дауман у своїй книзі "Кінець золота", що вийшла в 1938 році, повідомив нам рецепт, як перетворити вісмут на золото: відщеплення двох альфа-частинок від ядра вісмуту за допомогою рентгенівських променів великої енергії. Така ((, 2()-реакція не відома і дотепер. Крім цього, гіпотетичне перетворення
Bi + (= Au + 2 (
не може йти і з іншої причини: немає стійкого ізотопу Bi. Вісмут – моноізотопний елемент! Єдиний природний ізотоп вісмуту з масовим числом 209 може дати за принципом реакції Даумана - тільки радіоактивне золото-201, яке з періодом піврозпаду 26 хв знову перетворюється на ртуть. Як бачимо, герой роману Даумана, вчений Баргенгронд, не міг отримати золото!
Тепер нам відомо, як насправді отримати золото. Озброєні знанням ядерної фізики ризикнемо на уявний експеримент: 50 кг ртуті перетворимо на атомний реактор на повноважне золото - на золото-197. Справжнє золото виходить із ртуті-196. На жаль, цього ізотопу міститься у ртуті лише 0,148 %. Отже, в 50 кг ртуті є лише 74 г ртуті-196, і тільки таку кількість ми можемо трансмутувати в справжнє золото.
Спочатку будемо оптимістами і припустимо, що ці 74 г ртуті-196 можна перетворити на таку ж кількість золота-197, якщо ртуть бомбардування нейтронами в сучасному реакторі продуктивністю 10 нейтронів/(см*с). Уявімо собі 50 кг ртуті, тобто 3,7 л, у вигляді кулі, поміщеної в реактор, тоді на поверхню ртуті, що дорівнює 1157 см, щосекунди буде впливати потік 1,16 * 10 нейтронів. З них на 74 г ізотопу-196 впливають 0,148%, або 1,69*10 нейтронів. Для спрощення приймемо далі, що кожен нейтрон викликає перетворення Hg Hg *, з якої захопленням електрона утворюється Au.
Отже, у нашому розпорядженні є 1,69*10 нейтронів за секунду для того, щоб перетворити атоми ртуті-196. Скільки ж це, власне, атомів? Один моль елемента, тобто 197 г золота, 238 г урану, 4 г гелію, містить 6,022*10 атомів. Приблизне уявлення про це гігантське число ми зможемо отримати лише на основі наочного порівняння. Наприклад, такого: уявімо, що все населення земної кулі 1990 року - приблизно 6 мільярдів людей - приступило до підрахунку цієї кількості атомів. Кожен рахує по одному атому за секунду. За першу секунду порахували б 6 * 10 атомів, за дві секунди - 12 * 10 атомів і т.д. Відповідь приголомшує: близько 3200000 років!
74 г ртуті-196 містять 2,27*10 атомів. У секунду з цим потоком нейтронів ми можемо трансмутувати 1,69 * 10 атомів ртуті. Скільки часу потрібно для перетворення всієї кількості ртуті-196? Ось відповідь: знадобиться інтенсивне бомбардування нейтронами з реактора з великим потоком протягом чотирьох з половиною років! Ці величезні витрати ми повинні зробити, щоб з 50 кг ртуті зрештою отримати лише 74 г золота, і таке синтетичне золото ще треба відокремити від радіоактивних ізотопів золота, ртуті та ін.
Так, це так, у вік атома можна зробити золото. Однак процес занадто дорогий. Золото, отримане штучно у реакторі, безцінно. Найпростіше було б продавати як "золоту" суміш його радіоактивних ізотопів. Може, письменники-фантасти спокусяться на вигадки за участю цього "дешевого" золота?
"Mare tingerem, si mercuris esset" (Я море перетворив би на золото, якби воно складалося з ртуті). Це хвалькувате висловлювання приписували алхіміку Раймундусу Луллусу. Припустимо, що ми перетворили не море, але велика кількістьртуті 100 кг золота в атомному реакторі. Зовні не відрізняється від природного, лежить перед нами це радіоактивне золото у вигляді блискучих злитків. З точки зору хімії це теж чисте золото. Якийсь Крез купує ці зливки за подібною, як вважає, ціною. Він і не підозрює, що насправді йдеться про суміш радіоактивних ізотопів Au і Au, період напіврозпаду яких становить від 65 до 75 год. Можна уявити цього скнару, який побачив, що його золотий скарб буквально витікає крізь пальці. За кожні три дні його майно зменшується наполовину, і він не в змозі це запобігти; через тиждень від 100 кг золота залишиться лише 20 кг, через десять періодів напіврозпаду (30 днів) – практично нічого (теоретично це ще 80 г). У скарбниці залишилася лише велика калюжа ртуті. Оманливе золото алхіміків!
У 1935 році американському фізику Артуру Демпстер вдалося провести мас-спектрографічне визначення ізотопів, що містяться в природному урані. У ході дослідів Демпстер вивчив також ізотопний склад золота та виявив лише один ізотоп – золото-197. Жодних вказівок на існування золота-199 не було. Деякі вчені припускали, що має бути важкий ізотоп золота, бо золоту тоді приписували відносну атомну масу 197,2. Проте золото є моноізотопним елементом. Тому бажаючим штучним шляхом отримати цей омріяний шляхетний метал всі зусилля необхідно спрямувати на синтез єдиного стійкого ізотопу - золота-197.
Звістки про успішні досліди з виготовлення штучного золота завжди викликали занепокоєння у фінансових та правлячих колах. Так було за часів римських правителів, так і тепер. Тож не дивно, що сухий звіт про дослідження Національної лабораторії у Чикаго групи професора Демпстера ще недавно викликав збудження у капіталістичному фінансовому світі: в атомному реакторі можна з ртуті отримати золото! Це останній і переконливий випадок алхімічного перетворення.
Почалося це ще 1940 року, коли в деяких лабораторіях ядерної фізики почали бомбардувати швидкими нейтронами, отриманими за допомогою циклотрону, сусідні із золотом елементи – ртуть та платину. На нараді американських фізиків у Нешвіллі у квітні 1941 року А. Шерр та К. Т. Бейнбрідж з Гарвардського університету доповіли про успішні результати таких дослідів. Вони направили розігнані дейтрони на літієву мішень і отримали потік швидких нейтронів, використаний для бомбардування ядер ртуті. Внаслідок ядерного перетворення було отримано золото! Три нових ізотопи з масовими числами 198, 199 і 200. Проте ці ізотопи були настільки стійкими, як природний ізотоп - золото-197. Випускаючи бета-промені, вони через кілька годин або днів знову перетворювалися на стійкі ізотопи ртуті з масовими числами 198, 199 і 200. Золото, яке знову перетворюється на ртуть, нічого не варте: це оманливе золото. Проте вчені раділи успішному перетворенню елементів. Вони змогли розширити свої знання про штучні ізотопи золота.
В основі "трансмутації", проведеної Шерром та Бейнбріджем, лежить так звана (n, p)-реакція: ядро атома ртуті, поглинаючи нейтрон n, перетворюється на ізотоп золота і при цьому виділяється протон р.
Природна ртуть містить сім ізотопів у різних кількостях: 196 (0,146%), 198 (10,02%), 199 (16,84%), 200 (23,13%), 201 (13,22%), 202 (29) ,80%) та 204 (6,85%). Оскільки Шерр і Бейнбрідж знайшли ізотопи золота з масовими числами 198, 199 і 200, слід вважати, що останні виникли з ізотопів ртуті з тими самими масовими числами.
Наприклад:
Таке припущення видається виправданим - адже ці ізотопи ртуті досить поширені.
Імовірність здійснення будь-якої ядерної реакції визначається, насамперед, так званим ефективним перерізом захоплення атомного ядра по відношенню до відповідної бомбардуючий частинці. Тому співробітники професора Демпстера, фізики Інгрем, Гесс та Гайдн, намагалися точно визначити ефективний перетин захоплення нейтронів природними ізотопами ртуті. У березні 1947 року вони змогли показати, що ізотопи з масовими числами 196 і 199 мають найбільший переріз захоплення нейтронів і тому мають найбільшу ймовірність перетворення на золото. Як "побічний продукт" своїх експериментальних досліджень вони отримали золото! Точно 35 мкг, отриманих зі 100 мг ртуті після опромінення нейтронами уповільненими в атомному реакторі. Це становить вихід 0,035 %, проте якщо знайдену кількість золота віднести лише до ртуті-196, то вийде солідний вихід 24 %, бо золото-197 утворюється лише із ізотопу ртуті з масовим числом 196.
З швидкими нейтронами часто протікають (n, р)-реакції, і з повільними нейтронами - переважно (n,()-перетворення. Золото, відкрите співробітниками Демпстера, утворилося так:
Утворена по (n,()-процесу нестійка ртуть-197 перетворюється на стійке золото-197 в результаті К-захоплення (електрона з К-оболонки свого власного атома).
Таким чином, Інгрем, Гесс та Гайдн синтезували в атомному реакторі відчутні кількості штучного золота! Незважаючи на це, їхній "синтез золота" нікого не стривожив, оскільки про нього дізналися лише вчені, які ретельно стежили за публікаціями у "Фізикл ревью". Звіт був коротким і напевно недостатньо цікавим для багатьох через своє заголовок, що ні про що не говорить: "Neutron cross-sections for mercury isotopes" (Ефективні перерізи захоплення нейтронів ізотопами ртуті). Однак нагоди вийшло завгодно, щоб через два роки, у 1949 році, надто ревнощі підхопив це суто наукове повідомлення і в крикливо-ринковій манері проголосив у світовій пресі про виробництво золота в атомному реакторі. Після цього у Франції сталася велика плутанина при котируванні золота на біржі. Здавалося, що події розвиваються саме так, як уявляв Рудольф Дауман, який передбачив у своєму фантастичному романі "кінець золота".
Однак штучне золото, отримане в атомному реакторі, змушувало себе чекати. Воно не збиралося затоплювати ринки світу. До речі, професор Демпстер у цьому не сумнівався. Поступово французький ринок капіталу знову заспокоївся. У цьому вся не остання заслуга французького журналу " Атоми " , який у січневому номері 1950 року помістив статтю: " La transmutation du mercure en or " (Трансмутація ртуті в золото).
Хоча журнал у принципі визнавав можливість отримання золота з ртуті методом ядерної реакції, однак своїх читачів він запевняв у наступному: ціна такого штучного благородного металу буде у багато разів вищою, ніж природного золота, здобутого з найбідніших золотих руд!
Співробітники Демпстера не могли відмовити собі в задоволенні - отримати в реакторі певну кількість такого штучного золота. З тих пір цей маленький цікавий експонат прикрашає музей Чикаго науки і промисловості. Цим раритетом – свідченням мистецтва "алхіміків" в атомну еру – можна було помилуватися під час Женевської конференції у серпні 1955 року.
З погляду ядерної фізики можливі кілька перетворень атомів на золото. Ми нарешті відкриємо таємницю філософського каменю та розповімо, як можна зробити золото. Підкреслимо при цьому, що єдиний можливий шлях – це перетворення ядер. Всі інші рецепти класичної алхімії, що дійшли до нас, нічого не варті, вони призводять лише до обману.
Стійке золото, Au можна було б отримати шляхом радіоактивного розпаду певних ізотопів сусідніх елементів. Цьому нас навчає так звана карта нуклідів, в якій представлені всі відомі ізотопи та можливі напрямки їхнього розпаду. Так, золото-197 утворюється з ртуті-197, що випромінює бета-промені, або з такої ртуті шляхом К-захоплення. Можна було б отримати золото з талію-201, якби цей ізотоп випускав альфа-промені. Проте цього немає. Як отримати ізотоп ртуті з масовим числом 197, якого немає в природі? Чисто теоретично його можна отримати з талію-197, а останній – зі свинцю-197. Обидва нукліди мимоволі із захопленням електрона перетворюються відповідно на ртуть-197 та талій-197. Практично це була б єдина, хоч і тільки теоретична, можливість зробити золото зі свинцю. Проте свинець-197 також лише штучний ізотоп, який треба спочатку отримати ядерною реакцією. Із природним свинцем справа не піде.
Ізотопи платини Pt і ртуті Hg теж отримують лише ядерними перетвореннями. Реально здійсненними є лише реакції, основу яких лежать природні ізотопи. Як вихідні речовини для цього підходять тільки Hg, Hg і Pt. Ці ізотопи можна було б бомбардувати розігнаними нейтронами або альфа-частинками для того, щоб прийти до наступних реакцій:
З таким же успіхом можна було б отримати ізотоп платини з Pt шляхом (n, ()-перетворення або з Hg шляхом (n, () -процесу). При цьому, звичайно, не можна забувати, що природне золото і платина складаються з суміші ізотопів , Так що в кожному випадку доводиться враховувати конкуруючі реакції Чисте золото доведеться врешті-решт виділяти з суміші різних нуклідів і ізотопів, що не прореагували, Процес цей вимагатиме великих витрат Від перетворення платини в золото взагалі доведеться відмовитися з економічних міркувань: як відомо, платина дорожче золото.
Іншим варіантом синтезу золота є безпосереднє ядерне перетворення природних ізотопів, наприклад, за такими рівняннями:
До золота-197 привів би також ((, р)-процес (ртуть-198), ((, р)-процес (платина-194) або (р, () або (d, n)-перетворення (платина-196) ) Питання полягає лише в тому, чи можливо це практично, а якщо так, то чи рентабельно це взагалі з згаданих причин. у циклотроні – такий метод, як відомо, дає лише крихітні виходи речовин.
Якщо природну ртуть піддати в реакторі впливу потоку нейтронів, то крім стійкого золота утворюється головним чином радіоактивне. Це радіоактивне золото (з масовими числами 198, 199 і 200) має дуже малу тривалість життя і протягом декількох днів знову перетворюється на вихідні речовини з випромінюванням бета-випромінювання:
Au Hg + e[-] (2,7 дні)
Виключити зворотне перетворення радіоактивного золота на ртуть, тобто розірвати цей Circulus vitiosus (порочне коло), у жодному разі не вдається: закони природи не можна обминути.
У умовах менш складним, ніж " алхімія " , здається синтетичне отримання дорогого шляхетного металу - платини. Якби вдалося направити бомбардування нейтронами в реакторі так, щоб відбувалися переважно (n, ()-перетворення, то можна було б сподіватися отримати з ртуті значну кількість платини: всі поширені ізотопи ртуті -Hg, Hg, Hg - перетворюються на стійкі ізотопи платини - Pt, Pt і Pt Звичайно, і тут дуже складний процес виділення синтетичної платини.
Фредерік Содді ще 1913 року запропонував шлях отримання золота ядерним перетворенням талію, ртуті чи свинцю. Однак тоді вчені нічого не знали про ізотопний склад цих елементів. Якби запропонований Содді процес відщеплення альфа- та бета-частинок міг бути здійснений, слід виходити з ізотопів Tl, Hg, Pb. З них у природі існує лише ізотоп Hg, змішаний з іншими ізотопами цього елемента та хімічно нероздільний. Отже, рецепт Содді був неможливий.
Те, що не вдається навіть видатному досліднику атома, не зможе, звичайно, здійснити профан. Письменник Дауман у своїй книзі "Кінець золота", що вийшла в 1938 році, повідомив нам рецепт, як перетворити вісмут на золото: відщеплення двох альфа-частинок від ядра вісмуту за допомогою рентгенівських променів великої енергії. Така ((, 2()-реакція не відома і дотепер. Крім цього, гіпотетичне перетворення
не може йти і з іншої причини: немає стійкого ізотопу Bi. Вісмут – моноізотопний елемент! Єдиний природний ізотоп вісмуту з масовим числом 209 може дати за принципом реакції Даумана - тільки радіоактивне золото-201, яке з періодом піврозпаду 26 хв знову перетворюється на ртуть. Як бачимо, герой роману Даумана, вчений Баргенгронд, не міг отримати золото!
Тепер нам відомо, як насправді отримати золото.Озброєні знанням ядерної фізики ризикнемо на уявний експеримент: 50 кг ртуті перетворимо на атомний реактор на повноважне золото - на золото-197. Справжнє золото виходить із ртуті-196. На жаль, цього ізотопу міститься у ртуті лише 0,148 %. Отже, в 50 кг ртуті є лише 74 г ртуті-196, і тільки таку кількість ми можемо трансмутувати в справжнє золото.
Спочатку будемо оптимістами і припустимо, що ці 74 г ртуті-196 можна перетворити на таку ж кількість золота-197, якщо ртуть бомбардування нейтронами в сучасному реакторі продуктивністю 10 нейтронів/(см*с). Уявімо собі 50 кг ртуті, тобто 3,7 л, у вигляді кулі, поміщеної в реактор, тоді на поверхню ртуті, що дорівнює 1157 см, щосекунди буде впливати потік 1,16 * 10 нейтронів. З них на 74 г ізотопу-196 впливають 0,148%, або 1,69*10 нейтронів. Для спрощення приймемо далі, що кожен нейтрон викликає перетворення Hg Hg *, з якої захопленням електрона утворюється Au.
Отже, у нашому розпорядженні є 1,69*10 нейтронів за секунду для того, щоб перетворити атоми ртуті-196. Скільки ж це, власне, атомів? Один моль елемента, тобто 197 г золота, 238 г урану, 4 г гелію, містить 6,022*10 атомів. Приблизне уявлення про цю гігантську кількість ми зможемо отримати лише на основі наочного порівняння - сайт. Наприклад, такого: уявімо, що все населення земної кулі 1990 року - приблизно 6 мільярдів людей - приступило до підрахунку цієї кількості атомів. Кожен рахує по одному атому за секунду. За першу секунду порахували б 6 * 10 атомів, за дві секунди - 12 * 10 атомів і т.д. Відповідь приголомшує: близько 3200000 років!
74 г ртуті-196 містять 2,27*10 атомів. У секунду з цим потоком нейтронів ми можемо трансмутувати 1,69 * 10 атомів ртуті. Скільки часу потрібно для перетворення всієї кількості ртуті-196? Ось відповідь: знадобиться інтенсивне бомбардування нейтронами з реактора з великим потоком протягом чотирьох з половиною років! Ці величезні витрати ми повинні зробити, щоб з 50 кг ртуті зрештою отримати лише 74 г золота, і таке синтетичне золото ще треба відокремити від радіоактивних ізотопів золота, ртуті та ін.
Так, це так, у вік атома можна зробити золото. Однак процес занадто дорогий. Золото, отримане штучно у реакторі, безцінно. Найпростіше було б продавати як "золоту" суміш його радіоактивних ізотопів. Може, письменники-фантасти спокусяться на вигадки за участю цього "дешевого" золота?
"Mare tingerem, si mercuris esset" (Я море перетворив би на золото, якби воно складалося з ртуті). Це хвалькувате висловлювання приписували алхіміку Раймундусу Луллусу. Припустимо, що ми перетворили не море, але велику кількість ртуті на 100 кг золота в атомному реакторі.
Зовні не відрізняється від природного, лежить перед нами це радіоактивне золото у вигляді блискучих злитків. З точки зору хімії це теж чисте золото. Якийсь Крез купує ці зливки за подібною, як вважає, ціною. Він і не підозрює, що насправді йдеться про суміш радіоактивних ізотопів Au і Au, період напіврозпаду яких становить від 65 до 75 год. Можна уявити цього скнару, який побачив, що його золотий скарб буквально витікає крізь пальці. За кожні три дні його майно зменшується наполовину, і він не в змозі це запобігти; через тиждень від 100 кг золота залишиться лише 20 кг, через десять періодів напіврозпаду (30 днів) – практично нічого (теоретично це ще 80 г). У скарбниці залишилася лише велика калюжа ртуті. Оманливе золото алхіміків!
