自然科普:金屬中的貴族—黃金
發布時間:2023-06-02
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黃金,一種象征著神聖、財富、權利和榮譽的“高貴”金屬。自從(cong) 人類在12000多年前發現黃金以來,人們(men) 對其追求的熱情便從(cong) 未消減。史前人類對這種能夠散發出太陽般光芒和色澤的黃金進行膜拜,將其視為(wei) 神的化身。物以稀為(wei) 貴,曆代帝王將其占為(wei) 己有,並逐漸將其發展為(wei) 權利和財富的象征。

隨著人類社會(hui) 不斷發展,黃金也不再被“神化”和“權化”,開始轉向至高無上的榮譽象征。現今,黃金除了榮譽這種精神象征以外,其在世界貨幣與(yu) 經濟、飾品、電子工業(ye) 、醫學等領域發揮著不可替代的作用。人們(men) 對黃金的認識和利用映射出人類從(cong) 原始到現代、從(cong) 愚昧到文明的曆史變化,可以說沒有任何一種物質能夠像黃金一樣在人類曆史進程中留下如此深刻的烙印,讓我們(men) 一起走進黃金,了解黃金的迷人魔力。

一、金的自我介紹

金的化學符號Au,源於(yu) 拉丁語中的黃金詞語“Aurum”,意思是“燦爛的黎明”(參考《黃金的曆史》)。Au位於(yu) 元素周期表第一副族,質子數為(wei) 79,原子量為(wei) 197,原子半徑為(wei) 1.79 Å。Au在自然界隻有一種同位素,麵心立方結構,熔點1064℃,沸點2966℃。Au原子之間的鍵合方式為(wei) 金屬鍵,這種鍵合方式會(hui) 造成Au原子核“暢遊”在電子“海洋”中(電子海模型),使其具有強延展性和高導電性。同時,Au原子核對電子的吸引力非常強,核外電子若想停留在自己的軌道上,其運行速度需達到光速的一半,高速運行的電子會(hui) 使其軌道發生變形(相對論效應),一些原本應該吸收紫外光譜中的光轉而吸收藍色光,反射光譜中的其餘(yu) 光,這些反射的光混合一起就形成特有的金色。Au原子之間的鍵合強度使其原子鍵不易斷開或與(yu) 其他元素發生作用,使得黃金青春永駐,絕不褪色。

二、金的來源

黃金是怎麽(me) 出現的?現代科技可以造金嗎?

科學家們(men) 發現重元素可由輕元素聚合而成,其產(chan) 出過程是利用恒星這座元素加工廠,通過核聚變將元素由氫變成氦,最後一直演變到鐵(Fe)為(wei) 止。因為(wei) Fe-56的比結合能是原子當中最高的,這也讓Fe失去了再發生核聚變的可能。Au的原子序數遠大於(yu) Fe,要產(chan) 生比Fe更重的元素,需要在極高的溫度和壓力通過中子俘獲的方式實現,也就是超新星爆發。80%Au是由該途徑產(chan) 生,剩下的20%則通過中子星合並方式實現。通過超新星爆發和中子星合並產(chan) 生的Au90%以上都藏在了地核裏,其次是地幔,最少的是地殼(不到1%)。目前人類開采的黃金62%來源於(yu) 礫岩型和造山型金礦,13%為(wei) 淺成低溫熱液型金礦,10%為(wei) 斑岩型金礦,8%為(wei) 卡林型金礦等(Frimmel2008)。

盡管金礦的種類不少,但是將這些金礦石轉變成金燦燦的黃金談何容易。砂金是大自然通過河水衝(chong) 刷,將金礦石進行了一次金提純,因此是所有這些金礦中相對好開采的(Falconer and Craw, 2009)。日常所聽說的狗頭金,其本質便是砂金。世界上最大的狗頭金歡迎你陌生人Welcome stranger)於(yu) 1869年在澳大利亞(ya) 維多利亞(ya) 州被發現,人們(men) 從(cong) 這塊狗頭金中提煉出71 KgAu(參考《Gold nature and culture》)。

除了砂金礦石中為(wei) 肉眼可見的較為(wei) 純淨的Au顆粒外,其他類型金礦中的Au,大多(異常富集的金礦體(ti) 除外)需要借助像放大鏡、光學顯微鏡、電子顯微鏡等儀(yi) 器才能觀察到。這些金礦中的Au最喜歡與(yu) 石英、賤金屬硫化物做朋友,總是相伴出現。

特別有意思的是卡林型金礦,其金的賦存狀態為(wei) 不可見Au(顯微鏡和掃描電鏡均未能觀察到),Au隱藏在其宿主礦物黃鐵礦的晶格中,不容易被人們(men) 所發現(Xie等,2018;Pokrovski等,2019)。

四、黃金的用途

黃金因為(wei) 其稀有性、優(you) 良的物理化學性質(如:色澤靚麗(li) 、延展性好、質地軟、抗腐蝕)和人文屬性而被廣泛應用到世界貨幣和經濟、飾品、電子工業(ye) 、醫學、化學試劑等領域(原始數據來源於(yu) 世界黃金協會(hui) )。

世界貨幣和經濟:馬克思在《資本論》裏提到“貨幣天然是金銀”,這句話強調了金銀能作為(wei) 貨幣的屬性。黃金具有體(ti) 積小價(jia) 值大,抗磨損和耐腐蝕,容易分割等優(you) 點,是其他金屬所不能同時具備的,確保了黃金的穩定流通。近十年所開采的黃金中每年有約568噸被世界各國央行所儲(chu) 備(2013—2022年平均值,世界黃金協會(hui) 數據)。這進一步表明黃金在世界貨幣與(yu) 經濟中扮演了越來越重要的角色。

黃金滿足硬通貨應具有的基本特性:國際信用好、幣值穩定、匯價(jia) (匯率)堅挺,因而能成為(wei) 世界硬通貨。

國際信用方麵,古今中外,在漫長的曆史歲月中,人們(men) 對黃金產(chan) 生了信任。黃金是貨幣信譽的支撐,推動了貨幣的國際化。

幣值穩定方麵,信用貨幣(主要為(wei) 紙幣)的發行量可以人為(wei) 操作,通貨膨脹或者金融市場的動蕩也會(hui) 造成貶值,而黃金則不一樣,由於(yu) 無法高效且經濟地通過物理或者化學方法合成,加上儲(chu) 量和產(chan) 量有限,這使得其價(jia) 值相對穩定。

匯價(jia) (匯率)堅挺方麵,即使在世界經濟疲軟、股市動蕩等條件下,黃金仍表現出強勁勢頭。世界黃金協會(hui) 數據表明,在近12年間金價(jia) 起起伏伏,但無論經曆如何的低穀,金價(jia) 仍舊會(hui) 高漲,堅挺不倒,是可靠的抗風險投資(圖6a)。

現今所開采的黃金中大約有一半被製作成首飾,如:項鏈(圖6b)、戒指等。黃金之所以被廣泛用於首飾中,和其本身的物理化學性質及曆史傳承有關。

物理化學性質:

1)黃金的高延展性使其易於(yu) 鍛造;

2)穩定的化學性質使得黃金首飾不易氧化而掉色或變色。

曆史傳(chuan) 承:

1)人們(men) 常將黃金視為(wei) 財富的象征,並進行傳(chuan) 承;

2)黃金的金色和太陽一樣,古人崇拜太陽,將太陽視為(wei) 至高無上的象征,使得黃金有一種高貴感;

3)黃金已成為(wei) 人們(men) 宣誓愛意的象征(比如婚嫁中的“三金”),因為(wei) 黃金具有耐腐蝕性,寓意為(wei) “情比金堅”,象征兩(liang) 人愛情的永恒;

4)民間寄予黃金美好寓意,認為(wei) 黃金具有招財、驅邪作用。

工業(ye) 用途:黃金在工業(ye) 上的用途約占每年金產(chan) 量的5.2%,其中,在電子工業(ye) 上的用途占其工業(ye) 用金的90%以上,主要用於(yu) 電子儀(yi) 器、集成電路等。日常所見的電子產(chan) 品大多有黃金的身影,如手機。可能有人會(hui) 疑惑,黃金這麽(me) 貴,為(wei) 何不用銅、鐵等大宗礦產(chan) 代替?其主要原因是黃金所特有的高延展性和高傳(chuan) 導性。以1克純金為(wei) 例,可拉成直徑小於(yu) 1 μm(微米),長度為(wei) 66 km的金絲(si) 。精密儀(yi) 器、電路板常需要極細的導線連接,而黃金所具有的高導電性和高延展性正好滿足此需求。導線越細意味著更易損耗和不耐用,黃金的高抗氧化和抗侵蝕性延長了黃金導線的使用壽命。此外,黃金還是電磁輻射的優(you) 良反射體(ti) ,宇航員頭盔上的玻璃鍍上一層薄金(圖6c),能有效防止紫外線輻射的損傷(shang) 。

醫學領域:納米金具有良好的生物相容性和特定的分子識別性,因而常用在醫學領域,如:納米金能夠通過靶向投遞的方式來傳(chuan) 遞藥物,殺死腫瘤(Van Lehn等,2013Hočevar等,2019)。近幾年,新冠病毒肆虐全球,新冠病毒抗原檢測常用膠體(ti) 金檢測法。新冠病毒抗原檢測的基本原理是抗體(ti) -抗原反應。膠體(ti) 金在弱堿性條件下帶負電荷,當膠體(ti) 金與(yu) 帶正電蛋白質基團相遇後,由於(yu) 靜電作用而結合在一起,同時也不影響蛋白質的生物特性,因此可將膠體(ti) 金作為(wei) 示蹤標誌物。當膠體(ti) 金示蹤抗體(ti) 在結合墊處和新冠抗原蛋白結合後,會(hui) 在毛細作用下向前移動,在T線(Test,檢測線)處被抗體(ti) 1(該抗體(ti) 隻識別新冠病毒抗原)捕獲而進行聚集,顯示為(wei) 陽性(T線和C線同時變紅);多餘(yu) 的試劑會(hui) 繼續向前移動到C線(Control,控製線),被C線處抗體(ti) 2(無論是否含有新冠病毒抗原,都會(hui) 被該抗體(ti) 識別)捕獲而呈現出紅色,顯示為(wei) 陰(僅(jin) 有C線變紅)(參考上海交通大學醫學院附屬仁濟醫院微信公眾(zhong) 號《神奇的紅線”——新冠病毒抗原檢測(膠體(ti) 金法)原理簡介》)。

獎章:由於(yu) 黃金象征著至高無上的榮譽,將黃金加入獎牌中來獎勵行業(ye) 中的佼佼者已經成為(wei) 社會(hui) 共識,如奧運會(hui) 金牌(圖6f)和諾貝爾獎牌等。

 五、金色未來

曆史的經驗告訴我們(men) ,黃金對政權的建立及鞏固都有著至關(guan) 重要的作用。後疫情時代,世界局勢變化莫測,大國之間的競爭(zheng) 也表現得更為(wei) 突出,這加劇了各國之間對存量資源的爭(zheng) 奪。黃金作為(wei) 一種重要的涉及國家安全的戰略資源勢必會(hui) 進入各國競爭(zheng) 視野。

為(wei) 保障國家經濟安全、國防安全和戰略新興(xing) 產(chan) 業(ye) 發展需求,2016年我國國土資源部(現為(wei) 自然資源部)將黃金列為(wei) 24種戰略性礦產(chan) 資源之一。鑒於(yu) 地表金資源的不斷枯竭和金礦分布的不均一性,可以預見,未來黃金仍然是礦產(chan) 資源中的“明星”,將長期是各國所追求和關(guan) 注的重要礦產(chan) 資源。


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