Стимул наукових досліджень і збагачення, джерело бід та інженерних інновацій

Частина І. Незвичайні якості, несподівані знахідки і важкий видобуток

1. Фізичні і хімічні властивості металу

Золото – хімічний елемент першої групи періодичної системи Дмитра Менделєєва (атомний номер – 79, атомна маса – 196,9665, символ – Au).

Щільність чистого золота (при 20^ОС) дорівнює 19,32 грама в одному кубічному сантиметрі (Тобто, з 1 кг металу можна зробити кульку діаметром 46,237 мм.). Цей досить «важкий метал» займає сьоме місце за густиною після осмію, іридію, платини, ренію, нептунію та плутонію, і не набагато випереджає вольфрам (19,25 г/см³) та уран (19,05 г/см³).

А ось температура плавлення золота + 1064,18^ОC (1337,33К) майже утричі нижча за вольфрам (3422^ОC). Золото навіть закипить раніше, ніж розплавиться вольфрам – за температури 2856^ОС (3129К). Щільність рідкого золота менша, ніж твердого, і становить 17 г/см³. Рідке золото досить летке, воно починає випаровуватись задовго до температури кипіння. Це м'який пластичний метал: 1 г. золота можна витягнути в нитку довжиною 3240 м. а золоту пластинку розміром 1 х 1 см. і товщиною 0,5 мм. можна розкрити до розміру площею в 4 квадратні метри. А ще – це метал з дуже гарною електричною та тепловою провідністю.

2. Поширення золота у природі

Формально, дивлячись на таблицю елементів Дмитра Івановича Менделєєва, щоб виготовити золото, потрібно зв'язати в єдине атомне ядро 79 протонів і 118 нейтронів. Але для цього потрібна інтенсивна реакція ядерного синтезу. І... поки що ніхто не ризикнув проводити такі експерименти.

А астрофізики, дивлячись у телескопи і таблицю елементів, припускають, що ядерні перетворення, які необхідні для виникнення золота, протікають під час вибухів наднових магнітообертальних зірок. Зірка, що гине, запускає в космос розжарені струмені, набиті ядрами золота. І не дай Боже, щоб такий «зоряний золотий дощ» впав на Землю. А геологи доводять – у нас під ногами безліч цього металу. Втім, добути його поки що неможливо. Але якщо це колись і вдасться, то золото вже не буде дефіцитним і цінним. Тому що в ядрі Землі міститься 99% золота. Цієї кількості достатньо, щоб покрити планету шаром металу 50 см. Але тоді життя на Землі не буде.

Більшість учених вважають, що природні мінеральні утворення із вмістом золота формуються в гарячих магматичних розчинах. вміст золота в літосфері становить 4,3⋅10⁻⁷% за масою.

У світовому океані в одному кубічному метрі води в середньому знаходиться 4-10 мг золота. Отже, у морях та океанах запасено приблизно 10 000 000 000 т. металу. Його можна отримати шляхом його осадження на іонообмінних смолах, з подальшим вимиванням та осадженням. Але цей процес дуже енерговитратний, і золото з морської води буде дуже дорогим металом.

Золото зустрічається й у глибинних геотермальних водах у стані розчинних комплексних сполук із сірководнем. Його поки що не добувають, хоча під час підйому гарячої води ці з'єднання розкладаються і тонкий шар металу осідає на обсадних трубах геотермальних електростанцій.

На поверхні Землі, відносно не глибоко, золото перебуває у первинних рудних родовищах, у вигляді піску або самородків – шматочків різної форми масою понад 5 г. Відомі родовища руди – шари землі чи жили із вмістом золота 1–30 г/м³, потужністю від 0,05 до десятків метрів, довжиною від десятків метрів до кількох сотень кілометрів. У багатьох країнах є розсипи із вмістом золота 0,5 – 50 г/м³, іноді – до десятків кг/м³.

3. Перше використання «м'якого каміння»

Жовте блискуче м'яке каміння Homo sapiens виявив в епоху палеоліту.

Ножі, наконечники копій первісна людина виготовляла з твердого каміння (кременя, обсидіану…). Тверді камені, зазвичай тендітні, вона розбивала іншим камінням. Гострими шматками люди працювали (скребли шкури, різали туші, рубали гілки та дерева…). А для полювання прив'язували каміння до ціпків.

Людина помітила, що деякі «камені» не розколюються, а змінюються – деформуються. Це були шматочки самородного чи метеоритного металу. Червоне, коричневе каміння – це залізо. Жовті, блискучі камінці – золото, білі – срібло. Люди ударами каміння намагалися зробити з них щось корисне. Виявилося, що блискучим камінням можна легко надати потрібної форми. Але ці вироби ні для полювання, ні для роботи не годилися. Наконечники копій, ножі були м'якими, швидко ставали тупими, часто гнулися. І люди ще довго застосовували соху з міцного дерева, зброю з кременю чи іншого твердого каменю.

Поступово люди виявлять багато інших металів, навчаться робити сплави з необхідними властивостями, застосовувати їх для різних цілей, але нас цікавить золото. Користі від нього первісній людині не було. Але людям все ж подобався жовтий блискучий метал. Золоті камінці не тьмяніли і вважалися символом стабільності.

Коли люди навчились користуватися вогнем і плавити метал, на зміну кам'яному віку прийшов бронзовий. Людина почала обробляти і використовувати золото для прикрас, обмінювати його на потрібні для життя речі. Сплави самородків міді і золота мають достатню для зброї та реманенту твердість. Потреба в золоті швидко росла.

4. Розгортання добичі

Попри нібито загальні великі цифри, зустрічалось золото рідко. Його почали спеціально розшукувати – добувати. За багато тисячоліть люди розробили кілька методів видобутку чистого і не зовсім чистого металу. До нас дійшли описи та легенди про багаті поклади та різні технології.

Найпростіший і найдавніший – це промивання золотоносних пісків. Звичайно, використовували те, що було під рукою. Дублянки.  Овечу шкуру розкладали на дні струмка із золотоносним піском, вище за течією збовтували, піщинки неслися течією, а важкі частинки золота застрявали в шерсті. Шкуру висушували і вибивали. Або шкуру – руно з намитим золотом так і продавали.

Із цієї технології виник давньогрецький міф про золотого барана, на спині якого Фрікс и Гелла, діти Орхоменського царя Афаманта, рятуючись від переслідувань злої мачухи, втекли з Греції в Колхіду (на теренах сучасної Грузії). За шкурою «чарівного златорунного барана» вирушили до Колхіди аргонавти. Про Колхіду Геродот писав як про «благословенну золотом» країну, де вже в V столітті до нашої ери існувало високорозвинені технології роботи с золотом.

Але крім цього, тепер уже екзотичного способу, з давніх часів і досі застосовується спосіб промивання золотоносних пісків у ситах та лотках. Він також заснований на різниці у питомій щільності золота та піску.

Про пошук золотих каменів і знахідках іноді великих шматків золота написано тисячі книг. І якщо відкинути романтичні пригоди та жорстоку боротьбу, то з «осадою» залишиться важка трудомістка робота. До того ж успіх її залежить від інтуїції та удачі. Самородки знаходили на всіх континентах (крім, хіба що, Антарктиди. Поки що).

Більшість самородків розплавляли. Але деякі здогадалися зберегти. Любителі змагань та статистики виділили п'ять найцікавіших.

Рис. 4.4. Золотий самородок «Пепіта Канаа»

У Музеї цінностей Центрального банку Бразилії у «Золотій кімнаті» експонат вагою 52 кілограми. Це "Пепіта Канаа". - Найбільший у світі золотий самородок. Його знайшов у 1983 році шахтар у золотодобувному регіоні Серра-Пелада, або «Голі гори», у бразильському штаті Пара.

В Алмазному фонді Росії знаходиться золотий самородок «Великий трикутник» вагою 33 кілограми. В 1842 він знайдений на глибині близько 3 метрів на березі річки Міас (Урал).

У Лас-Вегасі демонструють «Руку віри». Самородок рекламують як реліквію американської Золотої лихоманки. Але насправді самородок вагою 27 кілограмів було знайдено у 1980 році у маленькому австралійському містечку Веддерберн (Вікторія, Австралія). Кевін Хіллієр пережив щасливий випадок свого життя та виявив цю знахідку за допомогою металошукача на глибині 15 сантиметрів під землею.

У музеї Пертського монетного двору експонується «Нормандський самородок» золота вагою 25 кілограмів, чистотою від 80% до 90%. Його знайшли в 1995 році в руслі сухого струмка в гірничодобувному районі Калгурі (Калгурі, Західна Австралія). Він належить компанії Normandy Mining. І якщо його розплавити, то компанія отримає понад мільйон доларів.

У музеї Айронстоуна демонструється «Коронна коштовність». Цей шматок кристалічного золота вагою 16 кілограмів знайшли в 1992 р. у шахті гірничодобувної корпорації «Сонора» в Джеймстауні (Каліфорнія, США). Після відділення кварцу із застосуванням плавикової кислоти золото залишилося чистим на 98%. (З кварцових та інших мінералів золото можна виділити амальгамуванням, хлоруванням, ціанідним способом).

Здавна пісок та самородки розкопували та добували в кар'єрах та шахтах.

Знайдено докази, що ще в четвертому тисячолітті до н.е. золото вперше почали добувати з розсипів у долинах пересохлих річок в Аравії. Найпотужнішим золотоносним регіоном у стародавньому світі була Аравійсько-Нубійська пустеля. (За всю історію в ній видобуто близько 3500 т золота). Фінікійське місто Тир (сучасне місто Сур у Лівані) було настільки багато золотом, що в Біблії про нього повідомляється: «Срібло там накопичувалось, подібно піску, і золото – подібно вуличному бруду». Регіони ці захоплювали царі Ассирії та Вавилону, які славились цим багатством в античному світі. Але найбільш широко у 4–3 тис. до н. е. золото використовували в Єгипті. Щороку в самому Єгипті та в Нубії видобували до 50 т цього металу.

І в наш час розробку золотоносної породи ведуть як відкритим, так і підземним способами. При відкритій розробці використовують бульдозери, екскаватори, гідравлічні методи.

5. Багатства, здобуті працею і війнами

Кількість дорогоцінних металів символізувала владу і багатство.

Близько 1000 р. до нашої ери іудейський цар Давид вирішив, що саме у храмі найкраще показати золото. Будівництво храму в Єрусалимі завершив його син Соломон. Він отримав сто двадцять центнерів золота від південноаравійскої цариці Шеви. Точніше від її батька Хірам I, правителя Тіра. «І прийшли вони до Офіру, і взяли звідти чотири сотні й двадцять талантів, і привезли до царя Соломона» (Біблія, 1 царів 9, 2 хроніки 8). У розкішному залі храму навіть підлога була вкрита листовим золотом.

Але в 586 р. до нашої ери храм розграбував царь Нововавилонского царства Навуходоносор II. Напередодні нової ери один із правителів наказав відновити святиню, проте її знову розграбували, тепер вже римляни.

У 334 р. до нашої ери македонський цар Олександр Великий почав війну з перськими царями. А потім була переможна хода у Середню Азію до Індії, а ще потім – в Єгипет. Олександр Македонський сконцентрував у своїх руках майже все золото та срібло того часу (близько 8840 тонн).

Півтора століття потому, у 168 році римський полководець Емілій Паул переміг у битві останнього царя Македонії і захопив золотий видобуток, від якого сучасники прийшли в невимовний захват.

Плутарх розповідає про тріумф і своєрідний парад захоплених золотих скарбів: «Потім слідували мужі, що несли золоті монети, насипані в сімдесят сім глечиків, кожен з яких важив три таланти (78,6 кілограма), так що один глечик доводилося нести чотирьом. Слідом несли близько чотирьохсот золотих корон, які були надіслані Емілію через посланників міст Азії на знак визнання його перемог». Навіть, якщо врахувати психологію переможців та їхню здатність перебільшувати результати, на переплавку знадобилося чимало палива.

За часів Римської імперії основні золотоносні регіони розташовувалися на Піренейському півострові та на Балканському півострові.

Головним місцем видобування золота в Західній Європі була Іберія (нині Іспанія). Саме там уперше в Європі виготовлено прикраси куванням і чеканкою самородків. Коли Гай Юлій Цезар заборгував значну кількість грошей, він в 62-му році до н. е. вирушив намісником в Іспанію. Там за два роки розбагатів настільки, що повернув борги. А для покриття своїх і загальних потреб пішов війною в Галію, де на той час виявили золото. За часів Середньовіччя центрами видобутку золота в Європі були території сучасних Чехії та Словаччини.

Португальці та інші європейці дедалі вирушали в експедиції за золотом далі на південь уздовж західного узбережжя Африки. І і виявили золото у Тропічній Африці. А в цей час на невідомому європейцям заокеанському континенті інки, майя та інші народи також видобували дорогоцінні метали, але ставилися до золота спокійно, не влаштовували через нього війни та навали. Доки португальський мореплавець генуезець Хрістофор Колумб у пошуках шляхів до Індії не натрапив на невідомі йому острови. Так, у 1592 році він відкрив європейцям шлях до Америки. З початку XVI столітті конкістадори та інші завойовники, визначивши, що місцеве населення застосовує багато золота для різноманітних цілей, почали знищувати народи і відправляти золото та срібло до Європи. У найбільших розмірах золото потрапляло в Іспанію. Частину захоплювали пірати і ховали де заманеться.

Лідерство Південноамериканського континенту у переправленні золота до Європи тривало майже до середині ХІХ столітті, поки не були відкриті золоті розсипи на Північній половині Американського континенту. Залежи Каліфорнії дали найбільший видобуток «жовтого металу» з часів фараонів. Лише 1852 року на один рік Каліфорнію перевершила Австралія, забезпечивши 46 % світового видобутку. Згодом лідерство Північної Америки підтримала Аляска, де видобуто 950 т золота.

Майже водночас, 1876 р., відкрито найбільше родовище в Західної півкулі – Гоумстейк (Південна Дакота), з якого отримано вже понад 1000 т металу.

Тричі в історії людства головним джерелом поповнення золотих запасів ставав Африканський континент, де з найбільшого родовища Вітвотерзранд (Південна Африка) вже видобуто близько 50 тис. т золота. (прогнозні запаси становлять ще понад 20 тис. т).

Значний внесок у світове золотодобування зробила Росія, особливо після відкриття 1814 р. золотих розсипів Уралу та Сибіру. Розробка родовищ у районі між Єнісеєм, Ангарою та Підкам'яною Тунгускою вивела країну на 1-е місце в світі. Загалом у Російській імперії видобуто близько 3000 т золота. У СРСР інформацію про обсяги видобутку, продаж на світовий ринок та розміри державного запасу золота офіційно не надавали. Згідно з експертними оцінками обсяги видобутку цього металу в СРСР у 1980-х рр. становили близько 250–300 т на рік. В УРСР золотодобування не провадили, хоча існування перспективних родовищ припускали. В Україні у Рахівському районі Закарпатської області родовище містить запаси дорогоцінного металу на рівні 2,4 тонни. У Мужіївському родовищі в той же області розвідано 55 тонн золота, 1 мільйон цинку та свинцю. Лише наприкінці 1990-х рр. Україна увійшла до «клубу» золотодобувних країн. Перший зливок українського рудного золота вагою 5721 г відлито у вересні 1999 на Мужіївській золотодобувній фабриці. І ще – на цій території з відпрацьованих покидьків уже видобули одну тонну золота та 4,5 тонни срібла. Наприкінці 2006 р. розробку золоторудного родовища через нерентабельність зупинено.

Нині щорічна продукція золота у світі становить близько 2500 тонн. Основними виробниками є Китай (2009 – 314 тонн), ПАР, Австралія, США, РФ, Індонезія, Канада, Перу. Розвідка родовищ у багатьох країнах продовжується.

У 2011 р. підрахували, що за свою історію людство видобуло 166,6 тисяч тонн золота.

6. Спроби створити золото породили хімію

Можна вважати, що одночасно, паралельно, зі здобиччю та боротьбою за "готовий" метал, найбільш просунуті представники homo sapiens намагалися виготовити золото з інших речовин. Ще у давнину люди помітили, що не тільки не іржавіє та не окислюється, але і не піддається впливам кислот і лугів. Єдине, що могло змінити його металеву властивість – це ртуть. Амальгама, а так само сусальне золото та виливки застосовувалися металургами, скульпторами, художниками стародавніх Греці, Єгипту, Китаю та інших цивілізацій древнього світу для прикрашання ним храмів, палаців царів, князів та ханів, використовували у ритуальних та інших цілях.

Потреба в золоті зростала. Тисячі, а можливо й мільйони людей займалися здобиччю, збором податків, пограбуванням, піратством. І поки дорогоцінний метал поливали потім і кров'ю, окремі індивіди homo capiens почали намагатися зробити штучне золото з не дефіцитних порівняно дешевих речовин. До того ж взагалі, розібратися з дарами природи.

В Середньовіччі на території Арабського Халіфату вже проводяться наукові дослідження мінералів, металів. Абу Муса Джабір ібн Хаян (його ім'я -جابر بن حيان у Європі перетворили на Geber) вважається "Батьком наукової хімії". Він описав безліч кислот та розробив різні варіанти експериментальних методів дослідження. Більше того, його геніальні припущення набагато випередили теорію та практику сучасної науки. Так, наприклад, Джабір ібн Хайян – Гебер передбачив існування величезної енергії, прихованої всередині атома та можливості його розщеплення. Він писав: "при розщепленні утворюється сила, яка може зруйнувати Багдад".

Декілька століть вчені намагалися отримати золото шляхом хімічних реакцій різних речовин. (Європейці, запозичуючи в арабів основи хімії та металургії, перейняли і назву вчених – «алхіміки». Переписуючи книги з арабської на латину, вони не звернули увагу на те, що в арабській мові певний артикль  الـ аль  є ненаголошеною частинкою, яка ставиться перед словом і пишеться разом із ним. Тільки коли загальною «науковою мовою» стала латинська, артикль відділили – залишилася «хімія» (’al-khīmiyā’). Втім, набагато раніше термін хімія з'явився в Стародавній Греції (χυμεία - "флюїд", χυμός - "сік", χέω - "лити". А древні єгиптяни називали свою країну Та-Кемет і Кемі, що, мабуть, мало означати щось на кшталт «єгипетського мистецтва».

Але, як би дослідників не називали, перетворити ртуть, сірку та суміші інших речовин на золото не вдалося. Алхіміки-хіміки пробивалися в невідоме, пізнавали природу, дехто закликав на допомогу «потойбічні сили». Вчені називають такий метод розв'язання задач «методом спроб і помилок». Це була складна та небезпечна робота – речовини вибухали, виділялися отруйні гази. А католицька церква, на противагу ісламським хадисам, вважала вчених чаклунами, єретиками, звинувачувала у гріхах і жорстоко карала.

Проте, пошук штучного золота, еліксиру молодості та спроби вирішити інші завдання, забезпечила людство неоціненними знаннями. У результаті були зроблені фундаментальні наукові відкриття та виявлено нові метали та багато інших речовин. Можна вважати цю пошукову роботу першою важливою заслугою золота перед людством.

У XIV столітті алхіміки змогли розчинити «Царя металів» у концентрованому водному розчині соляної та азотної кислот у пропорції 3:1 (яку назвали «царською горілкою») з утворенням вже за кімнатної температури. розчинне у воді комплексної сполуки – золото хлористоводневу кислоту: Au + HNO₃ + 4HCl = H[AuCl₄] + NO + 2H₂O

А в наступні століття хіміки зовсім «зганьбили» золото. Вони виявили, що золото в результаті реакцій з деякими хімічними елементами перетворюється на тверді, рідкі і навіть сполуки, що випаровуються. Концентрована хлорна кислота HClO₄ реагує із золотом і при кімнатній температурі, утворюючи різні нестійкі оксиди хлору, а також розчиненого у воді перхлорату золота жовтого кольору. Летючі фториди золота AuF₆ та AuF₇. були отримані при взаємодії атомарного фтору з пентафторидом золота. Золото не реагує з киснем за жодних температур і до 100^ОС стійке до впливу озону. З чистих кислот золото розчиняється лише в концентрованій селеновій кислоті при 200^ОC з утворенням жовтого осаду (селеніту золота) та селенистої кислоти.

При кімнатній температурі (20-30^ОС) золото реагує з рідким бромом і його розчинами у воді та органічних розчинниках, утворюючи трибромід AuBr3, а при 120-393^ОC – з йодом, утворюючи З фтором золото реагує в інтервалі температур 300-400^ОC, при нижчих реакція не йде, а при більш високих фторидах золота розкладаються. Існують нестійкі сполуки золота. Наприклад, аурід цезію (CsAu – прозорі кристали жовтого кольору), що легко реагує з киснем, з водою, з галогенами. Відомі також ауріди рубідію, циіаноаурати, золотоорганічні сполуки, наприклад, етилдибромід золота або ауротіоглюкоза. Цей опис та величезний масив інформації у довідниках, підручниках, монографіях показує, яку роботу виконали фізики та хіміки.

Результати фундаментальних досліджень послужили основою для вирішення інженерних завдань, використовуються в мистецтві. медицині та кулінарії… І навіть, з деяким відступом, можна вважати, що реалізована мрія алхіміків – золото виділяють із деяких каменів-мінералів.

Далі буде

О.М. Корнієнко, доктор історичних наук, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України