自然科普:金属中的贵族

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自然科普:金属中的贵族—黄金

来源：战略性关键金属科普平台

作者：肖景丹、谢卓君

发布时间：2023-06-02

浏览次数：739

黄金，一种象征着神圣、财富、权利和荣誉的“高贵”金属。自从人类在12000多年前发现黄金以来，人们对其追求的热情便从未消减。史前人类对这种能够散发出太阳般光芒和色泽的黄金进行膜拜，将其视为神的化身。物以稀为贵，历代帝王将其占为己有，并逐渐将其发展为权利和财富的象征。

随着人类社会不断发展，黄金也不再被“神化”和“权化”，开始转向至高无上的荣誉象征。现今，黄金除了荣誉这种精神象征以外，其在世界货币与经济、饰品、电子工业、医学等领域发挥着不可替代的作用。人们对黄金的认识和利用映射出人类从原始到现代、从愚昧到文明的历史变化，可以说没有任何一种物质能够像黄金一样在人类历史进程中留下如此深刻的烙印，让我们一起走进黄金，了解黄金的迷人魔力。

一、金的自我介绍

金的化学符号Au，源于拉丁语中的黄金词语“Aurum”，意思是“灿烂的黎明”（参考《黄金的历史》）。Au位于元素周期表第一副族，质子数为79，原子量为197，原子半径为1.79 Å。Au在自然界只有一种同位素，面心立方结构，熔点1064℃，沸点2966℃。Au原子之间的键合方式为金属键，这种键合方式会造成Au原子核“畅游”在电子“海洋”中（电子海模型），使其具有强延展性和高导电性。同时，Au原子核对电子的吸引力非常强，核外电子若想停留在自己的轨道上，其运行速度需达到光速的一半，高速运行的电子会使其轨道发生变形（相对论效应），一些原本应该吸收紫外光谱中的光转而吸收蓝色光，反射光谱中的其余光，这些反射的光混合一起就形成特有的金色。Au原子之间的键合强度使其原子键不易断开或与其他元素发生作用，使得黄金青春永驻，绝不褪色。

二、金的来源

黄金是怎么出现的？现代科技可以造金吗？

科学家们发现重元素可由轻元素聚合而成，其产出过程是利用恒星这座元素加工厂，通过核聚变将元素由氢变成氦，最后一直演变到铁（Fe）为止。因为Fe-56的比结合能是原子当中最高的，这也让Fe失去了再发生核聚变的可能。Au的原子序数远大于Fe，要产生比Fe更重的元素，需要在极高的温度和压力通过“中子俘获”的方式实现，也就是超新星爆发。80%的Au是由该途径产生，剩下的20%则通过中子星合并方式实现。通过超新星爆发和中子星合并产生的Au，90%以上都藏在了地核里，其次是地幔，最少的是地壳（不到1%）。目前人类开采的黄金62%来源于砾岩型和造山型金矿，13%为浅成低温热液型金矿，10%为斑岩型金矿，8%为卡林型金矿等（Frimmel，2008）。

尽管金矿的种类不少，但是将这些金矿石转变成金灿灿的黄金谈何容易。砂金是大自然通过河水冲刷，将金矿石进行了一次金提纯，因此是所有这些金矿中相对好开采的（Falconer and Craw, 2009）。日常所听说的狗头金，其本质便是砂金。世界上最大的狗头金“欢迎你陌生人”（Welcome stranger）于1869年在澳大利亚维多利亚州被发现，人们从这块狗头金中提炼出71 Kg纯Au（参考《Gold nature and culture》）。

除了砂金矿石中为肉眼可见的较为纯净的Au颗粒外，其他类型金矿中的Au，大多（异常富集的金矿体除外）需要借助像放大镜、光学显微镜、电子显微镜等仪器才能观察到。这些金矿中的Au最喜欢与石英、贱金属硫化物做朋友，总是相伴出现。

特别有意思的是卡林型金矿，其金的赋存状态为不可见Au（显微镜和扫描电镜均未能观察到），Au隐藏在其宿主矿物黄铁矿的晶格中，不容易被人们所发现（Xie等，2018；Pokrovski等，2019）。

四、黄金的用途

黄金因为其稀有性、优良的物理化学性质（如：色泽靓丽、延展性好、质地软、抗腐蚀）和人文属性而被广泛应用到世界货币和经济、饰品、电子工业、医学、化学试剂等领域（原始数据来源于世界黄金协会）。

世界货币和经济：马克思在《资本论》里提到“货币天然是金银”，这句话强调了金银能作为货币的属性。黄金具有体积小价值大，抗磨损和耐腐蚀，容易分割等优点，是其他金属所不能同时具备的，确保了黄金的稳定流通。近十年所开采的黄金中每年有约568吨被世界各国央行所储备（2013—2022年平均值，世界黄金协会数据）。这进一步表明黄金在世界货币与经济中扮演了越来越重要的角色。

黄金满足硬通货应具有的基本特性：国际信用好、币值稳定、汇价（汇率）坚挺，因而能成为世界硬通货。

国际信用方面，古今中外，在漫长的历史岁月中，人们对黄金产生了信任。黄金是货币信誉的支撑，推动了货币的国际化。

币值稳定方面，信用货币（主要为纸币）的发行量可以人为操作，通货膨胀或者金融市场的动荡也会造成贬值，而黄金则不一样，由于无法高效且经济地通过物理或者化学方法合成，加上储量和产量有限，这使得其价值相对稳定。

汇价（汇率）坚挺方面，即使在世界经济疲软、股市动荡等条件下，黄金仍表现出强劲势头。世界黄金协会数据表明，在近12年间金价起起伏伏，但无论经历如何的低谷，金价仍旧会高涨，坚挺不倒，是可靠的抗风险投资（图6a）。

现今所开采的黄金中大约有一半被制作成首饰，如：项链（图6b）、戒指等。黄金之所以被广泛用于首饰中，和其本身的物理化学性质及历史传承有关。

物理化学性质：

1）黄金的高延展性使其易于锻造；

2）稳定的化学性质使得黄金首饰不易氧化而掉色或变色。

历史传承：

1）人们常将黄金视为财富的象征，并进行传承；

2）黄金的金色和太阳一样，古人崇拜太阳，将太阳视为至高无上的象征，使得黄金有一种高贵感；

3）黄金已成为人们宣誓爱意的象征（比如婚嫁中的“三金”），因为黄金具有耐腐蚀性，寓意为“情比金坚”，象征两人爱情的永恒；

4）民间寄予黄金美好寓意，认为黄金具有招财、驱邪作用。

工业用途：黄金在工业上的用途约占每年金产量的5.2%，其中，在电子工业上的用途占其工业用金的90％以上，主要用于电子仪器、集成电路等。日常所见的电子产品大多有黄金的身影，如手机。可能有人会疑惑，黄金这么贵，为何不用铜、铁等大宗矿产代替？其主要原因是黄金所特有的高延展性和高传导性。以1克纯金为例，可拉成直径小于1 μm（微米），长度为66 km的金丝。精密仪器、电路板常需要极细的导线连接，而黄金所具有的高导电性和高延展性正好满足此需求。导线越细意味着更易损耗和不耐用，黄金的高抗氧化和抗侵蚀性延长了黄金导线的使用寿命。此外，黄金还是电磁辐射的优良反射体，宇航员头盔上的玻璃镀上一层薄金（图6c），能有效防止紫外线辐射的损伤。

医学领域：纳米金具有良好的生物相容性和特定的分子识别性，因而常用在医学领域，如：纳米金能够通过靶向投递的方式来传递药物，杀死肿瘤（Van Lehn等，2013；Hočevar等，2019）。近几年，新冠病毒肆虐全球，新冠病毒抗原检测常用“胶体金”检测法。新冠病毒抗原检测的基本原理是抗体-抗原反应。胶体金在弱碱性条件下带负电荷，当胶体金与带正电蛋白质基团相遇后，由于静电作用而结合在一起，同时也不影响蛋白质的生物特性，因此可将胶体金作为示踪标志物。当胶体金示踪抗体在结合垫处和新冠抗原蛋白结合后，会在毛细作用下向前移动，在T线（Test，检测线）处被抗体1（该抗体只识别新冠病毒抗原）捕获而进行聚集，显示为阳性（T线和C线同时变红）；多余的试剂会继续向前移动到C线（Control，控制线），被C线处抗体2（无论是否含有新冠病毒抗原，都会被该抗体识别）捕获而呈现出红色，显示为阴（仅有C线变红）（参考上海交通大学医学院附属仁济医院微信公众号《神奇的“红线”——新冠病毒抗原检测（胶体金法）原理简介》）。