自然科普:金屬中的貴族—黃金
發(fā)布時(shí)間:2023-06-02
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黃金,一種象征著神圣、財(cái)富、權(quán)利和榮譽(yù)的“高貴”金屬。自從人類在12000多年前發(fā)現(xiàn)黃金以來(lái),人們對(duì)其追求的熱情便從未消減。史前人類對(duì)這種能夠散發(fā)出太陽(yáng)般光芒和色澤的黃金進(jìn)行膜拜,將其視為神的化身。物以稀為貴,歷代帝王將其占為己有,并逐漸將其發(fā)展為權(quán)利和財(cái)富的象征。

隨著人類社會(huì)不斷發(fā)展,黃金也不再被“神化”和“權(quán)化”,開(kāi)始轉(zhuǎn)向至高無(wú)上的榮譽(yù)象征。現(xiàn)今,黃金除了榮譽(yù)這種精神象征以外,其在世界貨幣與經(jīng)濟(jì)、飾品、電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。人們對(duì)黃金的認(rèn)識(shí)和利用映射出人類從原始到現(xiàn)代、從愚昧到文明的歷史變化,可以說(shuō)沒(méi)有任何一種物質(zhì)能夠像黃金一樣在人類歷史進(jìn)程中留下如此深刻的烙印,讓我們一起走進(jìn)黃金,了解黃金的迷人魔力。

一、金的自我介紹

金的化學(xué)符號(hào)Au,源于拉丁語(yǔ)中的黃金詞語(yǔ)“Aurum”,意思是“燦爛的黎明”(參考《黃金的歷史》)。Au位于元素周期表第一副族,質(zhì)子數(shù)為79,原子量為197,原子半徑為1.79 ?。Au在自然界只有一種同位素,面心立方結(jié)構(gòu),熔點(diǎn)1064℃,沸點(diǎn)2966℃。Au原子之間的鍵合方式為金屬鍵,這種鍵合方式會(huì)造成Au原子核“暢游”在電子“海洋”中(電子海模型),使其具有強(qiáng)延展性和高導(dǎo)電性。同時(shí),Au原子核對(duì)電子的吸引力非常強(qiáng),核外電子若想停留在自己的軌道上,其運(yùn)行速度需達(dá)到光速的一半,高速運(yùn)行的電子會(huì)使其軌道發(fā)生變形(相對(duì)論效應(yīng)),一些原本應(yīng)該吸收紫外光譜中的光轉(zhuǎn)而吸收藍(lán)色光,反射光譜中的其余光,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(qiáng)度使其原子鍵不易斷開(kāi)或與其他元素發(fā)生作用,使得黃金青春永駐,絕不褪色。

二、金的來(lái)源

黃金是怎么出現(xiàn)的?現(xiàn)代科技可以造金嗎?

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)重元素可由輕元素聚合而成,其產(chǎn)出過(guò)程是利用恒星這座元素加工廠,通過(guò)核聚變將元素由氫變成氦,最后一直演變到鐵(Fe)為止。因?yàn)?span style="box-sizing: inherit">Fe-56的比結(jié)合能是原子當(dāng)中最高的,這也讓Fe失去了再發(fā)生核聚變的可能。Au的原子序數(shù)遠(yuǎn)大于Fe,要產(chǎn)生比Fe更重的元素,需要在極高的溫度和壓力通過(guò)中子俘獲的方式實(shí)現(xiàn),也就是超新星爆發(fā)。80%Au是由該途徑產(chǎn)生,剩下的20%則通過(guò)中子星合并方式實(shí)現(xiàn)。通過(guò)超新星爆發(fā)和中子星合并產(chǎn)生的Au,90%以上都藏在了地核里,其次是地幔,最少的是地殼(不到1%)。目前人類開(kāi)采的黃金62%來(lái)源于礫巖型和造山型金礦,13%為淺成低溫?zé)嵋盒徒鸬V,10%為斑巖型金礦,8%為卡林型金礦等(Frimmel,2008)。

盡管金礦的種類不少,但是將這些金礦石轉(zhuǎn)變成金燦燦的黃金談何容易。砂金是大自然通過(guò)河水沖刷,將金礦石進(jìn)行了一次金提純,因此是所有這些金礦中相對(duì)好開(kāi)采的(Falconer and Craw, 2009)。日常所聽(tīng)說(shuō)的狗頭金,其本質(zhì)便是砂金。世界上最大的狗頭金歡迎你陌生人Welcome stranger)于1869年在澳大利亞維多利亞州被發(fā)現(xiàn),人們從這塊狗頭金中提煉出71 KgAu(參考《Gold nature and culture》)。

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

特別有意思的是卡林型金礦,其金的賦存狀態(tài)為不可見(jiàn)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,不容易被人們所發(fā)現(xiàn)(Xie等,2018;Pokrovski等,2019)。

四、黃金的用途

黃金因?yàn)槠湎∮行?、?yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)(如:色澤靚麗、延展性好、質(zhì)地軟、抗腐蝕)和人文屬性而被廣泛應(yīng)用到世界貨幣和經(jīng)濟(jì)、飾品、電子工業(yè)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)試劑等領(lǐng)域(原始數(shù)據(jù)來(lái)源于世界黃金協(xié)會(huì))。

世界貨幣和經(jīng)濟(jì):馬克思在《資本論》里提到“貨幣天然是金銀”,這句話強(qiáng)調(diào)了金銀能作為貨幣的屬性。黃金具有體積小價(jià)值大,抗磨損和耐腐蝕,容易分割等優(yōu)點(diǎn),是其他金屬所不能同時(shí)具備的,確保了黃金的穩(wěn)定流通。近十年所開(kāi)采的黃金中每年有約568噸被世界各國(guó)央行所儲(chǔ)備(2013—2022年平均值,世界黃金協(xié)會(huì)數(shù)據(jù))。這進(jìn)一步表明黃金在世界貨幣與經(jīng)濟(jì)中扮演了越來(lái)越重要的角色。

黃金滿足硬通貨應(yīng)具有的基本特性:國(guó)際信用好、幣值穩(wěn)定、匯價(jià)(匯率)堅(jiān)挺,因而能成為世界硬通貨。

國(guó)際信用方面,古今中外,在漫長(zhǎng)的歷史歲月中,人們對(duì)黃金產(chǎn)生了信任。黃金是貨幣信譽(yù)的支撐,推動(dòng)了貨幣的國(guó)際化。

幣值穩(wěn)定方面,信用貨幣(主要為紙幣)的發(fā)行量可以人為操作,通貨膨脹或者金融市場(chǎng)的動(dòng)蕩也會(huì)造成貶值,而黃金則不一樣,由于無(wú)法高效且經(jīng)濟(jì)地通過(guò)物理或者化學(xué)方法合成,加上儲(chǔ)量和產(chǎn)量有限,這使得其價(jià)值相對(duì)穩(wěn)定。

匯價(jià)(匯率)堅(jiān)挺方面,即使在世界經(jīng)濟(jì)疲軟、股市動(dòng)蕩等條件下,黃金仍表現(xiàn)出強(qiáng)勁勢(shì)頭。世界黃金協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)表明,在近12年間金價(jià)起起伏伏,但無(wú)論經(jīng)歷如何的低谷,金價(jià)仍舊會(huì)高漲,堅(jiān)挺不倒,是可靠的抗風(fēng)險(xiǎn)投資(圖6a)。

現(xiàn)今所開(kāi)采的黃金中大約有一半被制作成首飾,如:項(xiàng)鏈(圖6b)、戒指等。黃金之所以被廣泛用于首飾中,和其本身的物理化學(xué)性質(zhì)及歷史傳承有關(guān)。

物理化學(xué)性質(zhì):

1)黃金的高延展性使其易于鍛造;

2)穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)使得黃金首飾不易氧化而掉色或變色。

歷史傳承:

1)人們常將黃金視為財(cái)富的象征,并進(jìn)行傳承;

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

3)黃金已成為人們宣誓愛(ài)意的象征(比如婚嫁中的“三金”),因?yàn)辄S金具有耐腐蝕性,寓意為“情比金堅(jiān)”,象征兩人愛(ài)情的永恒;

4)民間寄予黃金美好寓意,認(rèn)為黃金具有招財(cái)、驅(qū)邪作用。

工業(yè)用途:黃金在工業(yè)上的用途約占每年金產(chǎn)量的5.2%,其中,在電子工業(yè)上的用途占其工業(yè)用金的90%以上,主要用于電子儀器、集成電路等。日常所見(jiàn)的電子產(chǎn)品大多有黃金的身影,如手機(jī)??赡苡腥藭?huì)疑惑,黃金這么貴,為何不用銅、鐵等大宗礦產(chǎn)代替?其主要原因是黃金所特有的高延展性和高傳導(dǎo)性。以1克純金為例,可拉成直徑小于1 μm(微米),長(zhǎng)度為66 km的金絲。精密儀器、電路板常需要極細(xì)的導(dǎo)線連接,而黃金所具有的高導(dǎo)電性和高延展性正好滿足此需求。導(dǎo)線越細(xì)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(zhǎng)了黃金導(dǎo)線的使用壽命。此外,黃金還是電磁輻射的優(yōu)良反射體,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。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域:納米金具有良好的生物相容性和特定的分子識(shí)別性,因而常用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如:納米金能夠通過(guò)靶向投遞的方式來(lái)傳遞藥物,殺死腫瘤(Van Lehn等,2013;Ho?evar等,2019)。近幾年,新冠病毒肆虐全球,新冠病毒抗原檢測(cè)常用膠體金檢測(cè)法。新冠病毒抗原檢測(cè)的基本原理是抗體-抗原反應(yīng)。膠體金在弱堿性條件下帶負(fù)電荷,當(dāng)膠體金與帶正電蛋白質(zhì)基團(tuán)相遇后,由于靜電作用而結(jié)合在一起,同時(shí)也不影響蛋白質(zhì)的生物特性,因此可將膠體金作為示蹤標(biāo)志物。當(dāng)膠體金示蹤抗體在結(jié)合墊處和新冠抗原蛋白結(jié)合后,會(huì)在毛細(xì)作用下向前移動(dòng),在T線(Test,檢測(cè)線)處被抗體1(該抗體只識(shí)別新冠病毒抗原)捕獲而進(jìn)行聚集,顯示為陽(yáng)性(T線和C線同時(shí)變紅);多余的試劑會(huì)繼續(xù)向前移動(dòng)到C線(Control,控制線),被C線處抗體2(無(wú)論是否含有新冠病毒抗原,都會(huì)被該抗體識(shí)別)捕獲而呈現(xiàn)出紅色,顯示為陰(僅有C線變紅)(參考上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院微信公眾號(hào)《神奇的紅線”——新冠病毒抗原檢測(cè)(膠體金法)原理簡(jiǎn)介》)。

獎(jiǎng)?wù)拢?/span>由于黃金象征著至高無(wú)上的榮譽(yù),將黃金加入獎(jiǎng)牌中來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)行業(yè)中的佼佼者已經(jīng)成為社會(huì)共識(shí),如奧運(yùn)會(huì)金牌(圖6f)和諾貝爾獎(jiǎng)牌等。

?五、金色未來(lái)

歷史的經(jīng)驗(yàn)告訴我們,黃金對(duì)政權(quán)的建立及鞏固都有著至關(guān)重要的作用。后疫情時(shí)代,世界局勢(shì)變化莫測(cè),大國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)也表現(xiàn)得更為突出,這加劇了各國(guó)之間對(duì)存量資源的爭(zhēng)奪。黃金作為一種重要的涉及國(guó)家安全的戰(zhàn)略資源勢(shì)必會(huì)進(jìn)入各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)視野。

為保障國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全和戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,2016年我國(guó)國(guó)土資源部(現(xiàn)為自然資源部)將黃金列為24種戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源之一。鑒于地表金資源的不斷枯竭和金礦分布的不均一性,可以預(yù)見(jiàn),未來(lái)黃金仍然是礦產(chǎn)資源中的“明星”,將長(zhǎng)期是各國(guó)所追求和關(guān)注的重要礦產(chǎn)資源。


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