Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.01.17


Gold - Metall der Könige

Vortrag von Anne-Kathrin Betz WS 03/04, Katharina Kiener WS 11/12 und Michaela Forst WS 14/15 im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC"


Gliederung:

1 Vorkommen

2 Darstellung
    2.1 Goldwäscherei
    2.2 Moderne Verfahren
    2.3 Negative Folgen der Goldgewinnung

3 Eigenschaften

4 Experiment: Aqua regia

5 Verbindungen des Goldes

6 Verwendung


Einführung 1: Zur Einführung in das Thema werden vergoldete Münzen vorbereitet. Hierzu wird in einem Becherglas eine Aufschlämmung von Zinkpulver in 2-3 ml Wasser und 5-6 NaOH-Plätzchen bereitet. Ein verkupfertes 1-Cent-Stück wird in das Becherglas gelegt und über dem BB auf dem Dreifuß solange erhitzt, bis ein grauer Belag entsteht (die Münze wird verzinkt). Der graue Belag lässt sich nach Spülen unter fließendem Wasser nach silbrig- glänzend polieren. Anschließend wird die Münze solange in der BB-Flamme gedreht, bis sich der Belag nach goldgelb verfärbt (Zink und Kupferschicht vermischen sich teilweise, eine Messingschicht entsteht). Als Beweis für die Entstehung von Gold dient folgende Berechnung:

OZ (Cu) + OZ (ZN) + OZ (Na) + OZ (O) + OZ (H) =  OZ (Au)
    29      +    30        +     11      +      8      +     1      =      79

Das Vortäuschen von Gold war auch Trick vieler Alchemisten. Die Alchemie entstand ca. 300 v. Chr. in Alexandria und hielt sich bis ca. 1650 n. Chr. Dominantes Interesse der Alchemisten war die Umwandlung der metallischen Grundstoffe Fe und Pb in das Edelmetall Au. Dazu sollte ein Umwandlungsagens, der "Stein der Weisen", wirkungsvoll sein. Dieses geheime Elixier, so dachte man, bringt selbst in kleinsten Mengen die Umwandlung in Gang.

Gold ist ein Metall, für das Kriege geführt, Schlachten geschlagen, für das getötet wurde. Mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit war Gold eines der ersten dem Menschen bekannten Metalle. Fragen muss man sich aber, woher die Faszination Gold kommt, was Gold so edel und was Gold so teuer macht.  Dies und ähnliche Fragen werden im Folgenden erläutert.

Einführung 2: Zu Beginn des Vortrags wird der Trailer der Filmes "Goldfinger" (James Bond, 1964) gezeigt. Zur Erklärung der Todesursache des Bondgirls wir auf die chemischen und physikalischen Methoden einer Vergoldung eingegangen. Film: Trailer des Filmes "Goldfinger" (1964) [10].

Chemisch

  • Aufdampfen in Vakuum: Tod durch Vakuum, aber nicht durch Vergoldung an sich
  • Galvanisches Vergolden: Eintauchen in Elektrolytlösung und anlegen elektrischer Spannung

Physikalisch

  • Feuervergolden: sehr hohe Temperaturen nötig; dies würde der Ästhetik des Bondgirls schaden
  • Kalt- und Blattvergolden: würde funktionieren

Einführung 3: Bei der Assoziation von Gold kommen einem zunächst die Begriffe Münzen, Schmuck, Goldbarren oder Nuggets in den Sinn. Bei der eingehenderen Beschäftigung mit dem Thema stößt man jedoch schnell auf die Schattenseiten der Goldgewinnung. Exemplarisch für die immensen Umweltschäden, die bei der Goldgewinnung entstehen, werden Bilder von der Katastrophe in Baia Mare, Rumänien gezeigt. Im Jahr 2000 wurden 100.000 m3 Cyanidlauge in die Umwelt freigesetzt, nachdem infolge starker Regenfälle ein Damm der Golderz-Aufbereitungsanlage eingerissen war. Ein massives Fischsterben (im Fluss Theiss) war die Folge. Obwohl Gold in gediegener Form vorkommt, sind große Mengen giftiger Chemikalien zur Gewinnung notwendig.


1 Vorkommen

Gold kommt in der Natur hauptsächlich gediegen (elementar) als goldhaltiger Quarz SiO2 vor. Das Gold dieser Primärlagerstätten wird als Berggold bezeichnet. Daneben kann es in geringen Mengen an Tellur gebunden sein, als Schrifterz (AuAgTe4), Blättererz (Pb,Au) (S,Te,Sb)1-2 oder Calaverit (AuTe2). Natürlich vorkommendes Gold ist chemisch nie vollkommen rein, sondern stets mit kleinen Mengen Silber, Kupfer oder Platin verunreinigt.

Abb. 1: Schrifterz [11]

Abb. 2: Blättererz[12] Abb. 3: Calaverit[13]

Die wichtigsten Förderländer sind Südafrika, Australien, USA und Russland. Die Weltjahresproduktion betrug im Jahr 2000 ca. 2570 t. Dies ist sehr wenig, was auf die Seltenheit von Gold zurückzuführen ist (erst an 75. Stelle der Elemente der Erdkruste). Der edle Charakter von Gold kann daran erkannt werden, dass es das einzige elementar vorkommende Metall ist. Dies zeigt, dass Gold chemisch inert ist und somit keine Affinität zu Sauerstoff oder Schwefel zeigt.


2 Darstellung

2.1 Ältestes Verfahren - Die Goldwäsche

Bei Verwitterung goldhaltigen Gesteins wird Berggold weggeschwemmt und lagert sich in Flusssanden in Form von Goldstaub oder Goldkörnern ab. Dieses so genannte Waschgold wird manuell in Wasser aufgeschlämmt. Aufgrund der höheren Dichte der Goldfilter und Goldkörner setzen sich diese rascher ab als die Begleitmaterialien und können abgetrennt werden. Das so gewonnene Gold wird eingeschmolzen. Diese Methode ist sehr primitiv und bietet nur eine Teilausbeute, sowie geringe Mengen an Gold. Nichtsdestotrotz wurde 1896 in Victoria, Australien, ein 71kg schwerer Gold- Nugget gefunden. Aus ihm gewann man 65kg reines Gold und gab ihm den bezeichnenden Namen "Welcome Stranger".


Abb. 4: Modell von "Welcome Stranger"[14]

2.2 Moderne Verfahren

2.2.1 Amalgamverfahren

In Steinbrechern wird das goldhaltige Erz vorgebrochen und in Pochwerken gründlich mit Quecksilber durchgearbeitet. Der größte Teil des enthaltenen Goldes amalgamiert mit Quecksilber zu Amalgam. Gleichzeitig entsteht ein grober, trüber Schlamm - die Pochtrübe. Diese lässt man über geneigt liegende, amalgamierte Kupfer-Platten laufen, sodass der restliche Teil des Goldes ebenfalls amalgamiert. Das Goldamalgam wird mehrmals täglich von den Kupfer-Platten abgekratzt und zusammen mit dem zuvor entstandenen erhitzt. Da Quecksilber einen viel niedrigeren Siedepunkt  als Gold (Sdp. Hg: 357°C, Sdp. Au: 2660°C) hat, destilliert es bereits bei geringeren Temperaturen, Gold bleibt zurück. Dieses Rohgold wird eingeschmolzen, das Quecksilber wird durch Kondensation im Kühlersystem zurück gewonnen. Die Ausbeute dieses Verfahrens liegt bei 60%.


Abb. 5: Schema des Amalgamverfahrens

2.2.2 Cyanidlaugerei

Bei dieser verbreiteten Methode wird das Material in Nassgriesmühlen bis zur Schlammfeinheit zerteilt (Korngröße = 100 Mikrometer) und in Eindickern auf 50-60% Wassergehalt eingedickt. Anschließend wird es in Agitatoren lebhaft mit Pressluft durchmischt, durchlüftet und mit 0,1-0,25%iger Kalium- oder Natriumcyanid- Lösung ausgelaugt. Gold wird von Sauerstoff zu Gold(+1)-Ionen oxidiert, anschließend bilden sich mit Cyanat farblose, lösliche Dicyanoaurat- Komplexe:

4 Au + 2H2O + O2 + 8KCN → 4 K[Au(CN)2] + 4KOH

Nach der Fällung (Reduktion) mit Zinkstaub scheidet sich Gold als Schlamm ab:

2 K[Au(CN)2] + Zn → 2 Au + K2[Zn(CN)4]

Das erhaltene Gold wird abfiltriert und eingeschmolzen, wobei die Ausbeute bei 95% liegt.


Abb. 5: Schema der Cyanidlaugerei

2.2.3 aus Anodenschlamm

Bei der Raffination von Kupfer (Cu) mittels Elektrolyse scheiden sich alle Metalle, die edler sind als Kupfer im Anodenschlamm ab. Da Gold ein Standardpotential von +1,69 V aufweist, Kupfer dagegen nur +0.52 V lässt sich Gold neben Silber (E0 = +0,8 V) im Anodenschlamm finden.

2.3 Negative Folgen der Goldgewinnung

Gold wird in Dritte-Welt-Ländern abgebaut, da es dort diesbezüglich nur sehr wenige gesetzliche Auflagen gibt. Aufgrund der lockeren gesetzlichen Regelung werden durch den modernen Goldabbau jedoch lang anhaltende Umweltschäden und soziale Probleme verursacht.

Pro Tonne Gestein sind nur ca. 1,5-2% Gold nutzbar, 99,9% sind hochgiftiger Abfall. Bei der Cyanidlaugerei verbleiben pro Mine 2-3 Mio. m3 Natriumcyanid in Absatzbecken. Nicht selten kommt es zu Lecks und Dammbrüchen, wodurch cyanidhaltiger Schlamm in die Umwelt freigesetzt wird, wie es beispielsweise im Jahr 2000 im rumänischen Baia Mare geschehen ist. Ein massives Fischsterben und die Verseuchung der Gewässer war die Folge. Zudem verursacht Cyanid schwere Gesundheitsschäden beim Menschen, da es im menschlichen Körper zum Stillstand der Zellatmungsvorgänge führt. Der unterbundene Sauerstofftransport führt zu einem qualvollen Ersticken. In Urwäldern wird beim Amalgamverfahren häufig das Amalgam über offenen Feuerstellen erhitzt, wodurch es in die Atmosphäre gelangt und Flüsse und Grundwasser für Jahrzehnte verseucht. Schätzungen zufolge landen jährlich 100t Quecksilber im Amazonas.


3 Eigenschaften

Elektronenkonfiguration [Xe] 4f145d106s1
Schmelzpunkt 1063°C
Siedepunkt 2660°C
Dichte 19,32 g/cm3
Ionisierungsenergien 1. 9,2 eV
2. 20,4 eV
3. 30,5 eV
Standardpotential Au/Au+ +1,69V
Au/Au3+ +1,50V

Das Element Gold steht mit der Ordnungszahl 79 in der 1. Nebengruppe des Periodensystems und hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 4f14 5d10 6s1. Eigenschaften, die Gold als Edelmetall ausweisen sind der hohe Schmelz- und Siedepunkt. Außerdem erfüllt es mit einer Dichte von 19,32g/cm3 das Kriterium der Schwermetalle (Dichte > 5g/cm3). Die hohe erste Ionisierungsenergie ist ebenso eine Eigenschaft von Edelmetallen wie das hohe Standardpotential. Alle Elemente, deren Normalpotential größer ist als das von Wasserstoff (E0>0 V) werden als Edelmetalle bezeichnet. Außerdem ist Gold, wie alle Edelmetalle, chemisch inert. Es zeigt also eine hohe Oxidationsbeständigkeit gegen Luft und wird auch von Säuren nicht angegriffen. Gelöst werden kann es nur in sehr starken Oxidationsmitteln wie Königswasser.


4 Experiment: Aqua regia - Königswasser

Zeitbedarf 15min
Ziel Demonstration der Inertheit gegenüber starken Säuren und der Wirkung von Königswasser durch das Auflösen von Gold
Material
  • Abzug
  • Becherglas
  • Pinzette
  • Meßzylinder
  • Blattgold
  • Handschuhe
Chemikalien konz. Salzsäure (3 Teile)
konz. Salpetersäure (1 Teil)
Durchführung 1 Blattgold wird in konz. Salzsäure gegeben.
Beobachtung 1 Die Inertheit des Edelmetalls wird gezeigt, das Blattgold löst sich nicht auf (Vgl. Abb. 6)
Durchführung 2 Ein Teil konz. Salpetersäure wird hinzugegeben.
Beobachtung 2 Auflösen des Blattgoldes und gelbliche Färbung der Lösung (Vgl. Abb. 7)
Deutung Gold kann in Königswasser aufgelöst werden.
Erklärung Gold kann nur durch starke Oxidationsmittel, wie bspw. Königswasser oxidiert werden:

HNO3 + 3 HCl → NOCl + 2 Clnasc. + 2 H2O

2 Au + 2 NOCl + 6 Clnasc. + 2 HNO3 → 2 HAuCl4 + 4 NO2

Entsorgung Neutralisation im Becherglas und Entsorgung im Ausguss.
Quelle Obendrauf V., Praxis der Naturwissenschaften -Chemie in der Schule, Experimente mit Blattgold, (5), 2008, S. 31-32.


Abb. 6: Blattgold in Salzsäure


Abb. 7: gelöstes Blattgold in Königswasser


5 Verbindungen des Goldes

Neben den Verbindungen in der von Gold bevorzugten Oxidationszahl +III kommen auch folgende Verbindungen vor:

Oxidationszahl +I

Au bildet lineare Verbindungen, in denen es die Oxidationszahl +I einnimmt. Allerdings sind in Wasser nur schwerlösliche Verbindungen, sowie stabile Komplexe mit kleinen Au+-Gleichgewichtskonzentrationen beständig. Der Grund hierfür ist das Potentialdiagramm von Gold:

3Au+ → 2Au + Au3+ ΔE = 0,29V

Au+ ist also in Wasser nicht beständig, es kommt zur Disproportionierung. Beispiele für Verbindungen dieser Oxidationszahl sind AuI, Au2S, sowie der Dicyanoaurat(I)-Komplex der bei der Cyanidlaugerei entsteht.

Oxidationszahl +II

Verbindungen dieser Oxidationszahl sind sehr selten, in den meisten Fällen handelt es sich um gemischte Au(I)/Au(III)-Verbindungen. Bsp.: AuCl2, AuSO4.

Oxidationszahl +V

Verbindungen dieser Oxidationszahl sind sehr unbeständig, Bsp.: AuF5. Neben den Verbindungen dieser Oxidationszahlen bildet Au noch unterschiedlich gefärbte Clusterverbindungen mit einer durchschnittlichen Oxidationszahl <I sowie metallorganische Verbindungen (Goldalkyle) aus.

Oxidationszahl +III

+III ist die bevorzugte Oxidationszahl von Au, hier bilden sich weitaus stabilere, quadratisch planare, Verbindungen als in den anderen Oxidationszahlen.

  • Oxid: Au2O3 Dieses Oxid ist das einzig sicher bekannte Goldoxid, allerdings ist es thermisch instabil. Oberhalb von 180°C zerfällt es in die Elemente.
  • Halogenide: AuCl3/AuBr3 werden bei 200°C bzw. 150°C aus den Elementen hergestellt:

2Au + 3 Cl2 → 2AuCl3

Beide Verbindungen sind dimer, die Au-Atome sind quadratisch koordiniert


Abb. 7: Goldchlorid

Au4Cl8 = Au2(I)Au2(III)Cl8 Diese Verbindung besteht aus Au(I) und Au(III), wobei Au(I) linear und Au(III) quadratisch koordiniert ist:


Abb. 8: "Tetragold"


6 Verwendung von Gold

60% der gesamten Goldvorräte werden zu Schmuck- und Luxusgegenständen aller Art verarbeitet. Diese Art der Verwendung ist schon seit langer Zeit bekannt. Dies kann man auch daran erkennen, dass der Name "Gold" vom indogermanischen Begriff "ghel" abgeleitet wurde, was blank, schimmernd bedeutet. Die lateinische Bezeichnung "aurum" kommt von aurora (lat.) = Morgenröte. Bereits alte Völker sammelten beträchtliche Mengen an Gold; so enthielt der Sarg des Tutanchamun zum Beispiel 112kg Gold. Je nach Verwendungszweck werden verschiedene Metalle mit Gold zu Legierungen verbunden. Weißgold zum Beispiel ist eine Legierung aus Au (1/3-3/4 des Gewichts), Cu, Ni und Ag. Mit Goldlegierungen schweißplattierte Bleche (meistens Messing) bezeichnet man als Doublé. Sie werden zu billigem Schmuck oder Uhrgehäusen verarbeitet. Die zweite wichtige Verwendungsart von Au ist die Geldanlage (30%). Hierbei findet man Au als geprägte oder gegossene Feingoldbarren mit einem Gewicht von 1-1000g, sowie als Münzen auf dem Markt. Die Goldmünzen der meisten Länder sind Legierungen aus 90% Au und 10% Cu. Bekannt hierbei sind der Krügerrand (1 Unze), der Maple Leaf (1 Unze) und der Australische Nugget (1/2 Unze). Standard zur Abmessung von Gold ist die Unze Feingold. Eine Unze bezeichnet eine Menge von 31,1035g Gold. Die Bezeichnung Karat dagegen bezieht sich auf die Feinheit, den Anteil der Legierung an reinem Gold. Reines Gold hat 24 Karat. Die Bezeichnung stammt von den Samen des Johannisbrotbaums, die in der Antike zum Abwiegen von Edelmetallen und Edelsteinen verwendet wurden. Heute jedoch bezieht sich die Angabe von Karat bei Edelsteinen nicht, wie beim Gold, auf die Reinheit, sondern auf die Masse. Bei Edelsteinen bezeichnet man 200mg als 1 Karat. Ferner findet Gold Verwendung in der Glas- und Keramikindustrie, in der Dentaltechnik, der Elektroindustrie, der Optik und der Raumfahrt.

[Hier befand sich eine Bilderkollage, die aufgrund möglicher Urheberrechtsprobleme entfernt wurde.]

Abb. 9: Übersicht über weitere Anwendungsbereiche des Edelmetalls Gold [15]


Abschluss:

  • Variante 1: Die Gründe für den edlen Charakter und den Preis des Goldes sind vielfältig. Wichtig sind neben der Farbe, der Seltenheit und den chemischen Eigenschaften vor allem die physikalischen Eigenschaften, die gute Verarbeitbarkeit und breite Anwendung garantieren. Gedanken sollte man sich aber auch über den wahren Preis des Goldes machen.

  • Variante 2: Gold trägt auf Grund seiner chemischen Inertheit, der hervorragenden Duktilität, dem dekorativen und finanziellen Wert wohl zu Recht den Namen "König der Metalle." Allerdings gehört der Tod durch Vergoldung der menschlichen Haut (Hautatmung weniger als 1% [16]) den Hollywoodmythen an oder erfordert toxische Zusätze in der aufgetragenen Substanz.

  • Variante 3: Aufgrund des edlen Charakters des Goldes sind drastische Mittel notwendig, um es zu lösen. Die Verwendung giftiger Chemikalien führt dabei zu einer hohen Belastung oder Zerstörung der Umwelt. Verbesserte Sicherheitsstandards bei technischen Verfahren und das Recycling von Elektroschrott können die Umweltbeblastung zumindest minimieren.


Literatur

  1. N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemie der Elemente, VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1988.

  2. A. F. Holleman, E. Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie, 102. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin - New York, 2007.

  3. E. Riedel, Anorganische Chemie, 6. Auflage, Walter de Gruyter-Verlag, Berlin - New York, 2004.

  4. http://de.wikipedia.org/wiki/Vergolden (16.01.2017)

  5. http://de.wikipedia.org/wiki/Gold (16.01.2017)

  6. http://www.regenwald.org/12-fragen/gold (16.01.2017)

  7. http://www.vsp-vernetzt.de/soz/000510.htm (16.01.2017)

  8. Quelle verschollen

  9. http://www.goldseiten.de (26.01.2017)

  10. http://www.youtube.com/watch?v=KdQoSK9wibU (26.01.2017)

  11. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sylvanite-Quartz-260038.jpg, 22.02.2016, Autor: Rob Lavinsky, Lizenz: creative commons

  12. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nagyagite-163939.jpg, 22.02.2016, Autor: Christian Rewitzer, Lizenz: creative commons

  13. http://tw.strahlen.org/fotoatlas1/calaverite_foto.html, 08.03.2016, Autor und Copyright: Thomas Witzke

  14. http://golddetecting.4umer.net/t3490-larger-nuggets (26.01.2017)

  15. Quelle verschollen

  16. http://de.wikipedia.org/wiki/Hautatmung (26.01.2017)

  17. http://www.chemie.de/lexikon/Gold.html (26.01.2017)


E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de