Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth Stand: 20.09.10 |
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Gold - Metall der KönigeVortrag von Anne-Kathrin Betz im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - AC", WS 03/04
Gliederung:
1.EinführungZur 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) 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.
2.VorkommenGold 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 (Sylvanit, AuAgTe4), Blättererz (Nagyagit, (Pb,Au) (S,Te,Sb)1-2) oder Calaverit (Krennerit, AuTe2). Natürlich vorkommendes Au ist chemisch nie vollkommen rein, sondern stets mit kleinen Mengen Ag, Cu oder Pt verunreinigt. 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 Au kann daran erkannt werden, dass es das einzige elementar vorkommende Metall ist. Dies zeigt, dass Au chemisch inert ist und somit keine Affinität zu O2 oder S zeigt.
3. Darstellung3.1 Ältestes Verfahren - GoldwäscheBei 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". 3.2 Moderne Verfahren3.2.1 AmalgamverfahrenIn Steinbrechern wird das goldhaltige Erz vorgebrochen und in Pochwerken gründlich mit Hg durchgearbeitet. Der größte Teil des enthaltenen Goldes amalgamiert mit Hg zu AuHgx. Gleichzeitig entsteht ein grober, trüber Schlamm - die Pochtrübe. Diese lässt man über geneigt liegende, amalgamierte, Cu-Platten laufen, so dass der restliche Teil des Goldes ebenfalls amalgamiert. Das Goldamalgam wird mehrmals täglich von den Cu-Platten abgekratzt und zusammen mit dem zuvor entstandenen erhitzt. Da Hg einen viel niedrigeren Siedepunkt hat als Au (Sdp. Hg: 357°C, Sdp. Au: 2660°C) destilliert es bereits bei geringeren Temperaturen, Au bleibt zurück. Dieses Rohgold wird eingeschmolzen, das Hg wird durch Kondensation im Kühlersystem rückgewonnen. Die Ausbeute dieses Verfahrens liegt bei 60%. 3.2.2 CyanidlaugereiBei dieser verbreiteteren 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 KCN oder NaCN-Lösung ausgelaugt. Au wird von O2 zu Au+ oxidiert, anschließend bilden sich mit CN- 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 Au wird abfiltriert und eingeschmolzen, wobei die Ausbeute bei 95% liegt. 3.2.3 aus AnodenschlammBei der Raffination von Cu mittels Elektrolyse scheiden sich alle Metalle, die edler sind als Cu im Anodenschlamm ab. Da Au ein Standardpotential von +1,69 V aufweist, Cu dagegen nur +0.52 V lässt sich Au neben Ag (E0 = +0,8V) im Anodenschlamm finden. Die Darstellungsweise von Gold ist kein Grund für den hohen Preis. Gold wird in Dritte - Weltländern produziert, da es dort nur sehr wenige gesetzliche Auflagen diesbezüglich gibt. Über 70 Staaten, darunter 31 in Afrika, haben extra ihre Gesetze gelockert, um ausländische Firmen anzusiedeln. Der wahre Preis des Goldes dagegen ist sehr hoch, denn der Goldbergbau verursacht enorme Schäden: Pro Tonne Gestein sind nur ca. 1,5-2% Au nutzbar, 99,9% sind hochgiftiger Abfall. Eine einzige Mine verursacht bis zu ihrer Schließung 10-15 Hektar verseuchten Abraum, der einfach in der Landschaft liegen bleibt. Der Abfall, der pro Jahr im Goldbergbau anfällt, reicht aus, um einen Müllwagen-Konvoi aus Lastern mit je 250t Stoßstange an Stoßstange um den Äquator zu bilden. Außerdem verbleiben pro Mine 2-3 Mio. cm3 NaCN in Absatzbecken. Hier kommt es nicht selten zu Dammbrüchen oder Lecks. So flossen zum Beispiel im Jahr 2000 bei einem Dammbruch in der rumänischen Goldmine Baia Mare 100.000m3 cyanid- und schwermetallhaltiger Schlamm und Abwässer in die Flüsse Lapus, Somesch und Theiß. Dies führte zu einem Massensterben von 1240t Fisch in der Theiß, alle 3 Flüsse gelten inzwischen als tot. Die Vorfälle in Rumänien sind aber nur die Spitze des Eisbergs. Weltweit versuchen ca.13 Mio. Goldsucher ihr Glück in Urwäldern und spülen mit Hg das Au aus den Erzen. Über ihren Feuerstellen destilliert Hg in die Atmosphäre ab, Flüsse und Grundwasser werden so auf Jahrzehnte verseucht. Schätzungen zufolge landen 100t Hg jährlich im Amazonas. Manche Flüsse im afrikanischen Urwald sind so cyanidverseucht, dass dort ansässige Stämme kein natürliches Trinkwasser mehr haben. Es wird herangefahren. Der Goldbergbau hinterlässt aber nicht nur schwere Wunden in der Landschaft und irreparable Schäden in der Umwelt, sondern auch Gesundheitsschäden beim Menschen. Cyanid führt im menschlichen Körper zum Stillstand der Zellatmungsvorgänge, da es mit Fe im Hämoglobin den Komplex Hexacyanoferrat bildet. Dadurch kann O2 nicht mehr transportiert werden und das Lebewesen, hier der Mensch, erstickt qualvoll. Nach Angaben der "International Labour Organisation" sterben jährlich 15.000 Menschen direkt oder indirekt durch Goldabbau.
4. Eigenschaften4.1 Chemische Eigenschaften
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 H2 (E0>0V) werden als Edelmetalle bezeichnet. Außerdem ist Au, 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. 4.2 Physikalische EigenschaftenGold ist rötlich (goldgelb) gefärbt und kristallisiert in der kubisch dichtesten Packung. Dies hat zur Folge, dass sich viele Gleitebenen herausbilden und der Metallverbund leicht deformierbar ist. Deshalb ist Gold weich, duktil, und leicht verform- und schmiedbar. Die auffallendste Eigenschaft von Au aber ist die extreme Dehn- und Walzbarkeit. 1g Au kann zu einer Folie von 1m2 (nur 230 Atome stark) ausgehämmert oder zu einem Draht von 165m Länge (20mm dick) ausgezogen werden. Außerdem ist Au ein guter elektrischer- und Wärmeleiter. All diese Eigenschaften machen Au zu einem begehrten und damit teuren Rohstoff.
5. Verbindungen des GoldesNeben 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 Au: 3Au+ ---> 2Au + Au3+ dE = 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.
Dieses Oxid ist das einzig sicher bekannte Goldoxid, allerdings ist es thermisch instabil. Oberhalb von 180°C zerfällt es in die Elemente.
6. Verwendung von Gold60% 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.
7. ZusammenfassungDie 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.
8. Literatur:
Service: Bilder und Folien als PowerPoint-Präsentation, ppt 1.1 MB
E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 20.09.10 |
