نگاهی به ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی طلا (قسمت اول)
مقدمه
طلا در طبقهبندی عناصر طبیعی در گروه مس قرار میگیرد. در سیستم کوبیک متبلور میشود و بلورهای آن به شکل اکتائدر و بندرت دودکائدر، هگزائدر و تراپزوئدر با آرایش شبکهای مکعب با سطوح مرکزدار هستند، اما طلا اغلب بهصورت رشتهای و شاخه شاخه از شکل افتاده است. بلورهای مکعبی طلا نادرند. طلا که فلز نجیبی است (سختی 5/2 تا 3 بر اساس مقیاس موس) میتواند در اثر آلیاژ شدن با مس و دیگر فلزات سخت شود. بیشتر طلاها مقداری نقره دارند. طلای خالص چگالی بالایی دارد و وزن مخصوص خود 3/19 است که وقتی نقره همراه آن بیشتر باشد به 6/15 نزول میکند. طلا سطح شکست تیز، کدر، با جلای فلزی به رنگ زرد و با رنگ خاکه زرد داشته و بسیار چکشخوار و مفتول شدنی است. طلا به واسطه خاصیت چکشخواری و وزن مخصوص زیاد از پیریت، کالکو پیریت و میکاهای تجزیه شده زرد رنگ مشخص میشود. طلا معمولا به صورت دانههای پراکنده در رگههای کوارتزی با پیریت و دیگر سولفورها، یا بهصورت دانههای گرد یا گاه تکههای غلنبه در رسوبات رودخانهای یافت میشود. سنگهای معدنی غیر از خود طلا، شامل سلنورهای طلا و تلورهای طلا است.
کانیهای اصلی طلا:
1. کالاوریت Calaverite با فرمول Au Te2
این کانی طلا در سیستم مونوکلینیک متبلور شده و بهصورت منشورهای تیغهای و شیاردار، غالبا دوقلو و تودههای دانهای پیدا میشود. رنگ این کانی از زرد برنزی تا سفید نقرهای متغیر است. خط اثرش خاکستری مایل به زرد تا خاکستری متمایل به سبز است. سختی آن 5/2 تا 3 و وزن مخصوص آن 31/9 است. کالاوریت فاقد رخ بوده و کدر و شکننده است. این کانی جلای فلزی دارد. در اسیدنیتریک گرم حل میشود و طلای فلزی در محلول قرمز آزاد میسازد. اختلاف آن با پیریت، سختی کمتر و داشتن بلورهای طویل است. قابل ذکر است که مقدار طلای کالاوریت تا 44 درصد میرسد. این کانی معمولا در رگههای هیدروترمال حرارت پائین تشکیل میشود.
2. سیلوانیت Sylvanite با فرمول Ag,Au) Te2)
این کانی نیز همانند کالاوریت در سیستم مونوکلینیک متبلور شده و بهصورت منشورهای کوتاه و ضخیم، که برخی دوقلو هستند و نیز به شکل ستون، چوببست یا دانهای پیدا میشوند. سلیوانیت احتمالا هم ساخت کالاوریت است، اما برخی از محلهای فلزی توسط نقره اشغال شده است. رنگ این کانی از خاکستری فولادی تا سفید نقرهای متغیر است و رنگ خاکه آن خاکستری متمایل به زرد است. سختی آن 5/1 تا 2 و وزن مخصوص آن 11/8 است. سیلوانیت جلای فلزی درخشان، کدر و شکننده دارد. سطح شکست آن ناصاف بوده و کلیواژ کامل(010) دارد. سیلوانیت در اسید نیتریک حل میشود و طلای فلزی آزاد میسازد. اختلاف آن با کالاوریت در داشتن رخ و سختی کمتر است. ضمنا مقدار طلای سیلوانیت 30 درصد است. این کانی نیز در رگههای هیدروترمال حرارت پایین تشکیل میشود.
3. کرنریت Krennerite با فرمول Te2 (Ag,Au)
این کانی در سیستم ارتو رمبیک متبلور میشود. سختی کرنریت 5/2 وزن مخصوصش 62/8 است. مقدار طلای کرنریت معمولا کمتر از کالاوریت است و حداکثر به 44 درصد میرسد. نسبت طلا به نقره در این کانی 4:1 است. کرنریت گسترش زیادی دارد، اما از لحاظ استخراج طلا اهمیت زیادی ندارد.
4. پتزیت Petzite با فرمول Te2 (Ag3,Au)
سختی این کانی 5/2، وزن مخصوص آن 13/9 است و مقدار طلای آن تا 25 درصد میرسد. رنگ این کانی خاکستری تا سیاه است و جلای فلزی دارد. رخ این کانی مکعبی و شکست ان مختصری صدفی است.
5. مونت برایتیت Montbrayite با فرمولAu2 Te3
این کانی سختی 5/2 و وزن مخصوص 9/9 دارد. مقدار طلای مونت برایتیت تا 50 درصد میرسد. این کانی یک تلوروید کمیاب است.
6. ناژیاژیتNagyagite با فرمول S4 (Te,Sb) Pb5 AU
سختی این کانی یک تا 5/1 و وزن مخصوص آن 5/7 است. مقدار طلای ناژیاژیت تا 7/12 درصد میرسد. یک کانی نادر بوده و اکثرا در کانسارهای ساب ورکانیک ـ گرمابی تشکیل میشود.
7. مالدونیت Maldonite با فرمول Bi Au2
سختی این کانی نامشخص و وزن مخصوص آن 7/15 است. مقدار طلای آن 65 درصد است. جزو کانیهای نادر بوده و در کانسارهای حرارت بالا تشکیل میشود.
8. اروشیبنیت Aurosibnite با فرمول Au Sb2
کانیهای فرعی طلا:
طلای خالص در طبیعت بسیار کم است و آنچه اصطلاحا به آن طلای خالص یا native گفته میشود، در واقع طلایی است که 4 تا 15 درصد جرمی و ایزومرف نقره دارد.
الکتروم Electrum با فرمول Au,Ag:
اگر مقدار نقره در اختلاط کانی از 15 درصد جرمی بیشتر شود، کانی الکتروم با رنگ زرد کم رنگ تا سفید که در حقیقت کانی حد واسط بین نقره و طلاست، بوجود میآید. گاهی مقدار نقره تا 50 درصد جرمی در ساختمان الکتروم بالا میرود.
کوشتلیت Kustelite با فرمول Ag,Au:
در این کانی نقره در اختلاط کانی بیشتر از 80 درصد جرمی است.
پورپزیت Porpesite:
این کانی علاوه بر نقره و طلا همراه با پالاریوم و رودیوم نیز دیده شده و مقدار پالادیوم بین 5 تا 11 درصد تغییر میکند و کانی پورپزیت حاصل میشود.
بیسموتو اوریت Bismutho-aurite با فرمول Au,Bi:
چنانچه طلا با بیسموت تا 4 درصد درصد جرمی همراه باشد، این کانی حاصل میشود. طلای کوپریفر Ore cuprifer به طلای مس دار اطلاق میشود.
اکسیدهای طلا:
از ترکیب هیدروکسید پتاسیم رقیق با کلرید طلای (I) بوجود میآید ولی کاملا ناپایدار است و در مجاورت این هیدروکسید به طلا و یون اورات (AuO2) جزیه میشود. با اضافه کردن هیدروکسید به محلولهایی که ترکیبهای طلای (III) دارند رسوب Au2OH3 یا به احتمال بیشتر هیدروکسید سس کویی اکسید (Au2 O3) تشکیل میشود. این ماده آمفوتر است، اما بیشتر اسیدی است تا قلیایی. اوراتهای قلیایی مثل KAuO2 محلولند، اما اوراتهای قلیایی خاکی نامحلول هستند.
اکسید طلای (II) (AuO) نیز تهیه شده، اما کاملا ناپایدار است.
خواص فیزیکی:
خواص فیزیکی طلا: طلای خالص بدون شک زیباترین فلزات است. این فلز جلای فلزی و رنگ زرد (وقتی بهصورت تودهای یافت شود) دارد و رنگهای سیاه، یاقوتی و زرشکی (وقتی بهصورت عادی و پراکنده یافت شود) دارد. طلا چکشخوارترین و رساناترین فلز بعد از نقره و مس است که فلزی نرم و هادی بسیار خوب حرارت و الکتریسیته است. علامت اتمی طلا Au است. جرم اتمی طلا برابر با 9665/196، عدد اتمی آن 79 و شعاع اتمی آن 144 پیکومتر است. طلا بهصورت یک فلز سنگین و نیز «نجیب» طبقهبندی شده و در تجارت، مهمترین فلز در میان فلزات گرانبها تلقی میشود. فقط یک ایزوتوپ پایدار طلا وجود دارد و آن هم ایزوتوپ 79 آن است. طلا تقریبا 24 ایزوتوپ رادیواکتیو دارد. رنگ این فلز زرد سیر است، اما وقتی از روشهای فراریت یا رسوبی به دست میآید به رنگ بنفش سیر، ارغوانی و یا قرمز سیر دیده میشود. نقطه ذوب طلا 18/1064 درجه سانتیگراد و نقطه جوش آن 2856 درجه سانتیگراد و جرم حجمی آن gr/cm3 32/19 است. سختی این فلز بر حسب مقیاس موس برابر با 3-5/2 و با طلا در مقایسه با دیگر فلزات از خاصیت ورقه و مفتول شدن زیادتری برخوردار است. طلا را میتوان به صورت ورقهای با ضخامت یک ده هزارم میلیمتر و مفتولی به جرم 0005/0 گرم در هر متر درآورد. آلیاژ آن با مس، قرمزتر، سختتر و قابلیت گداخته شدن بیشتری تا طلای خالص را دارد. همانند دیگر فلزات گرانبها، طلا در ایران بر حسب «مثقال» که برابر 4/4 گرم است و در خارج با مقیاس «تروی troy» میسنجند که هر اونس معادل با 103431/31 گرم است. از خواص منحصر به فرد طلا، قابلیت چکشخواری و رنگ زرد مایل به قرمز براق آن است. به وسیله الکترولیز، میتوان صفحاتی به ضخامت 00001/0 میلیمتر و با کشش میتوان مفتولی به قطر 006/0 میلیمتر از طلا را بوجود آورد. یک گرم طلا تا طول 3 کیلومتر قابل کشش است. مقدار ناچیزی از فلز سرب، بیسموت، تلور، سلنیم، آنتیموان، قلع و آلومینیوم، طلا را شکننده میکنند. مقیاس مساوی با 5/18 است.
خواص شیمیایی:
خواص شیمیایی طلا: از لحاظ شیمیایی طلا یکی از کم فعالترین فلزات به شمار میرود. این فلز در تماس با هوا کدر نمیشود. در مقابل قویترین محلولهای قلیایی پایدار است و در تماس با تمام اسیدهای خالص، به جز اسید سلنیک، کاملا مقاوم است. برای حل کردن طلا به نحو شیمیایی بهترین راه این است که آن را در مخلوط یک مول اسید نیتریک و سه مول اسید کلرئیدریک که به نام تیز آب سلطان مشهور است، قرار دهیم.
طلا همچنین میتوان با برم در دمای اتاق و فلوئور، کلر، ید و تلوریوم در دماهای بالاتر ترکیب شود، یکی از خصوصیات جالب طلا این است که میتواند به صورت سولی و یا کلوئیدی درآید. سولیهای آبی طلا بر حسب اندازه ذرات آن میتوانند به رنگهای قرمز، آبی یا ارغوانی در آیند. سولی زیبای کاسیوس را میتوان با اضافه کردن کلرید قلع (II) به ترکیبات طلا به دست آورد. طلا در ترکیبات مختلف خود بهصورت +1 و +3 ظرفیتی ظاهر میشود. طلا تمایل بسیار زیادی در تشکیل کمپلکسهایی دارد که در آن همیشه بهصورت +3 ظرفیتی است. ترکیبات +1 ظرفیتی طلا خیلی پایدار نیستند و عموما به ظرفیت +3 اکسیده شده یا اینکه بهصورت فلز آزاد احیاء میشوند. تمام ترکیبات طلا اعم از 1 ظرفیتی یا 3 ظرفیتی اکسید شده یا اینکه بهصورت فلز آزاد احیا شوند، در حالیکه در مورد ترکیبات فلزات فعال به آسانی میسر نیست.
طلا برخلاف نقره و مس میتواند تشکیل ترکیبات آلی فلزی حقیقی دهد که همگی نیز پایدارتر هستند. طلا و گوگرد را اگر با هم حرارت دهیم ترکیب نمیشوند، اما این فلز در پلی سولفیدهای قلیایی حل شده و تیواوریتها و احتمالا بعضی از تیواوریتها را بوجود میآورند طلا 18 ایزوتوپ داشته و نیمه عمری حدود 7/2 روز دارد. ترکیبی از یک بخش اسید نیتریک با 3 بخش اسید هیپوکلریک «آکوارجیا» یا به فارسی، تیزآب سلطانی نامیده میشود که میتواند طلا را در خود حل کند و به این دلیل به این نام خوانده میشود که میتواند شاه فلزات را در خود حل کند. طلایی که در دسترس ما است طلای تجارتی نام دارد که خلوص 999/99+ درصد را دارد. وزن مخصوص طلا براساس مقدار دما و عوامل دیگر متغیر است.
زمان نیمه عمر طلای رادیواکتیو 198 برابر با 7/2 روز است و از این ایزوتوپ در درمان پزشکی بهره میگیرند، همچنین این ایزوتوپ مصارف صنعتی متعددی به عنوان یک ردیاب دارد و از آن در مطالعات حرکات رسوب کف اقیانوسها در سواحل و اطلاف استفاده میشود. طلا همچنین در فرآیندهای صنعتی عامل بسیار خوبی در برقراری و تمرکز انرژی حرارتی است. در بعضی از ادارات برای ممانعت از انتقال انرژی شیشه،پنجرهها را با پوششی از طلا میپوشانند تا بتوانند به مقدار زیادی از حرارت فصل تابستان کم کند و بر عکس نگذارد که حرارت داخل اتاق به خارج در فصل زمستان منتقل شود و در ضمن، نور بسیار مطلوبی نیز بتواند وارد اتاق شود. برای آب کردن یخ و برف روی شیشه بعضی از هواپیماها، کشتیها و لوکوموتیوها از طلا استفاده میشود. بعضی از کمپلکسهای طلا مثل فسفیتها که معمولا ترکیبات آلی گوگردی نیز دارند، توانستهاند در درمان بیماری آرتوروز مفاصل مفید واقع شوند. کارآیی طلا بهعنوان کاتالیزور در واکنشهای هیدروژندهی و هیدروژنزدایی مورد مطالعات بسیار وسیعی قرار گرفته، اما هنوز آنقدرها از این فلز برای این منظور استفاده نشده است.
البته مخلوط طلا و پالادیم تنها بهعنوان کاتالیزور در بعضی از فرآیندهای مخصوص هیدروژندهی و زدایی دارد، اما طلا هنوز هم در مقایسه با فلزات گروه پلاتین در این موارد از اهمیت کمتری برخوردار است. از طلای باخلوص +999/9 درصد در ساخت بعضی از استانداردهای شیمیایی و فیزیکی استفاده میشود.
هیچ فلز یا آلیاژ جایگزین، تمام خواص مطلوب طلا را ندارد. تنها عاملی که میتوان مساله جایگزینی را شدت بخشد قیمت بالای طلاست، بهطوری که با افزایش قیمت طلا در دوره زمانی 80-1979 چند سازمان استفادهکننده از طلا، تشکیل کمیتههایی را دادند تا در این رابطه تحقیق کرده و راههایی را برای کاهش مصرف طلا در محصولات مختلف خود تعیین کنند. کاربرد پالادیم و پلاتین بهعنوان جانشین، نیز ارتباط نزدیکی به قیمت داشته و مصرفکننده بیشتر تمایل به طلا دارد. در صنایع الکترونیک چند ماده جایگزین از قبیل آلیاژ (نیکل ـ قلع)، پالادیم یا (پالادیم ـ نقره) میتوانند به کار گرفته شوند که اغلب آنها با پوشش نازکی از طلا همراه بوده و این پوشش آنها را از اکسید شدن حفظ میکند. در حال حاضر طلا، جایگاه اصلی خود را در زیورآلات و صنعت حفظ کرده است.
محصولات فرعی(طلا بهعنوان یک محصول فرعی):
بیشتر طلای جهان از معادنی تامین میشود که در آنها طلا محصول اصلی است، اما مقادیر مهمی نیز در حین تصفیه فلزات دیگر بهویژه مس بازیابی میشوند. در ایالات متحده آمریکا، در طول سال 1983 حدود 20 درصد کل تولید، محصول فرعی استخراج فلز پایه به ویژه مس بود. طلا در چندین کشور، از کانیهای مس بازیابی میشود.
برای مثال این فلز از کانیهای نیکل در کانادا، از کانیهای پلاتین در آفریقایجنوبی بازیابی شده و سایر کشورهایی که در آنها طلا بهعنوان یک محصول فرعی مهم بازیابی میشود، عبارتند از: فیلیپین، استرالیا، گینه جدید، مکزیک و شوروی.
در ایران نیز از معدن مس سرچشمه کرمان طلا بهعنوان یک محصول فرعی به دست میآید. نقره به خاطر همراهی و ارتباط آن با طلا در کانیها بهعنوان یک محصول، همراه تمام عملیات استخراج طلا است.
در تصفیه نهایی طلا بهعنوان یک محصول فرعی در کشور ایالات متحده، مقادیر مهمی از فلزات خانواده پلاتین (بهویژه پالادیم) نیز بازیابی میشوند. در سرتاسر جهان، کانیهای طلا و کانسارهای آبرفتی محصولات فرعی ارزشمندی را فراهم میآورند. برای مثال میتوان به چندین معدن طلای مهم آفریقایجنوبی اشاره کرد که در آنها اورانیم بهعنوان محصول مهم همراه تولید میشود.
ذخایر طلا و همراهان آن:
عموما طلا، با سولفیدهای فلزی غیرآهنی و کانیهای وابسته به آن، ارتباط بسیار نزدیکی دارد و اغلب با این سولفیدها و یا محصولات ناشی از اکسید شدگی آنها همراه است. این همراهان طلا عبارتند از کالکو پیریت،اسفالریت، گالنیت، آرسنوپیریت، پیریت، آنتیمونیت، لیمونیت و کوارتز.
آنتیمونیت:
آنتیمونیت معمولا بهصورت بلورهای ستونی و سوزنی یا اینکه بهصورت شعاعی پدیدار میشود و بندرت به صورت آگرگات در کوارتز دیده میشود، ترد و شکننده بوده، رنگ آن خاکستری سربی و جلای فلزی دارد.
لیمونیت (کانه آهن قهوهای):
انباشتگی و تراکم این کانی در قسمتهای آلتره شده کانه سولفیدی، از این جهت قابل توجه است که در بعضی مواقع مقادیر زیادی از طلا دارد. کوارتز بیشتر از دیگر کانیها، طلا را همراهی میکند. بدین سبب اغلب در رگههای کوارتزی وجود دارد. طلای آشکار اغلب در کوارتزهای زرد ـ قهوهای با ادخالهای اخری دیده میشود.
کانی هرزه سنگ طلا:
کانی هرزه سنگ طلا، معمولا کوارتز است، اما کربناتها، تورمالین، فلوئوراسپا (فلوئورید کلسیم) و مقدار کمی از کانیهای غیرفلزی نیز ممکن است بهعنوان هرزه سنگ طلا وجود داشته باشند. طلا معمولا در سولفیدهای فلزات و کانیهای وابسته آن جای میگیرد.
بهطور کلی کانسارهای طلا را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
الف. کانسارهای برجا:
در کانسارهای برجا طلا همراه سنگهای آذرین اسیدی عمیق و بینابین و به ندرت در سنگهای آذرین خروجی پیدا میشود. در هر صورت همراه کوارتز در رگههای کوارتزی، همراه کانیهای کلسیت،باریت، فلورین، آلاباندین و همچنین همراه کانیهای فلزی مانند پیریت، بلند، کالکوپیریت، کانیهای نقره و کانیهای تلور و خیلی بندرت همراه سلنیم است.
ب. کانسارهای آبرفتی:
از تخریب کانسارهای برجا و حمل و نقل آن بهوسیله عوامل طبیعی، کانسارهای آبرفتی تشکیل میشود و تجمع طلای ناب در این صورت در بستر رودخانهها و دریاچههای بسته انجام میگیرد. در آن صورت طلا همراه سایر کانیهای سنگین مانند کرندوم و زیرکن و منازیت و کاسیتریت و بالاخره مگنتیت (به شکل ماسه سیاه) است. در پوسته زمین تخمین زده میشود که دارای مقدار متوسط 0001/0 اونس طلا به ازای یک تن کوچک یا 5/3 قسمت در بیلیون طلا باشد. سنگهای رسوبی بهویژه ماسه سنگها از درصد بیشتری طلا برخوردار هستند. در میان سنگهای آذرین، مقدار متوسط طلا در سنگهای مافیکی تیره فام کمی بالاتر بوده و نسبت به سنگهای فلسیک پایینتر است. آب دریا نوعا دارای PPB 011/0 طلا است، آبهایی که از معادن طلا در یاکوت جنوبی در شوروی جاری میشوند، شامل مقدار متوسط طلا هستند. لازم به یادآوری است که چشمههای آب گرم معمولا نسبت به آبهای دیگر از درصد بیشتر طلا برخوردار هستند و کانسارهای طلا در بسیاری از انواع سنگها یافت میشوند. کانسارهای هیدروگرمایی در سنگهای آذرین واسطهای و اسیدی و آبرفتهای رسوبی سنگهای کربناته رگهدار و در سنگهای متامرفیک یا رسوبی سیلیسی یا آلومینی، بهطور معمولتری ظاهر شده و دیده میشود. اصولا کانسارهای طلا منشاهای زیر را دارند:
هیدروگرمایی، هیدروگرمایی ـ متامرفیک، متامرفیک، آبرفتی (رگهای، تودهای و پراکنده) و جوش سنگها (لایههای سطحی، شکافهای باریک ایجاد شده در طول زمان).
طلا اساسا همانطوری که گفته شد، بهصورت فلز طبیعی رخ داده و با نقره و دیگر فلزات تشکیل آلیاژ میدهد و همچنین بهصورت تلوریدها ظاهر میشود، از جمله آلیاژهای طلا میتوان به الکتروم آلیاژ طلا و نقره اشاره کرد و البته سایر مواد معدنی طلا کمیاب بوده و طلا معمولا همراه با سولفیدهای آهن، نقره، آرسنیک، آنتیموان و مس است، اگرچه غنیترین کانسارهای رگهای از نوع رگهای شکافدار همراه با گانگ کوارتزی مانند بونانزس هستند، لکن طلا بیشتر از کانسارهای عظیمی که عیارشان متوسط است استخراج میشود. در آفریقای جنوبی برای مثال کانیهای طلا با 10/2 اونس طلا در تن مورد عملیات بهرهبرداری قرار میگیرند و در کنار آن معادنی وجود دارند که در آنها کانیهای مربوطه در هر تن 69/0 اونس طلا موجود است. کانیهای طلای ایالات متحده آمریکا، بهطور متوسط 1/0 اونس یا کمتر طلا در هر تن دارند، هرچند امروزه با بهرهگیری از روشهای جداسازی و بازیابی ویژهای (فرآیند جداسازی کپهای شیمیایی) کانیهایی با کمتر از 1/0 اونس طلا در تن را میتوان مورد بهرهبرداری قرار داد.
برای خواندن قسمت دوم کلیک کنید.
محمد جلالی
دانشجوی دکترای اکتشاف دانشگاه امیرکبیر تهران