Arany: egy régi csillagkatasztrófa emlékét viseljük az ujjunkon

Az egyik legismertebb nemesfém más fémekhez, illetve kémiai elemekhez képest sokkal ritkábban fordul elő a Földön, és részben ennek, részben pedig az egyedülálló tulajdonságainak köszönheti a magas értékét is. Az, hogy az arany a természetben ritkán fordul elő, nem a véletlenre, hanem e nemesfém speciális, kozmikus eredetű keletkezési körülményeire vezethető vissza. Az aranyról közismert, hogy nem korrodál, továbbá ellenáll még a legtöményebb sósav, kénsav vagy salétromsav romboló, oldó hatásának is. Az viszont már sokkal kevésbé tudott, hogy az arany minek köszönheti e páratlan tulajdonságait.

Az arany csak szupernóva-robbanás során keletkezik Fotó: Devianart

Az aranyból készített tárgyak ellenállnak a korróziónak   Fotó: Winni

A közelmúltban egy tudóscsoport újabb részletét tárta fel annak, hogy az arany miért maradhat szemmel láthatóan érintetlen e más fémeket súlyosan károsító kémiai folyamatokkal szemben. 

Az arany felszínén lévő atomok olyan geometriai formában rendeződnek át, ami meggátolja az oxidációt, 

azt a folyamatot, ami a legtöbb fém elhomályosodását, illetve károsodását okozza. E nélkül az átrendeződés nélkül az arany is másodpercek alatt oxidálódni kezdene – írja a tanulmányt jegyző tudóscsoport  a Physical Review Letters tudományos folyóiratban május 21-én közzétett publikációjában. 

Egy nagy természetes aranyrög   Fotó: Reno Chris/Wikimedia Commons

Ahhoz, hogy egy fém oxidálódjon, először fel kell bontania a környező levegő oxigénmolekuláit, amelyek mindegyike két oxigénatomból áll. Az oxigénatomok ezután olyan vegyületeket képezhetnek, amelyek megtapadnak a fém felületén. A kutatók kiszámították, hogy az arany felülete mennyire képes lebontani a levegőben lévő oxigénmolekulákat.

Mesterségesen is előállítható, csak nem úgy, ahogy az alkimisták gondolták

Amikor egy új felületet alakítanak ki a nemesfémen, például az arany megvágásával, az atomok az atomrácson belül elmozdulnak az eredeti elrendeződésükből – ezt a folyamatot nevezzük rekonstrukciónak. Az arany felületén az atomok különböző rácsszerkezetei fordulhatnak elő. A kutatók két olyan gyakori esetre koncentráltak, amelyekben az atomok eredetileg négyzetrácsokban helyezkednek el, de hatszögűekké rekonstruálódnak. 

Az aranyatomok különféle rácsszerkezetekbe rendeződhetnek   Fotó: Alchemist-hp/Wikimedia Commons

Kvantummechanikai számítások alapján a tudósok azt találták, hogy a négyzetes elrendezés sokkal jobban bontja le az oxigént, mint a hatszögletű. Ahhoz, hogy a hatszögletű rácsszerkezet oxigént bontson, először vissza kell torzulnia az eredeti négyzetrács formájába, ami megakadályozza az oxidációt.

Az arany harmadik gyakori felületi szerkezete, amelyről már ismert volt, hogy rosszul oxidál, eredendően hatszögletű.

Az arany-oxid önmagában instabil, így még ha a négyzetes elrendeződést bizonyos körülmények között fenn is lehetne tartani, ez az anyag valószínűleg akkor is csak egy vékony oxidréteget képezne – mondja Matthew Montemore vegyészmérnök, a tanulmány társszerzője, akit a Science News tudományos hírportál idéz. Az eredmények azonban előmozdíthatják annak jobb megértését, hogy a tudósok hogyan tervezhetnek hatékonyabb katalizátorokat, azaz olyan anyagokat, amelyek  a kémiai reakciók előrehaladását segítik.

Kőzetbe záródott arany  Fotó: BC Gold Adventures

 „Mindenképpen meglepő volt, hogy a rekonstruált arany mennyivel kevésbé  oxidálódó” – mondja Mathew Montemore, a New Orleans-i Tulane Egyetem munkatársa. 

„Az apró pozícióbeli eltolódások óriási különbséget jelentenek: az oxidáció nagyjából egymilliárdszor, sőt egybilliószor lassabb, ha átrendezzük a rácsszerkezetet” – hangsúlyozza a kutató. Kevéssé ismert, hogy arany mesterségesen is előállítható a periódusos rendszer 81-es rendszámú eleméből, a talliumból, az alumíniumcsoport utolsó tagjából, atomreaktorban. 

Az alkimisták ólomból szerettek volna aranyat csinálni   Fotó: David Teniers

A mesterséges arany előállításának költsége azonban két nagyságrenddel is meghaladja a természetben előforduló arany bányászati költségét, és csak rendkívül kis mennyiség állítható elő ezen az úton. A középkor alkimistái a bölcsek kövének előállításával kísérleteztek, hogy annak segítségével az ólomból állítsanak elő színaranyat. Ez azonban kémiailag lehetetlen.

A ritka nemesfém, az arany:

• szupernóva-robbanás során keletkezik,
• és más fémekkel ellentétben rendkívül ellenálló a korrózióval szemben,
• mert a felületén lévő atomok olyan geometriai formában képesek átrendeződni,
• ami megakadályozza a korróziót.