Стимул наукових досліджень і збагачення, джерело бід та інженерних інновацій

(Початок у №4, 2024)

Блискуча краса

Вигук «Еврика!» означає вирішення складної проблеми. Добуте золото може містити трохи домішків заліза, міді, свинцю, платини та інших металів. Зустрічаються мінерали з підвищеним вмістом міді (до 20%; медисте золото), вісмуту (до 4%; висмутисте золото), платиноїдів (платинисте та іридисте золото). Спосіб відокремлення золота від срібла застосовували ще у ХХI столітті до нашої ери в Єгипті. А в ІІІ столітті до нашої ери правитель Сіракуз Гієрон доручив ученому Архімеду перевірити чесність майстра, який виготовив золоту корону.

Маса корони повністю збігалася з масою злитка золота, яку отримав майстер виготовлення корони. Але Гієрон запідозрив майстра, що той замінив частину золота іншими металами. Як же вирішити таку немислиму задачу? Це зараз, через 24 століття можна скористатися спектральним аналізом, та й тоді підробку можна приховати позолоченням. Щоправда, здавна пробу золотих монет на базарах визначали… на зубок. Всі знали, що чим чистіше золото, то м'якше. А досвідчені ювеліри спеціальним камінчиком робили на виробі ризику і за кольором з'ясовували домішки. Збереглася цілком правдива легенда, описана Вітрувієм – Архімед вирішив завдання, купаючись у ванні. В історії він запам'ятався тим, що серед білого дня біг містом із криком «Еврика!»

Але що цікаво – художник-гравер не знав і не розумів сенсу відкриття. Рішення прийшло до видатного вченого тоді, коли за його занурення у ванну вода почала виливатися на підлогу. Раптом він зрозумів, що об'єм витісненої води дорівнює об'єму тіла, зануреного у воду. Значить, зобразити потрібно було ванну з наповненою доверху водою і навіть, – воду на підлозі. Втім, за іншою версією – ванна була не повною і вода тільки піднялася, коли він заліз у неї. І Архімед зрозумів, що збільшення рівня води відповідає об’єму зануреного об'єкту. Він здогадався, що так можна визначити об'єм корони, щоб обчислити густину металу корони і порівняти її з відомою густиною золота. Але як би там не було, завдяки золоту (і домішкам срібла) було зроблено найважливіший внесок в область гідростатики. (Ювелір, між іншим, «розбавив золото», і Архімед точно визначив вміст срібла).

Метал змінює колір

Багато людей думають, що золото лише жовтого кольору. Щоправда, у магазинах та в музеях можна побачити ювелірні вироби із білого золота. Золото сплавляється з іншими металами (лігатурами) з метою зміни властивостей вихідних матеріалів (колір, твердість, електропровідність тощо), а також економії. Для легування використовують срібло, мідь, платину, родій, цинк, олово, свинець, залізо, вісмут, алюміній, нікель, кадмій, галій та інші метали і навіть неметали.

Сплав золота з ртуттю (амальгама) перебуває у рідкому стані. Незначні домішки олова, вісмуту чи свинцю надають золотому металу крихкість. У ювелірних виробах, монетах, медалях та стоматології відносний вміст золота оцінюють у каратах або за метричною системою. Чистому золоту відповідає 24 карати. Якщо сплав складається із золота наполовину, його оцінюють у 12 карат, якщо на 3/4 – 18 карат тощо. При метричній системі відзначають пробу, що показує, скільки грамів золота міститься в 1 кг золотого сплаву (або скільки частин золота в 1 тисячній частині золотого сплаву). Так, наприклад, 18-каратне золото має 750 пробу.

Склад сплавів, що застосовуються в техніці, визначають і вказують у масових (вагових) або атомних відсотках вмісту легуючого елемента (1% означає, що на 100 атомів сплаву припадає 1 атом цього елемента). Срібло підвищує м'якість, ковкість, змінює колір золота. При вмісті 20-40% срібла золотий метал має зеленувато-жовтий колір, при 50% – блідо-жовтий, при 65% і більше жовтий колір зникає. При сплавленні золота та міді знижується антикорозійна властивість. Сплави мають червонувато-жовтий колір, а при вмісті міді більше 14% метал стає червоного кольору. Паладій зберігає пластичність і ковкість, при вмісті паладію більше 10% колір стає білим. Платина робить золотий сплав білого кольору, збільшує крихкість. Нікель змінює колір сплаву до блідо-жовтого, зберігає ковкість, надає твердості та підвищує ливарні властивості. Якщо в 1000 вагових частинах буде міститися 750 частин золота, 166 срібла і 84 кадмію, то золотий сплав буде зеленого кольору. При обробці золотого сплаву зі сріблом сольовими розчинами поверхня набуває фіолетово-чорного кольору. Властивість золотого сплаву змінювати колір залежно від компонентів з давніх-давен використовується в ювелірному мистецтві.

Більшість сплавів виробляється плавленням технічно чистих матеріалів відомого складу та з дотриманням спеціальних технологій. Золоті сплави виплавляють у графітових тиглях. Склад сплавів визначають методами спектроскопії. Існують методи визначення проби золотого сплаву із застосуванням пробірного каміння, голок та спеціальних хімічних розчинів.

Метал змінює форму

У світі є безліч способів застосування дорогоцінних металів. З давніх-давен золото використовують для декоративних цілей, а також для демонстрації багатства. А з початку ХІХ століття потреба науки та техніки у золоті майже безперервно зростає. І, звичайно, застосовують метал не у вигляді самородків чи піску.

Залежно від цілей застосування розроблено різні технології обробки природного металу, перетворення його на відповідну форму та стан.

Ці складні красиві суцільнометалеві вироби відливали за моделями, що виплавлялися, паяли, карбували, кували; дротинки – витягували через фільєри; полірували; інкрустували дорогоцінним камінням. Розмір та вага таких виробів були обмежені, призначалися вони найчастіше для особистого користування. А багатьом хотілося мати щось велике, блискуче, мов золото. Відомі з давніх часів палаци, величезні статуї, дахи храмів, іконостаси, меблі та багато іншого, вкрите золотом. Позолоту – покриття тонким шаром – застосовують у художньо-ужитковій та декоративній творчості, в іконографії, у геральдиці, в ювелірному виробництві, в архітектурі та реставраційних роботах. Основна мета – надання їм багатого, розкішного, особливого естетичного вигляду. Але не менш важливим є захист від руйнування, корозії.

Технології золочення можуть бути різними: це і нанесення фарби або спеціалізованої пасти, виготовлених з металевого пігменту золота (в іконографії чи образотворчому мистецтві), і накладання на поверхню тонкої фольги – сусального золота, і напилення різними методами, гальванізація та інші. Позолочення металів сягає IV століття до н.е., про що свідчать Пліній та Вітрувій. Використовувалося воно також і в період раннього Середньовіччя (за повідомленнями Феофіла. У Європі найпоширенішим було срібло, а не позолота, в Китаї ж навпаки. Стародавні китайці освоїли золочення порцеляни, методи яких пізніше були освоєні французами та іншими європейськими гончарями.

Високотемпературне золочення – одна з найдавніших технологій. Вона, мабуть, найпростіша: золоту амальгаму наносять на виріб і чекають на повне випаровування ртуті, або підігрівають, щоб прискорити випаровування. (Але у будь-якому випадку – це дуже шкідливий для здоров'я метод). На Русі цей спосіб звався палення злата і широко використовувався з IX століття. Спосіб є прожарювання розчиненого в ртуті високопробного золота (амальгами) до повного випаровування ртуті. Перевага – висока корозійна стійкість та довговічність покриття. Недолік – висока токсичність ртуті. Однак ця технологія тисячу років широко використовувалася в архітектурі (для золочення куполів соборів та ін.).

На олійній основі застосовується золочення металевих поверхонь (пам'ятників, огорож, куполів, свинцевих фігур), гіпсових та кам'яних поверхонь, інтер'єрів. Золочення на клеючій основі застосовується при роботах по дереву, полотну, пергаменті, склу та металу. Гульфарба складається з лаку з домішкою невеликої кількості помаранчевого крона, розтертого на лляній олії. Крон до лаку домішується як підкладка під золото, щоб воно мало сильніший і глибший тон.

Золочення на глиняній основі або на поліменті та полімерах застосовується для золочення дерев'яних поверхонь (ікони, рами) і тільки для інтер'єрного золочення. Це найважчий, тривалий і найдорожчий вид золочення. Полімент складають із розведених у воді та розтертих сієни паленої, охри та муміє. Засушена суміш перед позолотою розмочується і розводиться на томленому яєчному білку. З кінця XVI ст. таким складом покривали левкас (грунт) під позолоту. У XVII столітті полімент готували з червоної глини (болюсу), мила, воску, китового жиру та яєчного білка.

Золочення з використанням засобів на водній основі застосовується для дерев'яних, гіпсових, металевих, поліуретанових та кам'яних виробів.

У кам'яному столітті ці властивості не годилися ні для знарядь праці, ні для полювання. Але настав золотий вік. Золото стало символом краси та багатства. Але як зробити багато блискучих речей? І тут якраз і стали в нагоді «негативні» властивості.

Золото – відносно м'який та дуже ковкий метал.  Завдяки високій пластичності його можна розплющити у листки завтовшки до 100 нанометрів (0,00001 сантиметр). Ці надзвичайно тонкі листи без тріщин та розривів мають назву – сусальне золото. Назва походить від давньослов'янського слова «сусаль», яке дослівно означало «обличчя», звідси нескладно зрозуміти виникнення терміну, адже позолотою покривається лише лицевий бік виробу.

Перша згадка про сусальне золото відноситься до періоду правління Південної та Північної династій Китаю. Історія виробництва золотих листів у районі Лон Тан, Нанкін, налічує близько 1700 років. Геродот у своїх роботах згадує, що єгиптяни покривали позолотою (золотили) вироби з дерева та металів. Ці артефакти згодом були знайдені істориками в археологічних розкопках. Давньогрецькі хрісоелефантинні скульптури із золота та слонової кістки також виготовлялися методами нанесенням листового золота на дерев'яну основу. Пліній Старший повідомляє, що перша позолота з'явилася в Римі після руйнування Карфагена, при преторі Луції, коли римляни почали прикрашати стелі храмів і палаців, і Капітолій став першим місцем, де було використано процес золочення. Пліній додає, що розкіш поширювалась так швидко, що за дуже короткий час можна було побачити позолоту навіть у бідних оселях.

Виготовляти сусальне золото починають із бруска з розмірами 20×5×1 см.  Цю заготівлю розкочують у 30-метрову тонку смугу. Далі смугу нарізають на квадрати, і кожен вкладається між листами спеціального паперу в стопку. Далі стопка, в який зібрано 100 – 300 листів золота, поміщається під молот і по ній наноситься близько двох тисяч ударів, поки кожен із квадратів не розплющиться в круглий коржик завтовшки кілька мікрон. А з коржиків знов вирізають квадрати і вкладають в книжку. Книга може містити від 10 до 300 аркушів сусального золота.

Найбільш трудомісткою і технічно складною операцією є відбиття (розплющування) ще відносно товстих квадратів. Для того, щоб золото розплющилося строго рівномірно і щоб кінцева стопка (збільшившись в діаметрі до 10 разів) мала рівномірну товщину без вибитих ділянок та без потовщень, удари потрібно наносити з певною силою і в певній послідовності по кожному з країв стопки і по центру.

Перший, історичний спосіб отримання сусального золота передбачає відбивання золота вручну. Молотобоєць б'є по стосі молотом, розраховуючи на спритність та окомір. При другому способі стос поміщається під автоматичний молот, який, хоч і завдає ударів однакової сили, але стос пересуває під молотом людина. Але найбільш просунута технологія – стопку під автоматичним молотом пересуває робот відповідно до програми.

Використання сусального золота – це єдиний практичний метод позолоти різноманітних предметів, особливо масштабних об'єктів на зразок куполів або статуй. Завдяки йому можна створювати неповторні шедеври. Цей метод залишається популярним і зараз, оскільки віддає майстру повний контроль над процесом золочення. Якщо приклеїти сусальне золото до якоїсь речі, здаватиметься, що вона повністю виконана із золота. Основний і практичний спосіб застосування позолоти – це нанесення сусального золота на пам'ятники, картини, ікони та ін. Завдяки сусалі можна виконувати цікаві та, як здається на перший погляд, неможливі шедеври!

З листів сусалі виготовляють творене золото. Так називаються мікроскопічні частинки металу як порошку. Із цього порошку виготовляють фарби та чорнило, які застосовуються для прикраси ікон та книг, для написання особливо важливих документів, грамот.

Ці технології золочення винайшли багато століть тому на основі хімічних перетворень та біологічної енергії. А у ХІХ столітті людство починає освоювати ще один вид енергії – електрику. І одним із перших способів його застосування стало покриття металів золотом. Гальванічний процес заснований на електроосадженні золота. Загалом цим процесом передбачається застосування ціаністих електролітів, які є дуже шкідливими. В даний час розроблені та набули широкого поширення кислі неціаністі електроліти, які забезпечують осадження блискучих покриттів сплавами золото-кобальт та золото-нікель. Технологія, заснована на принципі гальваніки, дозволяє одержувати найтонші покриття із золота.

О.М. Корнієнко, доктор історичних наук, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України