De ce nu ruginește aurul? Răspunsul ține și de relativitatea lui Einstein

În 1972, un excavatorist care săpa un șanț pentru un cablu electric la marginea orașului Varna, pe țărmul bulgăresc al Mării Negre, a dat peste niște podoabe de aur. Stăteau în pământ de peste șase milenii și străluceau ca noi. Un cui de fier lăsat în ploaie ruginește în câteva zile. De unde atâta diferență?

Rugina este rezultatul unei oxidări: atomii de fier cedează electroni oxigenului din aer, iar apa este obligatorie. Fără aer sau fără apă, cuiul nu ruginește; apa sărată grăbește procesul. Produsul, oxidul de fier(III) hidratat, nu protejează metalul, ci se exfoliază și lasă la vedere fier proaspăt, așa că atacul continuă.

Aurul face parte din metalele nobile, termen moștenit de la alchimiști: nu se oxidează în condiții obișnuite. De aceea apare în natură în stare pură, ca pepite, și a fost printre primele metale prelucrate de oameni. În 1995, Bjørk Hammer și Jens Nørskov au explicat în revista Nature de ce aurul este „cel mai nobil dintre metale”: poate forma aliaje stabile, dar moleculele de gaz se prind foarte greu de suprafața lui.

Cauza profundă stă în atom. Cei 79 de protoni din nucleu îi accelerează puternic electronii: cei mai apropiați ajung la circa 58% din viteza luminii. Aici intră în joc relativitatea lui Einstein: electronii se comportă ca și cum ar fi cu peste o cincime mai grei, iar orbitele lor se strâng. Efectul îl atinge și pe electronul exterior, singur în orbitalul 6s (configurația aurului este [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹). Contracția acestui orbital atinge un maxim chiar la aur, așa că electronul e ținut strâns și cedat greu. Chimistul finlandez Pekka Pyykkö conchide că proprietățile unice ale aurului sunt puternic influențate de efectele relativiste.

Tot relativitatea îi dă culoarea. Orbitalul 6s coboară pe scara energiei, iar orbitalii 5d urcă, așa că „treapta” dintre ei se micșorează. Electronii o urcă absorbind lumină albastră, iar restul spectrului, reflectat, ne apare galben. La argint, aflat deasupra aurului în tabelul periodic, efectul e mai slab, absorbția are loc în ultraviolet și metalul pare alb.

Comoara de la Varna arată cât de bine rezistă aurul. Necropola avea 294 de morminte, cu aproximativ 3.000 de obiecte de aur, cântărind circa 6 kilograme. Datările cu radiocarbon publicate în 2007 în revista Antiquity o plasează în jurul anilor 4560–4450 î.Hr., adică acum vreo 6.500 de ani. Este considerată cea mai veche comoară de aur prelucrat din lume, deși alte situri bulgărești sunt aproape la fel de vechi. Comunitatea care a făurit-o ținea de lumea culturii Gumelnița, numită după o movilă de lângă Oltenița.

Masca funerară a lui Tutankhamon spune aceeași poveste. Echipa lui Howard Carter a găsit-o la 28 octombrie 1925, în cel mai interior dintre cele trei sicrie ale faraonului, mort în jurul anului 1323 î.Hr. Carter a notat în jurnal că masca avea o expresie „tristă, dar liniștită”. Cântărește circa 10 kilograme, e lucrată mai ales din aur de 23 de carate și a ieșit la lumină fără urmă de coroziune.

Totuși, aurul poate fi dizolvat în apă regală, un amestec de acid clorhidric și acid azotic. În aprilie 1940, când Germania nazistă a ocupat Danemarca, chimistul maghiar George de Hevesy lucra la institutul lui Niels Bohr din Copenhaga, unde Max von Laue și James Franck își ascunseseră medaliile Nobel. Ca să nu fie găsite, le-a dizolvat:

„În timp ce trupele invadatoare mărșăluiau pe străzile Copenhagăi, eu eram ocupat să dizolv medalia lui Laue și pe cea a lui James Franck.”

După război, aurul a fost recuperat, iar Fundația Nobel a bătut medalii noi. Un alt solvent este cianura de sodiu sau de potasiu, pe care minele o folosesc pentru a extrage aurul din minereurile sărace, cu riscuri serioase pentru mediu. Aerul, apa și sudoarea însă nu-i fac aproape nimic. De aceea contactele din aparatele electronice sunt adesea placate cu aur: nu se corodează, la fel ca podoabele de la Varna.

Surse: Royal Society of Chemistry, U.S. Geological Survey, Nature (Hammer și Nørskov, 1995), Angewandte Chemie (Pyykkö, 2004), Antiquity (Higham et al., 2007), Visit Varna, Ministerul Culturii din Franța, Griffith Institute (Oxford), Fundația Nobel, LibreTexts, Wikipedia