金(Au)の化学的性質

基本情報

• 元素記号: Au (ラテン語 Aurum より)
• 原子番号: 79
• 電子配置: [Xe]4f¹⁴5d¹⁰6s¹
• 酸化数: +1(金(I)イオン Au⁺)、+3(金(III)イオン Au³⁺)
• 常温での状態: 黄金色(金色)の金属
• 特徴: 遷移元素、展性・延性に極めて富む(最も延ばせる金属)、化学的に非常に安定、イオン化傾向が最も小さい、貴金属

金の製法

1. 自然金からの採取

金は自然界に単体(自然金)として存在することが多い。

• 砂金: 川や海岸の砂の中に含まれる金粒
• 金鉱石: 石英などの岩石中に含まれる金
• 採取法: 比重選鉱(金の比重が大きいことを利用)

2. 青化法(シアン化法)

金鉱石をシアン化ナトリウム水溶液で処理し、錯イオンとして溶出させて金を得る方法。

金の化学反応

1. 酸素・空気との反応

• 常温・高温ともに酸素とは反応しない
• 空気中で変色しない(化学的に極めて安定)

2. 水との反応

• 常温・高温ともに水とは反応しない

3. 酸との反応

金はイオン化傾向が最も小さく、単独の酸にはほとんど溶けない。

希硫酸・希塩酸・希硝酸・濃硝酸

• 反応しない(イオン化傾向が最も小さい)

王水による溶解(最重要)

濃塩酸と濃硝酸の混合物(体積比 3:1)である王水には溶ける。

• 王水との反応: (6) Au + 3HCl + HNO₃ → HAuCl₄ + NO↑ + 2H₂O
• 　　　　　　　(テトラクロロ金(III)酸、黄色)
• イオン反応式: (7) Au + 4Cl⁻ + 3H⁺ + NO₃⁻ → [AuCl₄]⁻ + NO↑ + 2H₂O

王水の作用: 硝酸が酸化剤、塩酸が錯イオン形成剤として働く

熱濃硫酸

• ほとんど反応しない(わずかに溶ける程度)

4. ハロゲンとの反応

• 塩素との反応(加熱): (8) 2Au + 3Cl₂ → 2AuCl₃ (塩化金(III)、赤褐色)
• 臭素との反応(加熱): (9) 2Au + 3Br₂ → 2AuBr₃ (臭化金(III)、暗褐色)

5. シアン化物との反応

シアン化ナトリウム水溶液に空気(酸素)を通じると溶ける。

• (10) 4Au + 8CN⁻ + O₂ + 2H₂O → 4[Au(CN)₂]⁻ + 4OH⁻
• (ジシアノ金(I)酸イオン)

6. アルカリとの反応

• 水酸化ナトリウムなどの強塩基とは反応しない(両性でない)

金の化合物

1. 金(I)イオン Au⁺ の性質

• 安定性: 水溶液中では不安定(不均化反応を起こす)
• 色: 化合物は多く淡色

Au⁺ の不均化反応

• 水溶液中: (11) 3Au⁺ → Au³⁺ + 2Au

2. 金(III)イオン Au³⁺ の性質

• 色: 水溶液は黄色
• 安定性: Au⁺ より安定
• 酸化性: 強い酸化性を示す

3. 塩化金(III) AuCl₃ の性質

• 色: 赤褐色
• 溶解性: 水に溶けて加水分解

• 加水分解: (12) AuCl₃ + H₂O → AuOHCl₂ + HCl

4. テトラクロロ金(III)酸 HAuCl₄ の性質

王水に金を溶かすと生成する。

• 色: 黄色
• 溶解性: 水に易溶
• 用途: 金メッキ、金コロイドの製造

5. 錯イオンの形成

シアノ錯イオン

• 金(I)の錯イオン: (13) Au⁺ + 2CN⁻ → [Au(CN)₂]⁻
• 　　　　　　　　(ジシアノ金(I)酸イオン)

クロロ錯イオン

• 金(III)の錯イオン: (14) Au³⁺ + 4Cl⁻ → [AuCl₄]⁻
• 　　　　　　　　(テトラクロロ金(III)酸イオン、黄色)

6. 金(III)イオンの還元

金(III)イオンは強い酸化性を持ち、容易に還元されて金を析出する。

• 硫酸鉄(II)による還元: (15) Au³⁺ + 3Fe²⁺ → Au + 3Fe³⁺
• シュウ酸による還元: (16) 2Au³⁺ + 3H₂C₂O₄ → 2Au + 6CO₂ + 6H⁺
• 過酸化水素による還元: (17) 2Au³⁺ + 3H₂O₂ → 2Au + 3O₂ + 6H⁺

7. 主な金化合物

• 塩化金(I) AuCl: 黄色
• 塩化金(III) AuCl₃: 赤褐色
• 臭化金(III) AuBr₃: 暗褐色
• 酸化金(III) Au₂O₃: 褐色、不安定
• テトラクロロ金(III)酸 HAuCl₄: 黄色、水に易溶

金の用途と重要事項

イオン化傾向

K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > (H₂) > Cu > Hg > Ag > Pt > Au

• 金はイオン化傾向が最も小さい
• 単独の酸にはほとんど溶けない
• 王水(濃塩酸+濃硝酸)にのみ溶ける
• 化学的に極めて安定で、変質・変色しない

金の特性

• 展性・延性: 全金属中で最も延ばせる(1gで約3000mの金線)
• 電気伝導性: 銀・銅に次いで高い
• 熱伝導性: 優れている
• 反射性: 赤外線をよく反射する
• 比重: 19.3(非常に大きい)
• 融点: 1064℃

金の用途

• 装飾品: 宝飾品、アクセサリー
• 通貨・投資: 金貨、金地金(インゴット)
• 電子部品: 接点、配線(腐食しないため信頼性が高い)
• 歯科材料: 金歯、金合金の充填材
• めっき: 金メッキ(装飾、防食)
• ガラス: 着色剤(ルビーガラス)
• 医薬品: 金コロイド(関節リウマチの治療)
• 宇宙開発: 人工衛星の熱遮蔽材

金の純度表示

• 24金(K24): 純金(99.99%以上)
• 22金(K22): 91.7%の金
• 18金(K18): 75%の金(宝飾品に多い)
• 14金(K14): 58.5%の金
• 10金(K10): 41.7%の金

※ 純金は柔らかすぎるため、通常は銀や銅を加えて合金にする

金の合金

• ホワイトゴールド: Au + Ni または Au + Pd、銀白色
• ピンクゴールド: Au + Cu、ピンク色
• グリーンゴールド: Au + Ag、緑がかった色
• 青金: Au + Fe、青色
• 歯科用金合金: Au + Ag + Cu + Pd

金の検出と分析

王水による溶解試験

• 金かどうかを確認する最も確実な方法
• 王水に溶ければ金(またはプラチナ)

塩化スズ(II)による検出

• HAuCl₄ 水溶液に SnCl₂ を加える:
• (18) 2[AuCl₄]⁻ + 3Sn²⁺ → 2Au + 3Sn⁴⁺ + 8Cl⁻
• (紫色の金コロイド「カシウスの紫」を生成)

金コロイド

金の微粒子が水中に分散したもの。

• 色: 赤色~紫色(粒子の大きさによる)
• 製法: 塩化金酸を還元剤で還元
• 用途: ルビーガラスの着色、試薬、医薬品

金の埋蔵と産出

• 主要産出国: 中国、オーストラリア、ロシア、アメリカ、カナダ
• 産出形態: 自然金(単体)、金鉱脈、砂金
• 随伴鉱物: 石英、黄鉄鉱など
• 海水中の金: 海水1トンあたり約0.01mg(採取は困難)

金の歴史的重要性

• 古代から価値ある金属として珍重
• 通貨としての歴史(金本位制)
• 不変性・希少性から「価値の保存手段」
• 錬金術の究極目標(卑金属を金に変える)

王水の性質

濃塩酸と濃硝酸を体積比 3:1 で混合した強力な酸化性混合物

• 王水中での反応: (19) HNO₃ + 3HCl → NOCl + Cl₂ + 2H₂O
• 発生する塩素や塩化ニトロシル(NOCl)が強い酸化力を示す

• 溶かせる金属: Au, Pt
• 名前の由来: 金(王の金属)を溶かすことができる酸
• 注意: 非常に腐食性が強く危険

環境と金

• リサイクル: 電子機器から金を回収(都市鉱山)
• 採掘の環境問題: 水銀汚染、シアン化物の使用
• 持続可能性: リサイクル金の利用推進