金（Au, Z = 79）：永遠と富の金属

天体物理学と宇宙化学における金の役割

激変事象における合成

金は宇宙が生み出した最も権威ある元素の一つです。鉄やケイ素とは異なり、通常の恒星の核における核融合では合成されません。その生成には極限の条件が必要で、主にr過程（急速中性子捕獲）が関与します。この過程は宇宙で最も激しい事象の際に発生します：

• 中性子星の合体：現在、宇宙における金の主な供給源と考えられています。2つの中性子星が衝突すると、膨大な量の中性子に富む物質が放出され、金、白金、ウランなどの重元素が急速に合成されます。
• II型超新星（核崩壊型）：大質量星の爆発時に生じる衝撃波が、一時的に強烈な中性子フラックスを生み出し、r過程を可能にします。
• 磁気回転超新星：極端な磁場と回転を持つ特殊な超新星で、r過程による元素生成が可能です。

したがって、金の装飾品には、数十億年前に起こった宇宙の激変事象で鍛えられた原子が含まれています。

宇宙存在度と地球上の希少性

金の宇宙存在度は水素の約1.0×10⁻¹²倍で、白金の約6倍希少であり、鉄の数千倍希少です。地球上での希少性は、金の親鉄性（鉄との親和性）によってさらに強調されます。地球が核、マントル、地殻に分化する際、原始地球に存在した金の大部分は鉄の核へ移動しました。現在採掘されている金は、核形成後に後期付加されたコンドライト物質（隕石）によって地表が「再塗装」されたものと考えられています。

地球化学的トレーサーとしての金

地球の岩石中での金の分布は、水熱、火成、堆積過程に関連する複雑な法則に従います。金の異常は鉱山探査の主要な指標となります。金の同位体比（特に\(^{197}\mathrm{Au}/^{195}\mathrm{Pt}\)）は、鉱床の起源や大陸形成過程の理解に役立ちます。

金の発見と利用の歴史

語源と象徴性

金の化学記号Auは、ラテン語の"aurum"（明るい夜明け、または夜明けの光）に由来します。この言葉は金属の特徴的な色と輝きを表しています。ほとんどすべての文化で、金は純粋さ、神聖さ、権力、不死を象徴してきました。これは金の不変性によるものです。各言語での金の呼び名（gold、oro、zoloto）は、富と権威を連想させます。

古代における金

金は人類が最初に知り、利用した金属で、カルコリシック時代（銅器時代、紀元前5000-4000年）から使用されてきました。金は河川で天然の状態で見つかり、複雑な冶金を必要とせずに回収できました。エジプト人は豪華な用途（ツタンカーメンのマスク、墓）に使用し、メソポタミア人は宝飾品や交易に、プレ・コロンブス文化（インカ、アステカ）は「太陽の汗」として崇めていました。

錬金術と金の探求

何世紀にもわたり、錬金術は「卑金属」（鉛など）を賢者の石で金に変えようと試みました。化学的には無駄な試みでしたが、この探求は近代実験化学の基礎を築きました。金が基本的な化学元素（化学的手段では作り出せず、破壊できない）であるという理解は、科学の発展において重要なステップでした。

大ゴールドラッシュ

新しい鉱床の発見は何度も世界経済を変革しました：カリフォルニア（1848年）、オーストラリア（1851年）、クロンダイク（1896年）、南アフリカ（ウィットウォーターズランド、1886年）。これらのゴールドラッシュは領土の植民地化を加速させ、採掘技術を発展させ、国際的な通貨の流れに影響を与えました。

鉱床と現代の生産

金はさまざまな形で存在します：

• 自然金：ナゲット、ペップ、石英脈（鉱脈）中の包有物。これは歴史的な形態です。
• 沖積鉱床（プラサー）：侵食によって河川の砂に濃縮された砕屑金。
• 「カーリン型」または「見えない金」鉱床：金が細かく堆積岩中に分散し、しばしばヒ素や硫黄と関連しています。
• ポーフィリー鉱床：火成岩の貫入に関連しています。

主な生産国は中国（世界最大の生産国）、オーストラリア、ロシア、アメリカ合衆国、カナダです。年間の鉱山生産量は約3,000から3,500トンです。かつては南アフリカがリーダーでしたが、生産量は減少しています。リサイクル（古い宝飾品、電子廃棄物）は重要な追加供給源です。金の価格はロンドンとニューヨークの市場で決定され、地政学的、経済的、通貨的要因によって変動します。

金の構造と基本的な性質

分類と原子構造

金（記号Au、原子番号79）は第6周期の遷移金属で、周期表の11族に位置し、銅や銀と同じ「貨幣金属」グループに属します。金の原子は79個の陽子、通常118個の中性子（安定同位体\(^{197}\mathrm{Au}\)の場合）、79個の電子を持ち、電子配置は[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹です。この配置（完全なd¹⁰殻と単独のs電子）が、金の色と性質の起源です。

特徴的な物理的性質

金は明るい黄色の金属で、非常に密度が高く、極めて展性・延性に富み、優れた導体です。

• 独特の黄色：純金属の中で唯一で、相対論的電子遷移（アインシュタイン効果）によるものです。
• 高密度：20 °Cで19.32 g/cm³。
• 優れた展性と延性：1グラムの金は1 m²（厚さ0.1 µmの金箔）のシートに打ち延ばすことができ、2 km以上の長さのワイヤーに引き延ばすことができます。
• 優れた熱と電気の導体（銀と銅に次ぐ第3位）。
• 不変性：通常の条件下で酸化や腐食に耐えます。
• 貴金属としては中程度の融点：1064.18 °C。

金は面心立方（FCC）構造で結晶化します。

相転移点

金は1064.18 °C（1337.33 K）で融解し、2970 °C（3243 K）で沸騰します。比較的低い融点は、古代からの加工を容易にしました。

化学的反応性（非常に低い）

金は最も貴な金属で、白金などと並びます。常温常圧下ではほとんど不活性です：

• 空気と酸素：どの温度でも反応しません。
• 水：反応しません。
• 単純な酸：塩酸、硫酸、硝酸、フッ化水素酸（濃縮しても）に不溶。
• 王水：金を溶かすことができる唯一の一般的な試薬で、塩化金酸（HAuCl₄）を形成します。
• アルカリシアン化物（酸素存在下）：可溶性錯体[Au(CN)₂]⁻を形成します。これは、低品位の鉱石から金を抽出する主な方法であるシアン化法の基礎です。
• ハロゲン：塩素と反応してAuCl₃を形成し、漂白剤とも反応します。
• 水銀：アマルガム（液体合金）を形成し、歴史的に採掘に使用されてきました。

物理的特性のまとめ

密度：19.32 g/cm³。
融点：1337.33 K（1064.18 °C）。
沸点：3243 K（2970 °C）。
結晶構造：面心立方（FCC）。
電子配置：[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹。
主な酸化状態：+1と+3。

金の同位体表

金の電子配置と電子殻

注：
電子殻： 電子が原子核の周りにどのように配置されているか （新しいウィンドウ）。

金は79個の電子を6つの電子殻に持ちます。その電子配置[Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹は特徴的で、5dサブシェルが完全に満たされ（10個の電子）、6s殻に1個の電子が存在します。これはK(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(1)とも表記でき、完全には1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s¹となります。

電子殻の詳細構造

K殻（n=1）：2個の電子（1s²）。
L殻（n=2）：8個の電子（2s² 2p⁶）。
M殻（n=3）：18個の電子（3s² 3p⁶ 3d¹⁰）。
N殻（n=4）：32個の電子（4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴）。
O殻（n=5）：18個の電子（5s² 5p⁶ 5d¹⁰）。
P殻（n=6）：1個の電子（6s¹）。

価電子と酸化状態

金は5dと6s殻の電子（10+1）を数えると、11個の価電子を持ちます。化学的に、金は銅や銀よりも反応性が低いです。最も一般的な酸化状態は+1（金(I)またはアウロス化合物）と+3（金(III)またはアウリック化合物）です。

• 金(I)（Au⁺）：しばしば直線型錯体として存在し、金(I)シアン化物K[Au(CN)₂]はメッキに使用されます。金(I)化合物は不安定で、Au(0)とAu(III)に不均化しやすいです。
• 金(III)（Au³⁺）：最も安定で一般的な状態。四角平面錯体を形成し、塩化金酸（HAuCl₄）や塩化金(III)（AuCl₃）などがあります。
• コロイド状態（Au⁰のナノ粒子）：金ナノ粒子（1-100 nm）は、表面プラズモン共鳴による独特の光学的性質（赤、紫色）を示し、これは塊状の金には見られません。

金は+5や-1（CsAuなどのアルカリアウライド）などの珍しい酸化状態も形成します。

金の化学的反応性

空気と酸素との反応

金は酸素、窒素、二酸化炭素、その他の大気ガスに対して完全に不活性です。酸化物を形成しないため、古代の金製品は完全に無傷で、変色や腐食の痕跡がありません。

水と酸との反応

金はすべての単純な酸に不溶です。「金のように不変」という言葉があるほどです。

金の唯一の主要な化学的弱点は王水（濃硝酸と濃塩酸の1:3混合物）です。この反応によりテトラクロロ金(III)酸（HAuCl₄）が生成されます：
Au + HNO₃ + 4 HCl → HAuCl₄ + NO + 2 H₂O

金はまた、酸素存在下のシアン化ナトリウムまたはシアン化カリウムの水溶液にも溶け、可溶性のジシアノ金(I)錯体[Au(CN)₂]⁻を形成します。これは、非常に低品位の鉱石から金を抽出するシアン化法の原理です。

注：
王水またはaqua regiaは、濃硝酸（HNO₃）と濃塩酸（HCl）の典型的な比率1:3の腐食性混合物です。金や白金を溶かす能力は、in situで塩素（Cl₂）とニトロシル塩化物（NOCl）が生成され、これらの金属を可溶性錯体イオン（[AuCl₄]⁻など）に酸化するためです。錬金術以来、貴金属の精製に使用され、現在でも冶金、マイクロエレクトロニクス、分析化学で重要な役割を果たしています。

ハロゲンおよびその他の元素との反応

• 塩素：中程度の温度で反応し、AuCl₃（塩化金(III)）を形成します。
• 臭素とヨウ素：反応してAuBr₃とAuI（後者は不安定）を形成します。
• フッ素：反応してAuF₃とAuF₅（フッ化金(V)は非常に強力な酸化剤）を形成します。
• 硫黄とセレン：直接反応しませんが、硫化金やセレン化金は他の方法で調製できます。
• 水銀：室温で容易にアマルガム（液体合金）を形成します。この性質は、金を含む砂から金を回収するために使用されてきました（アマルガム法）。

重要な化合物

• 塩化金酸（HAuCl₄）：黄赤色の液体で、メッキやナノ粒子合成の主要な前駆体です。
• シアン化金(I)カリウム（K[Au(CN)₂]）：非常に有毒な白色塩で、金メッキの電解質です。
• 金ナノ粒子（Au⁰）：コロイド懸濁液で、サイズや形状によって鮮やかな色（赤、紫）を示し、バイオメディシンや触媒に使用されます。
• 塩化金(III)（AuCl₃）：赤色の固体で、有機合成の塩素化剤です。

金の産業および技術的応用

• 宝飾および金細工（世界需要の約50％）で、銀、銅、パラジウムとの合金（カラット）として；
• 価値の保存と通貨として（地金、投資コイン、中央銀行の準備金）；
• 電子工学で、接点、コネクタ、高信頼性集積回路（耐食性、優れた導電性）；
• 保護および導電性コーティング（金メッキ）として、電子部品、メダル、宇宙機器に；
• 歯科で、クラウン、ブリッジ、インレー（金-パラジウム-銀合金）；
• ナノテクノロジーとバイオメディシン：金ナノ粒子を用いたイメージング（コントラスト）、検出（バイオセンサー）、がんの光熱療法、薬物送達；
• 触媒として、化学工業で一酸化炭素（CO）の選択的酸化や塩化ビニルの生産に；
• ガラスとセラミックスで、色素（コロイド金の赤または「ルビーゴールド」）やミラーエフェクトまたは加熱ガラスに；
• マイクロプロセッサとメモリチップのボンディングワイヤー；
• 宇宙機器で、ヘルメットのバイザー、衛星、ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（サンシールド）の反射コーティングとして；
• 電気化学の基準として（飽和カロメル電極、しばしば金接点付き）；
• 製薬：金塩（クリソテラピー）による関節リウマチの治療（使用は減少傾向）；
• 導電性インク：印刷電子工学とフレキシブル回路に；
• 陶磁器とガラスの装飾（金箔）；
• 基礎研究：核物理学での重核生産の標的に。

主要な応用：宝飾、電子工学、医療

宝飾とカラット

純金（24カラット）は宝飾には柔らかすぎます。合金化して硬度を高め、色を変えます：

• イエローゴールド：銀と銅の合金。
• ホワイトゴールド：パラジウム、ニッケル、または銀の合金で、しばしば輝く白い仕上げのためにロジウムメッキされます。
• ピンク/レッドゴールド：銅の含有量が高い。
• グリーンゴールド：銀の合金。

純度はカラット（1カラット=1/24）または千分率（例：750/1000金=18カラット）で表されます。

高信頼性電子工学

金の優れた性質は、ハイエンド電子工学に不可欠な材料です：

• 導電性：薄い厚さでも非常に低い抵抗。
• 耐食性：金の接点は腐食せず、湿った環境でも数十年にわたり信頼性の高い接続を保証します。
• 接合の容易さ：はんだ付けやメッキが容易。

マザーボードのコネクタ、コンピュータチップ（ボンディングワイヤー）、携帯電話の接点、軍事および宇宙機器（信頼性が重要）に使用されています。

バイオメディシンにおける金ナノ粒子

これは最も有望な分野の一つです。金ナノ粒子（1-100 nm）は独特の光学的性質（表面プラズモン共鳴）を示します：可視および近赤外光を強く吸収・散乱します。応用例：

• 診断イメージング：光コヒーレンストモグラフィー（OCT）や光音響イメージングの造影剤。
• 光熱療法：注入されたナノ粒子は腫瘍に蓄積します。近赤外レーザー（組織を透過）で照射すると、局所的に加熱し、がん細胞を破壊します。
• 薬物送達ベクター：ナノ粒子は機能化され、化学療法薬を直接腫瘍に運ぶことができます。
• 迅速診断テスト：妊娠検査やバイオセンサーのように、ナノ粒子の凝集による色の変化が陽性結果を示します。

経済的および金融的役割

金としての通貨と安全資産

数千年にわたり、金は通貨制度（金本位制）の基礎となってきました。現在では通貨としての地位を失っていますが、安全資産としての地位は変わりません：

• インフレヘッジ：紙幣の購買力が低下すると、金の価値は上昇する傾向があります。
• 「安全資産」：地政学的または金融危機時には、投資家は金に資金を移します。
• ポートフォリオの多様化：金は株式や債券との相関が低いです。

中央銀行は合計約35,000トンの金を安定性の保証として保有しています。

金市場

金の価格はロンドンで1日2回決定され（ロンドンゴールドフィキシング）、ニューヨークのCOMEXなどの取引所で継続的に取引されます。また、地金やコインの物理市場や、ETF、先物などの金融派生商品も存在します。

毒性学、環境、リサイクル

毒性

塊状の金属金は不活性で無毒です。装着、触れ、さらには食べる（菓子の金箔）ことも安全です。しかし：

• 可溶性金塩：塩化金(III)（AuCl₃）などの化合物は腐食性で有毒です。
• 抽出に使用されるシアン化物：人や環境に対して極めて有毒で、厳格な管理が必要です。
• クリソテラピー：関節リウマチ治療のための注射用金塩は、重篤な副作用（皮膚炎、腎症、骨髄抑制）を引き起こす可能性があります。
• ナノ粒子：長期的な潜在的毒性については詳細な研究が行われていますが、金は生体適合性があります。

採掘の環境への影響

金採掘、特に小規模・手作業採掘（ASM）は、破壊的な影響を及ぼす可能性があります：

• 水銀の使用：アマルガム法により水銀が環境中に放出され、水路を汚染し、地元住民に水俣病などの中毒を引き起こします。
• シアン化物の使用：浸出池からの漏洩が地下水を汚染する可能性があります。
• 森林伐採、侵食、生態系の破壊。
• 鉱山廃棄物（ズリ、残渣）：しばしばヒ素やその他の重金属を含みます。

「フェアゴールド」イニシアチブなどの認証は、より責任ある採掘慣行を促進しようとしています。

リサイクル

金はリサイクルのチャンピオンです：毎年使用される金の約30％がリサイクル由来です。品質を損なうことなく無限にリサイクルできます。主な供給源：

• 古い宝飾品（最も重要な供給源）。
• 電気電子機器廃棄物（WEEE）：「都市鉱山」としてますます重要になっています（携帯電話、コンピュータ）。
• 歯科および医療廃棄物。
• 産業廃棄物（メッキスラッジ、使用済み触媒）。

リサイクルは精錬業者によって行われ、廃棄物を溶融し、電気分解や化学処理により金を精製し、高純度（999.9/1000）の地金に再鋳造します。

展望

金は戦略的な材料であり続けます：

• 新興技術：ナノ医療、グリーンカタリシス、量子エレクトロニクスでの役割が拡大する可能性があります。
• 宇宙探査：M型（金属質）小惑星には天文学的な量の金やその他の貴金属が含まれている可能性があり、遠い将来の可能性を示唆しています。
• 永続的な文化的・金融的価値：金への普遍的な魅力、永遠と成功の象徴としての地位は衰えることがなさそうです。