נוסח השאלה המלא: כיצד מפרידים מתכות כמו זהב, פלטינה, פלדיום, וכסף והאם יש ספרות כתובה בנושא?

לא ברור מהשאלה לאיזה 'הפרדה' מדובר? האם הכוונה להפרדה של כל מתכת ומתכת מתוך העפרות שלה, במכרה, למשל או להפרדה של כל המתכות אחת מהשנייה?
לגבי הפרדה ויצור זהב, נעתה בעבר שאלה – כיצד ניתן לזקק את הזהב מתוך מי הים (עם הרחבה בפורום התגובות להפקת זהב באופן כללי).


זהב, תמונה באדיבות ויקיפדיה

באופן כללי – חקר המתכות הוא ענף נפרד בכימיה ובמדע החומרים, הנקרא מטאלורגיה, כיוון שבארץ ישראל אין מכרות להפקת מתכות (בעבר היו מפיקים נחושת בתמנע ליד אילת (קראתי לאחרונה שרוצים לחדש את ההפקה), ויש גם הפקה של מגנזיום מים המלח, אבל פרט לזה אין כלום) אין, מסיבות מובנות, מומחים המתעסקים בנושא בישראל, עד כמה שידוע לי. הפקת מתכות, זיקוקם, טיהורם והפרדתם קיימים כבר הרבה שנים, מאות שנים לפני הספירה ואולי משחר הציביליזציה (ובכל מקרה, הרבה לפני תחילתה של הכימיה המודרנית). התהליכים כוללים הרבה ידע מקצועי ושיטות מתוחכמות שנצברו לאורך השנים. הפרדה של חומרים זה מזה – מתבססת כמובן על תכונה כלשהי או תגובה כלשהי אשר שונה בין החומרים, שתצליח להבדיל ביניהם. בהנחה ששאלת לגבי הפרדה של המתכות אחת מהשנייה – אז פתרון אפשרי להפרדה יהיה כדלהלן:
אמנם, כל 4 המתכות נחשבות 'מתכות אצילות' (בבחינה שהן לא נוטות להגיב כימית עם חומרים אחרים, בדומה לקבוצת הגזים האצילים, ולכן גם בטבע הן מופיעות באופן טבעי, (לרוב) כמתכת חופשית ולא כתרכובת עם חומרים אחרים) בכל זאת אפשר לאלץ אותם להגיב עם מחמצנים חזקים. מכל הארבעה, ה'חוליה החלשה' היא הכסף שנוטה להיות קצת פעיל יותר (ובאמת תכשיטים מכסף, בניגוד לזהב או פלטינה, נוטים להשחיר באוויר לח או עקב זיעה, עקב חימצונם). אם שופכים על תערובת הארבעה חומצה חנקתית, HNO3, היא תצליח להמיס רק את הכסף (Ag) ובקצב איטי גם את הפלדיום ((Pd, אך לא תפגע בזהב (Au) ובפלטינה (Pt). המסת הכסף בחומצה חנקתית לפי התגובה הבאה:

Ag + 2 HNO3 → AgNO3 + NO2 + H2O

ליצירת כסף חנקתי (AgNO3) אשר נמס במים. כלומר על ידי סינון התערובת מהמתכות הפרדנו את הכסף והפלדיום משתי האחרות.


פלטינה, צילום: Periodictableru, תמונה באדיבות ויקיפדיה

אולם – עדיין נותרנו עם 2 זוגות של מתכות – אותם צריך להפריד. בנוסף – לעיתים סגסוגות בריכוז גבוה של זהב (ונמוך של כסף) לא יגיבו כלל עם חומצה חנקתית, ויש להשתמש בשיטה אחרת (ו'אלימה' יותר) להמסה והפרדת המתכות:
הפרדה של מתכות יכולה להתבצע על ידי ההבדלים במידת 'אצילותם' כאשר הסדר הוא זהב שיותר אציל מפלטינה שיותר אצילה מפלדיום (שיותר אציל מכסף). מבחינה מספרית אפשר לראות זאת על ידי פוטנציאל החימצון השונה שלהם:

Au → Au3+ + 3 e -1.50 V

Pt → Pt2+ + 2 e -1.18 V

Pd → Pd2+ + 2 e-0.99 V

Ag → Ag+ + e -0.80 V

שמבטא כמה 'קשה' (כמה מתח חשמלי יש להשקיע על מנת) לחמצן את החומרים (=להוציא מהם אלקטרונים, -e, ולהפוך אותם ליונים הטעונים מטען חשמלי חיובי הנקראים קטיונים). בפועל ההפרדה תתבצע באופן הבא. בשלב הראשון ממסים את כל שלושת המתכות שנותרו על ידי מה שנקרא 'מי-מלכים' או אקווה רג'ייה, aqua regia: תערובת של חומצה מלחית (HCl) וחנקתית (HNO3) אשר מסוגלת להמיס אפילו את 'מלכי המתכות' זהב ופלטינה.

 

המסת פיסת זהב על ידי 'מי מלכים'

 


פלטינה - לאחר שהומסה לחלוטין על ידי "מי-מלכים". צילום: Alexander C. Wimmer, תמונה באדיבות ויקיפדיה

התוצאה תהייה תמיסה שתכיל את הכלורידים, של כל המתכות, כלומר התרכובות שלהן עם כלור, מומסות במים. ההפרדה בין המתכות תתבצע בשיטת האלקטרוליזה (הסבר על אלקטרוליזה אפשר למצוא בתשובה המסבירה כיצד מפיקים מימן ממים), שהיא שיטה ידועה להפרדה בין מתכות, והפקתם (משמעות השם היא: אלקטרו-חשמל, ליזה- פירוק, כלומר פירוק תירכובות על ידי חשמל, עלי ידי הכנסת שתי אלקטרודות, אחת בעל מטען + ואחת מטען חשמלי - לתמיסה). באמצעות משחק עדין עם המתח החשמלי אפשר יהיה לבצע כל פעם אלקטרוליזה ספציפית למתכת נפרדת, כאשר תמיד יווצר גם גז כלור כתוצר לוואי, על האלקטרודה הטעונה מטען חשמלי חיובי באלקטרוליזה, לפי התגובת חימצון:

2Cl- → Cl2 + 2e

הפעלת מתח חשמלי שונה בכל פעם – תגרום למתכת אחרת לשקוע על האלקטרודה השלילית באלקטרוליזה (בה מתבצע חיזור המתכות) – תחילה יצפה את האלקטרודה הזהב, שהוא האציל ביותר, אח"כ (בהעלאת המתח בעוד כמה עשיריות וולט) הפלטינה, ובסוף הפלדיום. כלומר כאן פוטנציאל החימצון-חיזור השונה של המתכות הוא שיאפשר הפרדה שלהם.
כאמור – זוהי שיטה אפשרית, אבל בכלל לא בטוח שהיא הכלכלית ביותר, יתכן ש'משחק' עם מחמצנים בעוצמות שונות יאפשר הפרדה זולה ומהירה יותר. ידע כזה קיים אצל מטלורגים וכימאים העובדים במכרות של מתכות יקרות, למשל - נהוג לחזר זהב מתוך תמיסה דווקא באמצעות חומר מחזר בשם נתרן ביסולפיט (קישור לסרטון המראה תהליך החיזור) - כאשר מלחים של מתכות אחרות - מפרידים מראש למלחים קשי תמס.

קישורים חיצוניים: אתר על מטלורגיה של זהב והפקתו , ספרים המסבירים הפרדת זהב , פטנט על הפרדת זהב ממתכות אצילות אחרות (בעיקר כסף),ניקוי של זהב באמצעות חומצות , ובאופן כללי – התהליך נקרא באנגלית Refine או Refinement של מתכות ('טיהור') וכך אפשר לחפש מידע נוסף על הנושא.

מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.