Плътност

Плътността (означение: ρ, гръцко ро) е една от най-основните материални характеристики във физиката и химията. Тя описва колко маса се съдържа в определен обем. При благородните метали плътността има особено практическо значение: тя позволява бързи, недеструктивни проверки за автентичност и е незаменима при изчисляването на стойността на претопяване.

Определение и формула

Плътността се получава от отношението на маса към обем:

ρ = m / V

ρ  = плътност [g/cm³ или kg/m³]
m  = маса [g или kg]
V  = обем [cm³ или m³]

В SI системата базовата единица е kg/m³. В металургичната практика почти изключително се използва g/cm³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³). Водата при 4 °C по дефиниция има плътност точно 1,000 g/cm³ и служи като референция за специфичното тегло – безразмерно отношение, което числено съвпада с плътността в g/cm³.

Плътности на най-важните благородни метали за сравнение

Златото и платината се числят към най-плътните естествено срещащи се елементи изобщо. Тази характеристика е дълбоко физически обоснована: и двата метала притежават стенноцентрирана кубична кристална структура с изключително ефективна плътност на опаковане на атомите, както и високо атомно тегло.

Плътност на сплавите

Чистото злато (999,9 ‰) има плътност 19,32 g/cm³. Щом златото бъде легирано, плътността се променя осезаемо в зависимост от легиращия партньор:

• 750 злато (18 карата): прибл. 15,5–17,8 g/cm³ (според дела на сребро/мед)
• 585 злато (14 карата): прибл. 13,0–14,9 g/cm³
• 333 злато (8 карата): прибл. 10,5–12,0 g/cm³

Точната плътност на една сплав може приблизително да се изчисли от обемните дялове на съставките (правило на смесване), но се отклонява леко поради изкривявания на решетката. Това показва: пробата на една сплав влияе пряко върху плътността – връзка, която проверката за автентичност използва.

Плътността като признак за автентичност

Плътността е трудна за фалшифициране, защото е фундаментална материална константа. Най-опасната позната фалшификация обаче използва именно близостта на плътността: волфрамовите фалшификации се състоят от волфрамово ядро (19,25 g/cm³), покрито с тънък слой злато. Общата плътност при това е толкова близка до тази на чистото злато (19,32 g/cm³), че простите проби чрез претегляне се провалят.

Точни методи за проверка на автентичността въз основа на плътността:

1. Принцип на Архимед (хидростатично претегляне): обектът се претегля във въздух, а след това във вода. От разликата в теглото се получава обемът, а от него – плътността. Много точно, но изисква прецизна везна с окачване.
2. Пикнометър: лабораторен метод с дефиниран обем течност, много точен.
3. Sigma Metalytics / вихрово-токова проверка: измерва електрическото съпротивление на метала, което косвено корелира с плътността.
4. Рентгенофлуоресцентен анализ (XRF): определя състава недеструктивно – без пряко измерване на плътността, но допълващо.

Проверката на теглото на монета и проверката за автентичност на този сайт използват целеви стойности на плътността, за да разпознаят отклонения при известни монети.

Практическа формула: изчисляване на обем от маса

Който иска да определи стойността на претопяване на старо или счупено злато, се нуждае от чистото тегло. Ако обемът на едно парче е известен (напр. чрез водоизместване), масата може да се изчисли:

m = ρ × V

Пример: златно кюлче, 10 cm³ обем (чисто злато 999)
m = 19,32 g/cm³ × 10 cm³ = 193,2 g

Обратно, обемът може да се изведе от измереното тегло – полезно при неправилна форма. За калкулатора за стойност на претопяване тогава е достатъчно да въведете теглото и пробата.

Зависимост от температурата

Плътността не е абсолютна константа. С покачване на температурата металът се разширява, обемът расте, плътността намалява. За златото линейният коефициент на разширение е прибл. 14,2 × 10⁻⁶ K⁻¹. При стайна температура (20 °C) табличните стойности са валидни; при точката на топене на златото (1064 °C) плътността на стопилката е прибл. 17,4 g/cm³. За ежедневната проверка за автентичност това отклонение е пренебрежимо, стига да се измерва при стайна температура.

Плътност в индустрията и нумизматиката

При производството на монети толерансите на плътността са тясно дефинирани. Крюгеррандът (916 злато, 22 карата) има фиксирана маса от 33,93 g при диаметър от 32,77 mm – стойности, които се основават на целевата плътност на 91,67-% златна сплав. Отклоненията от целевото тегло с повече от 0,1 % се считат за индикация при проверката.

В индустрията плътността играе роля при планирането на складовите капацитети: един килограм злато заема с около 51,8 cm³ значително по-малко място от един килограм сребро (прибл. 95,3 cm³).

Накратко

Плътността е най-надеждният и най-старият физически метод за оценка на автентичността на благородните метали. Златото с 19,32 g/cm³ е трудно за имитиране дори сред кандидатите за фалшификационен материал – единствено волфрамът се приближава опасно. Който иска да провери монети или кюлчета, комбинира най-добре проверката на плътността с магнитния тест и визуален оглед на пунсоните.