Gostota
Tudi: masna gostota, specifična masa, specifična teža
Gostota snovi pove, koliko mase je vsebovane v enoti prostornine, in je za plemenite kovine osrednja značilnost pristnosti.
Gostota (oznaka: ρ, grška črka ro) je ena najosnovnejših lastnosti snovi v fiziki in kemiji. Opisuje, koliko mase se nahaja v določeni prostornini. Pri plemenitih kovinah ima gostota poseben praktičen pomen: omogoča hitro, nedestruktivno preverjanje pristnosti in je nepogrešljiva pri izračunu talilnih vrednosti.
Definicija in formula
Gostota je kvocient mase in prostornine:
ρ = m / V
ρ = gostota [g/cm³ ali kg/m³]
m = masa [g ali kg]
V = prostornina [cm³ ali m³]
V sistemu SI je osnovna enota kg/m³. V metalurški praksi se skoraj izključno uporablja g/cm³ (1 g/cm³ = 1000 kg/m³). Voda pri 4 °C ima po definiciji gostoto natanko 1,000 g/cm³ in služi kot referenca za specifično težo – brezdimenzijsko razmerje, ki se številčno ujema z gostoto v g/cm³.
Gostote najpomembnejših plemenitih kovin v primerjavi
| Kovina | Gostota (g/cm³) | Vrstno število |
|---|---|---|
| Osmij | 22,59 | 76 |
| Iridij | 22,56 | 77 |
| Platina | 21,45 | 78 |
| Zlato | 19,32 | 79 |
| Volfram (ni plemenita kovina) | 19,25 | 74 |
| Rodij | 12,41 | 45 |
| Paladij | 12,02 | 46 |
| Srebro | 10,49 | 47 |
| Baker | 8,96 | 29 |
| Svinec | 11,34 | 82 |
| Aluminij | 2,70 | 13 |
Zlato in platina tako spadata med najgostejše naravno prisotne elemente. Ta lastnost je fizikalno globoko utemeljena: obe kovini imata ploskovno centrirano kubično kristalno strukturo (FCC) z izjemno učinkovito gostoto zlaganja atomov ter visoko atomsko maso.
Gostota zlitin
Čisto zlato (999,9 ‰) ima gostoto 19,32 g/cm³. Ko zlato zlijemo z drugimi kovinami, se gostota občutno spremeni glede na legirni partner:
- Zlato 750 (18 karatov): pribl. 15,5–17,8 g/cm³ (odvisno od deleža srebra/bakra)
- Zlato 585 (14 karatov): pribl. 13,0–14,9 g/cm³
- Zlato 333 (8 karatov): pribl. 10,5–12,0 g/cm³
Natančno gostoto zlitine je mogoče približno izračunati iz prostorninskih deležev sestavin (mešalno pravilo), a zaradi popačenj kristalne mreže rahlo odstopa. To kaže: čistost zlitine neposredno vpliva na gostoto – povezava, ki jo izkorišča preverjanje pristnosti.
Gostota kot značilnost pristnosti
Gostoto je težko ponarediti, ker je temeljna konstanta snovi. Najnevarnejši znani ponaredek pa izkorišča prav bližino gostote: volframovi ponaredki so sestavljeni iz volframovega jedra (19,25 g/cm³), prevlečenega s tanko plastjo zlata. Skupna gostota je tako blizu gostoti čistega zlata (19,32 g/cm³), da preproste tehtanja odpovejo.
Natančne metode preverjanja pristnosti na osnovi gostote:
- Arhimedovo načelo (hidrostatično tehtanje): predmet stehtamo v zraku in nato v vodi. Iz razlike teže dobimo prostornino, iz nje gostoto. Zelo natančno, a zahteva precizno tehtnico z obešalom.
- Piknometer: laboratorijski postopek z določeno prostornino tekočine, zelo natančen.
- Sigma Metalytics / vrtinčni tokovi: meri električno upornost kovine, ki posredno korelira z gostoto.
- Rentgenska fluorescenčna analiza (XRF): nedestruktivno določi sestavo – ni neposredna meritev gostote, a je dopolnilna.
Preverjanje teže kovanca in preverjanje pristnosti uporabljata ciljne vrednosti gostote za prepoznavanje odstopanj pri znanih kovancih.
Praktična formula: izračun prostornine iz mase
Kdor želi ugotoviti talilno vrednost starega ali lomljenega zlata, potrebuje čisto maso. Če je znana prostornina kosa (npr. z izpodrivanjem vode), lahko izračunamo maso:
m = ρ × V
Primer: zlata palica, 10 cm³ prostornine (čisto zlato 999)
m = 19,32 g/cm³ × 10 cm³ = 193,2 g
Obratno lahko iz izmerjene teže izpeljemo prostornino – koristno, ko je oblika nepravilna. Za kalkulator talilne vrednosti nato zadostuje vnos teže in čistosti.
Odvisnost od temperature
Gostota ni absolutna konstanta. Z naraščajočo temperaturo se kovina razteza, prostornina raste, gostota pada. Za zlato znaša linearni razteznostni koeficient pribl. 14,2 × 10⁻⁶ K⁻¹. Pri sobni temperaturi (20 °C) veljajo tabelarne vrednosti; pri tališču zlata (1064 °C) je gostota taline pribl. 17,4 g/cm³. Za vsakodnevno preverjanje pristnosti je to odstopanje zanemarljivo, dokler merimo pri sobni temperaturi.
Gostota v industriji in numizmatiki
V kovnicah so tolerance gostote strogo določene. Krugerrand (zlato 916, 22 karatov) ima določeno maso 33,93 g pri premeru 32,77 mm – vrednosti, ki temeljijo na ciljni gostoti zlate zlitine z 91,67 % zlata. Odstopanja od ciljne teže za več kot 0,1 % veljajo za sum ponaredka.
V industriji igra gostota vlogo pri načrtovanju skladiščnih kapacitet: kilogram zlata zavzame približno 51,8 cm³ – bistveno manj kot kilogram srebra (pribl. 95,3 cm³).
Na kratko
Gostota je najzanesljivejša in najstarejša fizikalna metoda za oceno pristnosti plemenitih kovin. Zlato je z 19,32 g/cm³ tudi med kandidati za ponaredke skoraj nemogoče posnemati – edino volfram se mu nevarno približa. Kdor želi preveriti kovance ali palice, preverjanje gostote idealno kombinira z magnetnim testom in vizualnim pregledom punc.