ارزش طلا به‌عنوان یک فلز گرانبها، تنها به درخشش و کمیابی‌اش خلاصه نمی‌شود. یکی از ویژگی‌های فیزیکی منحصربه‌فرد این فلز، سنگینی و چگالی بالای آن است. اما چگالی طلا چقدر است و این عدد چگونه به ما در تشخیص طلای اصل از تقلبی کمک می‌کند؟
در این مقاله، به صورت تخصصی و با استناد به داده‌های علمی، به بررسی دقیق چگالی عیارهای مختلف طلا می‌پردازیم و روش عملی محاسبه چگالی طلا با استفاده از اصل ارشمیدس را آموزش می‌دهیم.
چگالی طلا به زبان ساده
چگالی (Density) در علم مواد، نسبت جرم به حجم یک جسم است و برای فلزات گرانبها مثل طلا، یک شاخص فیزیکی غیرقابل‌جعل محسوب می‌شود. به زبان ساده، چگالی به ما می‌گوید یک حجم مشخص از طلا چقدر سنگین است. این ویژگی در صنعت طلا و جواهر اهمیت حیاتی دارد، زیرا با اندازه‌گیری آن می‌توان اصالت و حتی عیار طلا را تشخیص داد.
طبق تعریف دانشنامه بریتانیکا (Encyclopædia Britannica)
به‌عنوان مثال، اگر وزن قطعه‌ای از طلا با حجم اندازه‌گیری‌شده‌اش هم‌خوانی نداشته باشد، احتمال وجود آلیاژ یا تقلب بسیار بالا است. این روش حتی در بازارهای بین‌المللی، یکی از روش‌های استاندارد برای شناسایی فلزات گرانبها به‌شمار می‌رود.
عدد دقیق چگالی طلای خالص (۲۴ عیار) چقدر است؟
بر اساس داده‌های معتبر موسسه ملی استاندارد و فناوری ایالات متحده (NIST)، چگالی طلای خالص با عیار ۲۴ در دمای ۲۰ درجه سلسیوس برابر با ۱۹.۳۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب (g/cm³) است. این عدد بالاتر از بسیاری از فلزات گرانبها است و همین ویژگی باعث می‌شود که طلا با وجود حجم کم، وزن زیادی داشته باشد. لازم به ذکر است که عواملی مانند فشار و دما می‌توانند این عدد را به میزان بسیار جزئی تغییر دهند، اما در کاربردهای عملی و روزمره، مقدار ۱۹.۳ یا ۱۹.۳۲ به عنوان معیار قطعی در نظر گرفته می‌شود.
نکته: چگالی طلا به ما می‌گوید اگر یک مکعب کوچک به ابعاد 1cm × 1cm × 1cm (تقریبا به اندازه یک حبه قند) از طلای خالص ۲۴ عیار داشته باشیم، این مکعب کوچک وزنی معادل ۱۹.۳۲ گرم خواهد داشت. برای مقایسه، یک مکعب هم‌اندازه از آب، تنها ۱ گرم و از آهن، حدود ۷.۸ گرم وزن دارد. این یعنی فلز طلا بیش از ۱۹ برابر از آب و حدود ۲.۵ برابر از آهن سنگین‌تر است.
تاثیر آلیاژ و عیار طلا بر چگالی
وقتی طلا با فلزات دیگری مانند نقره، مس، روی یا پالادیوم آلیاژ می‌شود، چگالی آن کاهش پیدا می‌کند. هر چقدر عیار کمتر باشد، درصد بیشتری از فلز کم‌چگال‌تر در ترکیب وجود دارد و در نتیجه، چگالی کلی کمتر می‌شود.
| عیار طلا (Karat) | درصد خلوص طلا | چگالی (گرم بر سانتی‌متر مکعب) |
|---|---|---|
| ۲۴ عیار | ۹۹.۹ درصد | ۱۹.۳۲ |
| ۲۲ عیار | ۹۱.۷ درصد | ~ ۱۷.۴۵ – ۱۸.۲۴ |
| ۱۸ عیار | ۷۵ درصد | ~ ۱۴.۸۴ – ۱۶.۱۲ |
| ۱۴ عیار | ۵۸.۳ درصد | ~ ۱۲.۹۱ – ۱۴.۴۴ |
| ۱۰ عیار | ۴۱.۷ درصد | ~ ۱۱.۴۲ – ۱۳.۰۹ |
نکته: چگالی دقیق هر عیار طلا، به نوع و درصد فلزات به کار رفته در آلیاژ بستگی دارد. برای مثال، طلای ۱۸ عیار سفید که با پالادیوم ساخته شده، کمی چگال‌تر از طلای ۱۸ عیار زرد است که با مس و نقره ترکیب شده.
نحوه محاسبه چگالی طلا
برای محاسبه چگالی طلا، نیازی به آزمایشگاه پیشرفته ندارید. با استفاده از اصل ارشمیدس و چند وسیله ساده، می‌توانید این کار را با دقت قابل قبولی در خانه انجام دهید. این روش بر پایه جابجایی آب عمل می‌کند و یکی از معتبرترین روش‌های غیرمخرب برای سنجش اصالت فلزات گرانبها است.
ابزار مورد نیاز
- ترازوی دیجیتال: مهم‌ترین ابزار شما است. ترازو باید بتواند وزن را تا سه رقم اعشار (۰.۰۰۱ گرم) اندازه‌گیری کند. هرچه دقیق‌تر باشد، نتیجه نهایی شما قابل اعتمادتر خواهد بود.
- یک ظرف آب: یک لیوان یا بشر کوچک کافی است. بهتر است از آب مقطر استفاده کنید، اما آب معمولی نیز برای این کار مناسب است.
- نخ یا سیم نازک: برای آویزان کردن و غوطه‌ور کردن قطعه طلا در آب
فرمول اصلی که از آن استفاده می‌کنیم بسیار ساده است:
چگالی = جرم (وزن) ÷ حجممراحل محاسبه چگالی طلا
برای سنجش چگالی طلا، طبق مراحل زیر عمل کنید:
- قطعه طلای خود را روی ترازوی دیجیتال قرار دهید. عددی که ترازو نشان می‌دهد را یادداشت کنید. این عدد، جرم قطعه شما است.
- ظرف آب را روی ترازو قرار دهید.
- ترازو را صفر کنید.
- حالا قطعه طلا را با نخ ببندید و آن را به آرامی در آب غوطه‌ور کنید؛ به صورتی که کاملا در آب فرو برود، با کف یا دیواره‌های ظرف برخورد نکند و انگشتان شما با آب تماس نداشته باشد.
- عددی که ترازو در این حالت نمایش می‌دهد، وزن آب جابجاشده توسط قطعه است. از آنجایی که چگالی آب تقریبا ۱ گرم بر سانتی‌متر مکعب است، این عدد به طور مستقیم برابر با حجم قطعه شما بر حسب سانتی‌متر مکعب است. این عدد را نیز یادداشت کنید.
- حالا که هم جرم و هم حجم را در اختیار دارید، آن‌ها را در فرمول اصلی قرار دهید. عدد به دست آمده، چگالی قطعه طلای شما است.
مثال:
فرض کنید می‌خواهیم چگالی یک سکه بهار آزادی را محاسبه کنیم تا عیار آن را تایید کنیم.
- سکه را روی یک ترازوی دقیق قرار می‌دهیم. ترازو وزن ۸.۱۳۳ گرم را نشان می‌دهد.
- ظرف آب را روی ترازو صفر می‌کنیم و سپس سکه را کاملا در آب غوطه‌ور می‌کنیم. فرض کنیم ترازو در این حالت عدد ۰.۴۶ گرم را نشان می‌دهد. این به این معنا است که حجم سکه ما ۰.۴۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب است.
- حالا جرم را بر حجم تقسیم می‌کنیم.
- عدد به دست آمده، ۱۷.۶۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب، به طور دقیق در محدوده چگالی طلای ۲۲ عیار قرار می‌گیرد. این برآورد تایید می‌کند که سکه مورد نظر از طلای ۲۲ عیار (با خلوص ۹۱.۷ درصد) ساخته شده است، که استاندارد رسمی برای سکه‌های بهار آزادی و سوورن (Sovereign) است.
محدودیت‌ها و خطاهای رایج در محاسبه چگالی طلا
در شرایط زیر، تست چگالی دقت خود را از دست می‌دهد و نباید به نتیجه آن به طور کامل اعتماد کرد:
- قطعات دارای سنگ و نگین: سنگ‌ها چگالی کمتری از طلا دارند و با پایین آوردن چگالی میانگین، نتیجه تست را برای تشخیص عیار طلا بی‌اعتبار می‌کنند.
- جواهرات توخالی: هوای محبوس در قطعات توخالی، حجم را به صورت کاذب افزایش داده و باعث می‌شود چگالی محاسبه‌شده بسیار کمتر از واقعیت باشد.
- زنجیرها و طراحی‌های پیچیده: حباب‌های هوای گیر افتاده در بافت‌های ریز زنجیر یا سطوح مشبک، حجم را بیشتر نشان داده و موجب خطای محاسباتی می‌شود.
- ترازوی غیردقیق: استفاده از ترازوی معمولی با دقت پایین، به خصوص برای قطعات سبک، باعث خطای شدید در اندازه‌گیری شده و کل محاسبه چگالی طلا را بی‌فایده می‌کند.
مقایسه چگالی طلا با فلزات دیگر
یکی از دلایل اصلی که چگالی را به یک ابزار تشخیص قدرتمند تبدیل می‌کند، تفاوت فاحش آن بین طلا و اکثر فلزات دیگر است. چگالی بسیار بالای طلا آن را در گروه سنگین‌ترین عناصر قرار می‌دهد. این ویژگی به ما کمک می‌کند تا به سرعت فلزات کم‌ارزش‌تر را شناسایی کنیم.
| فلز | چگالی در دمای ۲۰ درجه سلسیوس (گرم بر سانتی‌متر مکعب) | توضیحات |
|---|---|---|
| اسمیم (Os) | ۲۲.۵۹ | متراکم‌ترین عنصر پایدار در جدول تناوبی |
| ایریدیوم (Ir) | ۲۲.۵۶ | یکی از متراکم‌ترین فلزات شناخته‌شده |
| پلاتین (Pt) | ۲۱.۴۵ | گران‌تر از طلا در برخی دوره‌ها، بسیار مقاوم در برابر خوردگی |
| طلا (Au) | ۱۹.۳۲ | فلز گرانبها، بسیار چکش‌خوار، کاربرد در جواهرات و ذخایر مالی |
| تنگستن (W) | ۱۹.۲۵ | سخت و مقاوم، چگالی بسیار نزدیک به طلا |
| پالادیوم (Pd) | ۱۲.۰۲ | سبک‌تر از طلا، کاربرد در جواهرات سفیدرنگ |
| سرب (Pb) | ۱۱.۳۴ | فلزی سنگین اما بسیار نرم و ارزان |
| نقره (Ag) | ۱۰.۴۹ | رسانایی الکتریکی بالا، بسیار سبک‌تر از طلا |
| مس (Cu) | ۸.۹۶ | فلز پایه رایج در آلیاژهای طلا |
| آهن (Fe) | ۷.۸۷ | رایج‌ترین فلز در پوسته زمین و ماده اصلی تولید فولاد |
کلام آخر
دانسیته طلا یک شناسه کلیدی برای تشخیص اصالت و خلوص آن است. طلای خالص با چگالی ۱۹.۳۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب، به طور قابل توجهی از اکثر فلزات سنگین‌تر است و این عدد با کاهش عیار و افزودن آلیاژهای سبک‌تر مانند مس و نقره، کاهش می‌یابد. برای ارزیابی چگالی فلز طلا می‌توان از روش عملی ارشمیدس که به‌سادگی فقط با یک ترازوی دیجیتال و لیوان آب قابل انجام است، استفاده کرد.
روش ارشمیدس با وجود دقت بالا در محاسبه چگالی طلاهای ساده، یکسری محدودیت نیز دارد که باعث می‌شود نتایج برای جواهرات توخالی، قطعات دارای سنگ قیمتی و در مواجهه با فلزات بسیار هم‌چگال مانند تنگستن، قابل اعتماد نباشد. پیشنهاد می‌شود از این روش به‌عنوان یک مهارت ارزشمند برای ارزیابی اولیه قطعات توپر و ساده بهره ببرید، اما برای تصمیم‌گیری نهایی و سرمایه‌گذاری‌های بزرگ، همیشه به تخصص و ابزارهای دقیق یک طلافروش معتبر اعتماد کنید.
سوالات متداول در مورد دانسیته طلا
چگالی طلا با حدود ۱۹.۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب، به‌مراتب بیشتر از چگالی سرب است که تنها حدود ۱۱.۳۴ گرم بر سانتی‌متر مکعب می‌باشد.
چگالی طلا به طور قابل توجهی بیشتر از فولاد است. چگالی انواع مختلف فولاد معمولا بین ۷.۷ تا ۸ گرم بر سانتی‌متر مکعب است که این مقدار کمتر از نصف طلا می‌باشد.
چگالی طلا بیشتر از جیوه است. جیوه با چگالی حدود ۱۳.۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب یکی از چگال‌ترین مایعات است، اما چگالی طلا همچنان به وضوح از آن بیشتر می‌باشد. به همین دلیل یک قطعه طلای توپر در جیوه فرو می‌رود.
فلزات آلیاژ شده در طلای سفید (مثل پالادیوم) و زرد (مثل مس) متفاوت است و این موضوع باعث می‌شود چگالی نهایی آن‌ها اندکی فرق داشته باشد.
اختلاف در چگالی دو قطعه طلا با وزن و عیار یکسان، به دلیل تفاوت در نوع فلزات به کار رفته در آلیاژ آن‌ها است.
رابطه عیار طلا و چگالی آن، مستقیم است. یعنی هرچه عیار بالاتر باشد، درصد طلای خالص در قطعه بیشتر و در نتیجه، چگالی آن نیز بالاتر است و کاهش عیار همیشه به معنای کاهش چگالی است.