Pourquoi l’or est-il jaune alors que l’argent est blanc ?
L’or et l’argent se superposent dans le groupe 11. Tous deux se terminent par une sous-couche d saturée et un unique électron s : l’argent est [Kr] 4d¹⁰ 5s¹, l’or est [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹. Leur chimie est largement comparable. Leur couleur, non.
La plupart des métaux paraissent blanc argenté parce que leurs électrons de conduction réfléchissent à peu près également toutes les longueurs d’onde visibles. L’argent fait exactement cela. L’or absorbe la lumière bleue, vers 2,4 eV, et réfléchit le reste — ce que l’œil interprète comme du jaune.
Cette absorption correspond au saut d’un électron de la bande 5d saturée vers la bande 6s partiellement vide. Chez l’argent, l’écart équivalent 4d→5s vaut environ 3,7 eV, dans l’ultraviolet : aucune lumière visible n’est absorbée et l’argent reste blanc.
Reste à comprendre pourquoi l’écart de l’or est si réduit. La réponse est la relativité restreinte.
La charge nucléaire de l’or est 79. Un électron de l’orbitale 1s d’un atome aussi lourd se déplace à plus de la moitié de la vitesse de la lumière, et l’augmentation relativiste de sa masse contracte son orbitale. La contraction se propage vers l’extérieur : les orbitales s devant rester orthogonales aux orbitales internes contractées, la 6s se contracte à son tour et son électron est plus fortement lié. Les orbitales d, plus éloignées du noyau et écrantées par les électrons s contractés, remontent légèrement en énergie.
Le niveau 5d monte, le niveau 6s descend, et l’écart entre eux se resserre jusqu’au domaine visible. L’or est jaune parce que ses électrons vont assez vite pour que les corrections d’Einstein comptent.
Le même effet explique pourquoi le mercure, voisin immédiat à l’élément 80, est liquide à température ambiante, et pourquoi les batteries au plomb délivrent la tension qu’elles délivrent. Ce ne sont pas des curiosités exotiques : c’est la relativité qui se manifeste dans une alliance et dans une batterie de voiture.
Pourquoi l’or déroge-t-il à la règle de remplissage ?
L’ordre de Madelung prédit [Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s². L’état fondamental réel de l’or est [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s¹ : un électron passe de la 6s à la 5d pour compléter la sous-couche d.
Une sous-couche d entièrement remplie est plus stable que l’ordre de remplissage ne le prévoit, suffisamment pour compenser le coût d’une orbitale 6s à demi occupée. La même exception apparaît chez le cuivre et l’argent, directement au-dessus, et cette page la signale dans la section configuration.
Dans le cas de l’or, la relativité accentue l’effet. L’orbitale 6s contractée et stabilisée descend assez bas pour qu’un électron unique y soit fermement lié, ce qui rend l’arrangement 5d¹⁰ 6s¹ encore plus favorable.
Cet électron 6s solidement retenu a une autre conséquence : la première énergie d’ionisation de l’or vaut environ 890 kJ/mol, extraordinairement élevée pour un métal — supérieure à celle de l’oxygène. L’or ne veut pas céder d’électron, ce qui constitue la raison, à l’échelle atomique, pour laquelle il ne se corrode pas, ne ternit pas et ne réagit pas avec l’oxygène.
L’or accepte même d’en prendre un. L’ion aurure Au⁻ existe, et l’aurure de césium est un semi-conducteur ionique où l’or tient le rôle qu’occuperait normalement un halogène. Aucun autre métal ne s’y prête aussi volontiers.
Pourquoi l’or est-il rare, et d’où vient-il ?
Le fer se forge dans les étoiles. L’or, non : il se situe au-delà du pic du fer, si bien que la fusion ne peut le construire. L’or se fabrique par capture neutronique rapide, le processus r, qui exige un flux de neutrons si intense qu’il ne se rencontre que dans les événements les plus violents connus : les fusions d’étoiles à neutrons, et peut-être certaines supernovae rares.
La détection en 2017 d’ondes gravitationnelles issues d’une fusion d’étoiles à neutrons, suivie de l’observation spectroscopique de la kilonova, a fourni la première preuve directe de production d’éléments lourds lors d’un tel événement.
Une seconde raison explique la rareté de l’or en surface. Lorsque la jeune Terre était en fusion, l’or, sidérophile — c’est-à-dire ayant de l’affinité pour le fer — s’est dissous volontiers dans le fer qui coulait pour former le noyau. La quasi-totalité de l’or originel de la Terre devrait se trouver à des milliers de kilomètres sous vos pieds.
L’or accessible semble être arrivé après coup, durant le grand bombardement tardif, apporté par des météorites une fois le noyau déjà séparé. Les indices isotopiques provenant de roches anciennes du Groenland vont dans ce sens.
La production mondiale totale sur toute l’histoire avoisine 200 000 tonnes — un cube d’environ 22 mètres de côté.
Qu’est-ce qui rend l’or utile au-delà de sa valeur ?
La masse volumique de l’or atteint 19 300 kg/m³, près du double de celle du plomb. C’est aussi le métal le plus malléable connu : un seul gramme peut être battu en une feuille d’environ un mètre carré, assez mince pour laisser passer la lumière verte.
Son importance pratique dans la technologie moderne vient d’une combinaison qu’aucun autre métal n’offre : une excellente conductivité électrique qui ne se dégrade pas, parce que l’or ne forme pas de couche d’oxyde isolante. Tout contact électrique fiable dans un connecteur, un interrupteur ou un boîtier de semi-conducteur en bénéficie. Des fils d’or relient les puces de silicium à leur boîtier dans une large part des circuits intégrés.
L’or est également inerte biologiquement, ce qui explique son usage millénaire en dentisterie et l’emploi de nanoparticules d’or colloïdal comme marqueurs en microscopie électronique et dans les tests de diagnostic rapide. La couleur rouge de ces nanoparticules provient d’une résonance plasmonique de surface, mécanisme optique entièrement distinct du jaune du métal massif — d’où le rouge rubis des vitraux médiévaux contenant de l’or, et non une teinte dorée.
Comment extrait-on et affine-t-on l’or ?
L’or se rencontre à des concentrations extraordinairement faibles. Un gisement exploitable peut contenir un à cinq grammes par tonne de roche — environ une partie par million. Extraire de quoi faire une alliance peut exiger de déplacer plusieurs tonnes de matériau.
L’orpaillage, la méthode la plus ancienne, exploite la densité de l’or : on lave le sédiment et l’or se dépose tandis que les minéraux légers s’échappent. Battée, sluice et drague en sont des variantes. Cela ne fonctionne que là où l’érosion a déjà concentré l’or dans un lit de rivière.
L’exploitation en roche dure exige de la chimie. Le minerai est broyé en poudre puis traité par une solution diluée de cyanure de sodium, qui dissout l’or sous forme de complexe soluble. L’or est ensuite récupéré sur charbon actif ou par ajout de zinc. La cyanuration récupère plus de 90 % de l’or et constitue le standard industriel depuis les années 1890.
C’est aussi le problème environnemental central du secteur. Le cyanure est aigument toxique, et des digues à stériles ont cédé de façon catastrophique — Baia Mare en Roumanie en 2000 a contaminé la Tisza puis le Danube. Les orpailleurs artisanaux emploient souvent du mercure, amalgamant l’or avant de le brûler, ce qui fait de l’orpaillage la première source mondiale d’émissions de mercure.
Le recyclage pèse lourd dans l’offre. L’or n’est jamais consommé — pratiquement tout celui jamais extrait existe encore.