近代以来,我国考古行业发展迅猛,出土了大量的青铜器,光国家级的青铜器就有140多万件,那这些青铜器是如何制造的?又是如何能保留至今呢?今天跟大家一一道来。
自然界中铜(Cu)都是以化合物的形式存在,而青铜器皿,铜以单质形式存在。要想化合物中的铜转化为单质铜必须发生化学反应。化学变化是指相互接触的分子间发生原子或电子的转换或转移,生成新的分子并伴有能量的变化的过程,其实质是旧键的断裂和新键的生成。换句话说,在能够制造青铜器的年份已经掌握了这种化学反应。古人虽然不知道这种化学反应方程式,但是从大量出土的青铜器可以看出,人们已经掌握炼铜的技术。铜在古代被用于制作器皿,武器等等,有着很重要的用途。现代社会依然如此,铜冶炼行业是国民经济中的基础性行业,在电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域有着广泛的应用,熟练掌握炼铜术也是国之根本。
自然界中铜可分为3类,(1)硫化矿,如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。(2)氧化矿:如赤铜矿(Cu2O)、孔雀石[Cu₂(OH)₂CO₃]、蓝铜矿[2CuCO3·Cu(OH)2]、硅孔雀石(CuSiO3·2H2O)等。(3)还有自然铜即铜矿石。当然现代炼铜技术已经很发达,通过火法炼铜,电解铜,湿法练铜等技术已经十分成熟。
中国古代最初是使用自然铜,商代早期已能用火法炼制铜锡合金的青铜,首先选取铜含量较高的铜矿石,加入熔剂,再放在炼炉内,造锍熔炼。取精炼锍熔,弃去炼渣,即得初铜。初铜仍比较粗,需再经提炼才能获得纯净的红铜。以黄铜矿为例,首先把精矿砂、熔剂(石灰石、砂等)和燃料(焦炭、木炭或无烟煤)混合,投入“密闭”鼓风炉中,在1000℃左右进行熔炼。化学反应方程式如下:
2CuFeS₂ O₂=Cu₂S 2FeS SO₂↑
2Cu₂S 3O₂=2Cu₂O 2SO₂↑
2Cu₂O Cu₂S=6Cu SO₂↑
但这种冶炼出来的铜质地较软,熔点也很高(1084℃),也就是是不能直接用于制造器皿或者武器的。但是工匠偶然发现,当混合其他原料(锡,铅等化学元素)一起合成的时候,会增加产物的硬度,而且熔点也会降低(800℃左右,方便炼造),这极大的引起了人们的注意,于是就有了合金的产生。我想这位工匠放到现代也会是个优秀的化学家,实验做得不错。
这合金就是铜与锡,铅化学元素的组合。合金刚制作出来的时候,接近黄金的颜色,是以在古代称这种合金为“吉金”,象征珍贵和吉祥,《墨子》一书在提到大禹铸九鼎时写道:“使蜚廉采金于山川,而陶铸之于昆吾”。这里所说的“采金”就是指开采铜矿取得铸鼎所需的青铜。这种合金在空气中放置一段时间后会变为青绿色,故现代也称青铜。青铜器是现代人的叫法,古人对它没有这样的称呼。吉金(青铜器)一直是上层社会使用的奢侈品,它的拥有者是地位崇高的王室贵族。吉金更是神权和政权的象征物,一些重器更是镇国之宝,它们的得与失往往是一个国家兴衰的标志。
由于制作青铜器时,锡、铅所占的比例不同,青铜器成形后所呈现出的颜色也不尽相同。通常情况下青铜器的颜色主要是由锡的含量来决定的,铅在一定程度上影响了青铜器的色泽,一般有金黄色、橙黄色、浅黄色、灰白色等。当然了,受到冶炼技术和设备限制,在熔料、浇铸过程中,难免在铜液中混入杂质,也会影响色泽。
那现如今出土的青铜器,为什么不都是青绿色呢?比如“秦陵一号铜车马”铜车马的车身泛着幽幽的青光,而马身上却还遍布着黄褐色的锈迹,曾侯乙墓的编钟是青绿色的,著名的四羊方尊又好像是黑色的,都是青铜器,为什么颜色有这么大的差别呢?
青铜器被长期埋藏于地下,与土壤中的水、空气还有微生物接触,如土壤中的无机盐、硫化物以及大气中的二氧化硫、二氧化碳、氧等的影响铜锈的成分十分复杂,简单而言是铜的碳酸化合物、氧化物,硫化物与氯化物的混合。但锈也不都会对铜器造成伤害。我们将青铜器发掘出土以后,经过除锈处理,去除有害锈,留下一些无害的锈作为天然的致密保护层,保护铜器免受进一步的伤害。这几种不同的铜锈大多是偏青黑的颜色。
2Cu O2 H2O CO2═阴暗潮湿的环境═Cu2(OH)2CO3(铜绿,浅绿色)
所以"青铜"的颜色是由它的锈色决定的,氧化铜(黑锈)多一点就相对发黑,如果是碱式碳酸铜就是青绿色,如果是有害的氯化铜那就是一种接近草绿的颜色了。青铜器上的红锈为氧化亚铜,为氧化铜,兰色为硫化铜,灰白色为氯化铜等。这些铜锈对青铜器的影响也不一样。其中氯化亚铜和碱式氯化铜对青铜器是有害的。这些锈为白绿色,呈粉末状,故称“粉状锈”。
总之,这种青铜器历史的记载也是中国化学科学的最终发展进程,是文明进步的一种见证。
,