Question

为什么出土的青铜器保存较好，而铁器却锈蚀严重？

化学试卷上的一道题

Answer 1

　　"青铜器"是以青铜为基本原料加工而制成的器皿、用器等。青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金，其铜锈呈青绿色，因而得名。因为青铜器属于合金，所以它的耐酸碱性都相对较强。如古代铁器（埋藏在地下）在严重缺氧的环境中，仍然锈蚀严重，主要是"电化腐蚀"。原因是一种叫做硫酸盐还原菌的细菌，能提供正极反应的催化剂，可将土壤中的SO42-还原为S2-，该反应放出的能量供给细菌生长繁殖之需。
1.该电化腐蚀的正极反应的电极反应式:SO42-+8e－+ 4H2O=S2-+8OH-
2.文物出土前，铁器表面的腐蚀产物可能有（化学式）:Fe(OH)2,FeS。
这也是出土的铁器锈蚀严重的原因之一。

Answer 2

青铜器是用青铜（铜锡合金）制成，耐腐蚀能力强，而铁会与氧气反应生成铁锈

Answer 3

铁和氧气容易反应生成氧化铁，即锈蚀。。而铜不容易与氧气反应。

Answer 4

"青铜器"是以青铜为基本原料加工而制成的器皿、用器等。青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金，其铜锈呈青绿色，因而得名。因为青铜器属于合金，所以它的耐酸碱性都相对较强。如古代铁器（埋藏在地下）在严重缺氧的环境中，仍然锈蚀严重，主要是"电化腐蚀"。原因是一种叫做硫酸盐还原菌的细菌，能提供正极反应的催化剂，可将土壤中的SO42-还原为S2-，该反应放出的能量供给细菌生长繁殖之需。
1.该电化腐蚀的正极反应的电极反应式:SO42-+8e－+ 4H2O=S2-+8OH-
2.文物出土前，铁器表面的腐蚀产物可能有（化学式）:Fe(OH)2,FeS。
这也是出土的铁器锈蚀严重的原因之一。
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Answer 5

青铜器的室内保护
　　青铜器保护的形式，可归纳为三类：机械去锈保护、化学试剂去锈保护、用化学试剂控制和改善表面结构保护。现将各种保护方法适应对象以及优缺点等分析类比如下。
　　（1）机械去锈
　　机械去锈：机械去锈一般是针对那些局部锈蚀的青铜器，其方法是借助放大镜或体视显微镜观察，使用手术刀、钢针、錾子等对所需去铜锈部位进行清理，在工作中要仔细小心，不要在铜器表面留下划痕。超声波震动法除去有害锈：超声波去锈最大特点是去除粉状锈较为彻底干净，而不损及其他铜锈。激光器清除青铜器粉状锈：激光清除锈蚀物，主要是利用激光激励出的巨大光能，瞬时作用在表面锈层上，使表面温度迅速上升。因为锈层的结构疏松，对能量的吸收能力强，因而将锈蚀物迅速烧融、汽化，与本体分离。激光在作用过程中，还使青铜表面相变硬化，形成一种致密的硬化保护层，对导致青铜器继续锈蚀的外界条件，有一定的防护作用。用机械方法除锈虽然能简单、快速揭掉锈层，但金属部分直接裸露在大气中，锈蚀仍是不可避免。
（2）化学去锈保护
对于大面积锈蚀的考古青铜器所采用的方法是将化学纯的碳酸钠（Na2CO3）与碳酸氢钠（NaHCO3）以等摩尔数混合后，溶解于蒸馏水中，配制成10%-20%的系列溶液，较常用的为5%的溶液。一般碳酸铜含结晶水，配制溶液时应考虑在内。用此溶液浸泡青铜器时，有害锈（氯化亚铜）逐渐转化为碳酸铜，其作用过程是溶液中Na2CO3水解呈碱性：CO-3+H2O→HCO31-+HO-在倍半碳酸钠浸泡液中，存在下列平衡：CuCL(固) →Cu++Cl- Ksp=1.2×10-5,2cu+→Cu+cu2+,Cu2++CO2-3→CuCO3（固）↓Ksp=1.4×10-10
因Ksp(CuCO3) Ksp(CuCl),所以这一替换过程较容易发生。随着溶液中CO2-3和HCO-3的消耗，有害锈（CuCl）逐渐转化成稳定的CuCO3，这时Cl-被取代而进入溶液，不断更换新鲜溶液浸泡器物，直到溶液中检不出氯离子为止，随后用蒸馏水浸泡器物，以洗去残留的碳酸钠和碳酸氢钠，有时为了加快洗涤速度，可把浸泡液控制在50度左右，因温度升高促使离子扩散和反应加速度，从而增加特质的转化速度，一般一周换两次溶液。此方法虽然很平稳，但费时较长，有时需一到两年时间才能完成一件器物的清洗。另外难溶的碳酸铜附着在器物表面使处理后的外观较处理前加深加绿，改变了器物外观。
对于小面积有害锈的器物，即考古青铜器有害锈仅仅是小斑点的器物来说，可用钢针或小手术刀将锈斑剔除，剔去的范围稍大于粉状锈范围，特别是要把产生“青铜病”的有害锈清除干净，直至看出新鲜的青铜为止，然后用丙酮液擦洗孔穴，等干燥后把氧化银（分析纯）粉末用乙醇或异丙醇调成糊状，仔细擦入孔内，再把此器物置于饱和的水蒸气中或潮湿的环境中存放一昼夜，让氧化银和氧化亚铜充分作用形成保护膜，同时也可用以检验封闭程度，若又发现新的绿色斑点，可重复操作，直至在饱和的水蒸气中放置一昼夜后不再有新的绿色斑点产生为止。其化学反应式：Ag20+2CuCl→2AagCl+Cu2O用氧化银保护处理的斑点，外观呈棕褐色，与铜器的其他铜锈也能和谐一致。
（3）用化学试剂控制和改善表面结构的保护
用化学试剂控制和改善表面结构的保护其原理是缓蚀作用。在考古青铜保护研究中此技术是重要的研究对象，也是金属文物保护技术发展的趋势。其方法可以：1. 判断缓蚀作用的物种，缓蚀剂与金属作用的类型、作用基团或分子取向；2. 考察缓蚀剂的缓蚀过程及其性能，不同缓蚀剂间的协同效应和竞争吸附；3. 研究侵蚀性离子在金属表面上行为特性及其对缓蚀的影响等。
近年来，国内外学者为了不改变考古青铜文物铜锈的色调，越来越多的金属缓蚀剂用在青铜文物上。苯骈三氮唑是一种很有效的青铜缓蚀剂，简写BTA，它是乳白色粉末结晶，能溶于乙醇等有机溶液中，苯骈三氮唑可与铜及铜合金形成不溶于水及部分有机溶剂的透明覆盖膜，生成膜比较牢固，青铜器中的铜与苯骈三氮唑交替结合，形成类似Cu—BTA金属配合多聚络合物，而且很像高聚物的线状结构形式，有效地隔断金属与种腐蚀介质的接触，使器物得到保护。但这个绿色的不溶性的多聚络合物能覆盖铜器纹样细节。不适用细小纹饰器物的保护，如钱币、神像头。对于细小纹样且腐蚀严重，铜芯少的器物保护使用有机杂环合物5-胺基2-巯基-1，3，4-噻重氮（AMT），它是淡黄色的结晶固体。熔点燃238℃，溶于热水和酒精。其方法是将清洗后的器物浸入0.01M的AMT的水溶液中。为了加速反应，加入几滴硝酸（1:1）。然后将溶液加热到60℃。这时可以观察到器物腐蚀区有淡黄绿色的凝乳状沉淀产生。1小时后将器物取出并用蒸馏水清洗，将此过程反复，直到没有沉淀产生为止。实验表明，AMT化合物和青铜病中离子化的铜形成了络合物。这个络合物在青铜病区以淡黄绿色沉淀形式出现。因此使得铜器除去青铜病。这个过程一直进行到青铜病完全从腐蚀产物的微孔隙和下面的金属中完全除去。当青铜病完会除去后，AMT在金属表面形成一层均匀薄薄的多聚络合保护膜。
考古青铜器埋藏的土壤由各种矿物质和有机酸的腐蚀产物共同组成是多相的具有离子导电性的多孔毛管胶体体系。根据软硬酸碱理论：“凡是能给出电子对的分子、离子或原子团都叫碱，凡是能接受电子对的分子、离子或原子团都叫做酸。”考古青铜器上的锈蚀物分为：硬酸类Cu++和软酸类Cu+。罗歇尔盐络合剂属硬碱类，能与硬酸型阳离子产生成稳定的络合物。硫脲是软碱型络合剂易和软酸型阳离子Cu+结合稳定。EDTA是以氨基二乙酸为基体的有机络全物，具有氮和羟氧两种亲核力很强的配位原子，络合能力很强可与许多金属离子形成稳定络合物。在缓蚀剂研究中，根据这一原理，使用复合缓蚀剂要好得多，此时其缓蚀率比简单加和值要大得多，这种发挥各种成分作用的效应称为缓蚀剂的“协同”效应。
采用10%硫脲+10%EDTA+10%罗歇尔盐能有效地除去绿色铜锈，红色的氧化铜以及与泥土混为一起的锈层。另外0.5%BTA+0.5mol/Nna2M0D4+5%NaHCO3的复合配方有较好的缓蚀效果。钼酸钠溶液会使金属的钝化膜抵御氯离子的能力提高，并降低某些金属点腐蚀小孔中氯离子的富集作用，随钼酸钠的增加作用会越明显。
在苯骈三氮唑中加入辅助剂碘化钾或对氨基苯胂酸采用定量方法是很好的青铜缓蚀剂。其配方BTA0.2mol/L,APA0.005mol/l,PH=4.或BTA0.2mol/l,KI0.01mol/L,PH=6.31溶液温度为60℃，溶剂的组成乙醇（95%）/水=2/3（体积比）。表面封护剂采用有机硅玻璃树脂与苯骈三氮唑的混合物，其中BTA的浓度为0.1mol/L，在苯骈三氮唑中加入少量的碘化钾，是由于碘离子优先吸附于青铜表面，引起初始电位的降低，从而导致苯骈三氮唑的吸附量的增加，多余的KI亦可通过空气氧化除去，不会有副作用。在苯骈三氮唑中加入少量的对氨基苯胂酸后，由于苯骈三氮唑优先吸附铜质点上，对氨基苯胂酸优先吸附于锡、铅点上，二者相辅相成，在青铜器表面形成致密的保护层，从而导致缓蚀率的增加。
总之，对于每件考古青铜器的处理一定要因地制宜制定保护方案，切忌一方治百病。