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叶子:自然界的红铜矿并不多,那青铜器所用的铜是如何冶炼出来的?
【前一阵去陕西博物馆,陕博的展馆参观路线基本是按照年代进行的,从陶器时代走到青铜时代的时候,我突然产生了一个疑问:青铜器所用的青铜属于合金,铜和其他金属是有相对确定的比例的,那么这就要求铜的纯度比较高,也就是说,挖出来的铜矿需要冶炼,在科学技术并不发达的古代,到底是通过什么来还原的呢?】
(文/观察者网专栏作者 叶子)
谈及青铜,人们脑海中最先浮出的画面大多是雄伟庄严的后母戊鼎,是造型精美的四羊方尊,是寒光凛凛的越王勾践剑,心中升腾起对古人高超制造技艺的钦佩。中国的青铜文明博大精深,今天希望这篇文章能够带领大家由“知其然”走向“知其所以然”,一起来领略古人的智慧结晶,看看青铜到底是如何冶炼出来的。
青铜器制造流程
青铜是什么
首先我们从化学的角度来看一下,青铜到底是什么。
铜,大家都不陌生,它是一种常见的金属,初中化学课本里这样描述,“常温下带有金属光泽的紫红色固体”。自然界中,铜矿的露头处存在着含铜量高达98~99%的自然铜,也称红铜或纯铜。它质地柔软,延展性好,无需加热处理,锻打加工即可获得所需要的形状,最早在公元前7000多年的中东地区,便有农耕部落制造的红铜装饰物被发现。
青铜,广义上指所有以铜为主要成分的合金,但在考古界,一般是指有一定比例锡、铅的铜基合金。锡,是我们常常提到的“五金”——金、银、铜、铁、锡——之一,银白色光泽的软金属;铅,高密度柔软的蓝灰色金属,但是常温下在空气中易氧化,表面会形成一层氧化膜。红铜质地比较软,在铸造时需要的温度也较高,但在加入锡或铅后形成合金,其熔点降低,硬度增加,颜色也由红变白亮,虽然韧性有所损失,整体变得更脆,但是只要控制好比例,韧性能保持在一个合适的范围。
19世纪30年代丹麦考古学家G·J·汤姆森提出人类物质进化史的分期概念,他根据人类在不同时代使用的生产工具,将人类文明历史划分为石器时代、青铜时代和铁器时代。实际上,现代考古发掘证明,红铜的发现与使用都在青铜之前,但是为什么历史学家没有划定一个时期叫做红铜时代呢?这主要是因为人类使用红铜的同时,也普遍使用着石器,红铜制品大多都是一些小件器物,用于装饰,对整体社会生活意义不大,也无法替代石器制品的使用,所以红铜时代便没有被考古学界广泛接受。
此外还有很多人疑惑,为什么铜先于铁被人类发现和利用呢?这主要是因为铜色彩艳丽,易吸引人类的目光,且在自然界中存在天然矿藏,熔点也只有1087℃,更易进行冶炼。而与之相反的铁,自然界很少有自然铁,它主要是以氧化物或者其他化合物的形式存在,铁矿石与普通石料难以区分,此外铁的熔点在1537℃,远高于铜,难以冶炼,即便从矿石中提炼出来,也是呈现海绵状,不经捶打,无法成材。综上几点,人类对金属的冶炼和利用,先是从铜开始。
红铜的冶炼
青铜是一种比较复杂的合金,含有多种元素,冶炼技术出现较晚,我们先来研究一下成分较为单一的红铜的冶炼。
在自然界中,红铜是天然存在的,因其颜色鲜艳,非常容易吸引人们的目光,世界上先在发现的最早的铜器就是由红铜铸造的,但在我国尚未发现。学者们推测,人类或许在最初是将红铜矿石当作普通石料进行打磨,并发现了红铜良好的延展性,它不似石头那样容易碎裂,而是可以捶打变薄,制成形状各异的装饰品。后来,人类又渐渐摸索出加热到一定温度后的红铜会变软,更易塑形,铜的熔点时1083℃,若设烧到制陶时的最高温度(1000℃),红铜还可以熔化成铜水,冷却凝固后能随容器形成一定形状。
但是红铜在自然界中存量毕竟不多,与其共生的一种常见含铜矿石——孔雀石——也开始走向了人类的视野。孔雀石,化学分子式为Cu2(OH)2CO3,因其色彩与孔雀的羽毛相似,所以得名。它与红铜矿石常常分布在一起,又因为颜色与铜锈相近,所以考古学家们推测古代炼铜最早是从孔雀石开始的。人类开始尝试将孔雀石投入炉火中,在木炭存在的情况下加热到1083℃时,铜便经由氧化还原反应而制得,反应式如下:
自此,人类开始掌握了红铜的冶炼方法,但是红铜金属熔液难以铸造成型,易吸收空气,成型后器物制品往往带有气眼,表面粗糙,硬度也不足,很大程度上限制了其应用。
青铜的冶炼
青铜是怎样被发明出来的,考古学家们有两种推测:
一种观点认为,青铜是在冶炼红铜的长期实践中逐渐摸索出来的。最初从矿石中冶炼出来的红铜并不非常纯,其中含有一些杂质,如少量的铅、锡、铁等,但因为铅、锡含量很低,还不能称为青铜。可是人们无意中发现这种合金的机械性能要强于红铜,从而进一步开始有意识地向红铜中添加锡从而配制出青铜。
另一种观点认为,青铜冶炼可能是人类在采掘金属矿时,用火烧烧烤岩石,然后浇水,使矿石裂缝。锡青铜含锡25%时,熔点只有800℃,当矿石是铜锡共生矿时,在800℃左右的木炭或者干柴火焰中,便能获得青铜。
这两种观点都有一定的道理,在学界都获得了广泛支持。
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本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑: 周雪莹 
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