 一、前言 銅（Cu）和鐵（Fe）是日常生活中最常見的金屬元素之二，也是人類歷史上使用最為廣泛的金屬元素。本文旨在讓同學們在了解歷史、文物的同時學習到一些化學基礎知識（如金屬的一般性質(zhì)、銅和鐵的使用歷史背后的化學原因）。   ▲Fe和Cu在元素周期表中的位置（點開可見大圖）： Fe位于元素周期表第四周期VIII族 Cu位于元素周期表第四周期第I副族 二、金屬的性質(zhì) 我們常常可以看到這樣的定義： 金屬是一種具有光澤（即對可見光強烈反射）、富有延展性、容易導電、導熱等性質(zhì)的物質(zhì)。 光澤自然不必多講，今天主要聊一聊延展性、導電性和導熱性。 延展性，即金屬受到外力在一定程度上可以被延長和展平。如果金屬沒有良好的延展性，那么如下圖的銀碗就根本不可能制成：  ▲鎏金海獸水波紋銀碗（唐代，距今約1300～1100年） 采用了錘揲（即捶打成型）工藝，攝于陜西歷史博物館 導電性，即在外加電場的情況下，內(nèi)部的自由電子定向移動，可以通過電流。有學者認為，在高聳入云的古塔上營建金屬塔剎，有避雷的作用，堪稱古代“避雷針”，這是應用了金屬導電性。  ▲應縣木塔（遼代，距今約1000年）的鐵質(zhì)塔剎 導熱性，一般來說金屬是熱的良性導體，因此常見一些炊具、食具使用金屬制作。  ▲染器（西漢中期，距今約2000余年）上為耳杯，下為銅爐 可以加熱食物，有人戲稱為古代的“火鍋” 金屬的性質(zhì)介紹完了，接下來進入正題： 三、Cu、Fe小史 （一）Fe元素與氧化鐵 縱觀歷史，人類對金屬元素的利用，可以簡單分為以下幾種： （1）對以金屬氧化物為主要成分礦物的直接利用，如以三氧化二鐵（Fe2O3）為主要成分的赭（zhě）石顏料； （2）對自然界存在的單質(zhì)（或較純的自然物質(zhì)，如自然銅、隕鐵等）的使用； （3）通過冶煉技術從礦石中提取單質(zhì)，如對鐵礦、銅礦冶煉出純鐵、純銅，對鋁礦提純電解冶煉出單質(zhì)鋁。 （4）對合金（如銅鋅合金、碳鐵合金）的使用。 其中如煉鐵煉銅等涉及到金屬活動性順序，請允許我賣個關子，暫且放到下一章。 還有一個制約人們使用金屬元素的因素是地殼中的含量（想必大家都背過這一口訣）： “養(yǎng)閨女缺鈣” 氧硅鋁鐵鈣 （O-Si-Al-Fe-Ca） 該口訣反映的是地殼中元素的含量多寡，由此可見鐵（Fe）在地殼中含量很多（約占地殼含量的4.75%），同時三氧化二鐵（Fe2O3）又呈現(xiàn)鐵紅色。這為古代先民們使用這種含氧化鐵的礦石作為顏料提供了便利，因此“鐵元素”的使用也非常早，可以早至距今數(shù)萬年的舊石器時代，比如東南亞就發(fā)現(xiàn)有用“赭石”即以Fe2O3為主要成分為顏料繪制的“手印巖畫”。在我國云南、內(nèi)蒙古等地也均發(fā)現(xiàn)了以“赭石”為顏料繪制的巖畫。 又比如著名的彩陶，經(jīng)過相關的化學分析，紅彩使用了Fe2O3（赤鐵礦）為主要成分的礦物顏料，而黑彩使用了以Fe3O4（磁鐵礦）、錳鐵礦等為主要成分的礦物顏料。  ▲馬家窯文化馬廠類型，距今約4300～4000年 可以看到由黑彩、紅彩繪制的漩渦紋飾，攝于甘肅省博物館 劃重點： 鐵（Fe）在自然界常以赤鐵礦（以Fe2O3為主要成分）、磁鐵礦（以Fe3O4為主要成分）存在。 （二）銅和合金 與鐵相比，銅（Cu）在地殼中的含量僅為0.01%，但是銅礦石如綠松石、孔雀石的應用也非常之早，且銅單質(zhì)、青銅合金的使用則要比鐵單質(zhì)、鐵合金早許多，這是因為不同金屬擁有的不同活性，我們同樣將會在接下來的推送中詳細解釋。 至少在公元前7千紀（距今約8000～9000年）土耳其的安納托利亞半島、伊朗高原上，人們已經(jīng)利用“自然銅”，即含銅量極高（還有部分銀、鉛等雜質(zhì)）又易于開采的“自然銅”（Native Copper），或稱之為紅銅。安納托利亞半島、伊朗等地是世界上最早制作銅器的地區(qū)，在裸露地表的自然銅采完后，又創(chuàng)造性地發(fā)明了銅礦的冶煉技術，以便從礦石中冶煉出較純的銅。中國早期的銅器同樣以紅銅為主，比如山西陶寺文化（距今約4000年）出土的銅鈴、齒形器等，經(jīng)檢測為純度較高的紅銅。 ▲山西陶寺遺址出土的銅鈴和齒形器 攝于山西省博物館 “國之大事，在祀與戎” ——《左傳·成公十三年》 時至夏商周，中國青銅冶煉技術異軍突起，銅錫合金、銅錫鉛合金、模范法、失蠟法的應用使中國的青銅器具有了極高的歷史、藝術價值。青銅器在該時期主要作為武器（戎，即戰(zhàn)爭）和禮器（祀，即祭祀），由此可見青銅器在該時代的地位之高。那么青銅便屬于我們接下來要介紹的“合金”： ▲青銅犧尊，西周早期（距今約3000年） 寶雞市石鼓山西周墓地四號墓出土，攝于陜西歷史博物館 合金，顧名思義，是以一種金屬與其他一種金屬或幾種金屬、非金屬一同熔合形成的混合物，并具有金屬特性。 在我國《周禮·考工記》中已經(jīng)明確出現(xiàn)了對于青銅（銅-錫、銅-錫-鉛為主）合金的要求： “金有六齊，六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊?！?span style="font-size: 12px;color: rgb(160, 160, 160);box-sizing: border-box;">齊通假“劑”，是劑量的意思，這一段文字大意為青銅器有六種不同的劑量配比。錫占六分之一，稱之為鑄造鐘鼎的劑量（有的學者解讀為五分之一）……金錫各占一半，稱之為鑄造凹面鏡等的劑量（鑒燧，鄭玄注:「鑒燧，取水火于日月之器也?！梗?。 雖然科學檢測出的成分與文獻記載不完全相同（有學者提出是因為《考工記》中的記載是以礦石而不是銅錫單質(zhì)作為計算單位而導致結(jié)果不同）。不過，同樣可以看出： （1）合金在古代已經(jīng)被廣泛使用。 （2）人們已經(jīng)刻意調(diào)整合金中金屬的不同比例，從而制造出更“趁手”的家伙。如“削殺矢”就是對硬度要求很高的小刀、箭鏃一類器具，要求錫占三分之一。 上文的“金”，指的就是青銅。青銅器的本色是金色，經(jīng)過千年的銹蝕才變成了我們常見的綠色、紅色或黑色組成的“花臉”。陜西歷史博物館藏西周晚期（距今約2800余年）的函皇父鼎還保留有一定的“青銅本色”。 ▲函皇父鼎 攝于陜西歷史博物館藏 劃重點 一般來說，合金相較于構成合金的金屬單質(zhì)硬度增加，熔點降低（熔點的高低其實代表了物質(zhì)間作用力的大小，同一種物質(zhì)間粒子分布均勻，作用力強，熔點高；而合金是混合物，粒子分布不均勻，所以作用力弱，熔點低）。 （三）鐵金屬的使用 正如前文所述，鐵作為金屬的應用要晚于銅。我國發(fā)現(xiàn)較早的“鐵器”是這件鐵刃銅鉞，商代（約公元前1400年，距今約3400余年），出土于河北藁城遺址。經(jīng)分析，該鐵刃含較高的鎳，應該為隕鐵制品（含較高的鎳是隕鐵的特征之一）。隕鐵是古人尚未掌握冶煉鐵的技術時，對純度較高的天然鐵的應用。除此以外，古埃及第十八王朝（距今約3500～3400年）著名的圖坦卡蒙墓中也出土有隕鐵短劍。 ▲河北藁城遺址出土的“鐵刃銅鉞” ▲圖坦卡蒙墓中出土的隕鐵短劍（圖中第二柄） 春秋時期（公元前770～前476年），人們逐漸掌握了鐵的冶煉技術，但此時鐵堪比黃金，正如鋁（Al）的冶煉技術剛出現(xiàn)時，鋁器要比金銀器貴重一樣（拿破侖三世使用鋁制器皿，而他的臣屬則使用金銀器），在陜西寶雞出土的這柄春秋晚期的金柄鐵劍便可以看出鐵在春秋時期的地位，經(jīng)檢測，鐵含量達到98%以上，且未檢測出鎳鈷等元素，因此應該是經(jīng)人工冶煉的鐵制品。 ▲金柄鐵劍，下面“不起眼”的黑色部分便是人工冶煉的鐵 圖源陜西歷史博物館公眾號 那么為什么鐵如此難冶煉呢，且聽下回分解 本文是文物說新欄目“博望學堂”推出的新內(nèi)容 如果您對該內(nèi)容感興趣，請點擊“在看” 可以在后臺給我們留言，提出您的寶貴意見 參考文獻 [1]路迪民, 王大業(yè). 中國古代冶金與金屬文物[M]. 陜西科學技術出版社, 1998. [2]蓋山林, 蓋志浩. 絲綢之路：巖畫研究[M]. 新疆人民出版社, 2009. [3]高江濤, 何努. 陶寺遺址出土銅器初探[J]. 南方文物, 2014(01):97-101. [4]陳曉峰, 馬清林, 趙廣田, et al. 半山、馬廠類型黑、紅復彩陶器復合顏料研究[J]. 蘭州大學學報, 2000(05):76-81. [5]Roberts B W , Springer. Archaeometallurgy in Global Perspective[J]. european journal of archaeology, 2014, 18:528-533. [6]白崇斌. 寶雞市益門村M2出土春秋鐵劍殘塊分析鑒定報告[J]. 文物, 1994(09):3+84-87. [7]中國青銅器全集委員會. 中國青銅器全集, 12, 秦漢[M]. 文物出版社, 1998. 文編 / 舍予木南 圖片 / 部分圖片來源網(wǎng)絡，涉及版權請聯(lián)系 往期回顧： |
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