Základy konzervace pro archeology (UA / A0018) Cvičení průzkum kovových předmětů identifikace kovů

Transkript

1 Základy konzervace pro archeology (UA / A0018) Cvičení průzkum kovových předmětů identifikace kovů V současnosti je pro zjišťování materiálového složení kovových archeologických předmětů nejčastěji využíváno metod instrumentální analýzy, pomocí kterých lze určit přesné složení vzorků. V případě, že tyto metody nemáme k dispozici anebo v situaci, kdy není možné odebrat z předmětu nálezu archeologické povahy dostatečně velký vzorek, je možné při jejich identifikaci využít znalosti vlastností kovů a jejich reakcí s chemickými látkami. Většina kovů se ve výrobě nepoužívá v jejich čisté formě, častěji se setkáme se slitinami kovů. Slitiny pak mají rozdílné mechanické vlastnosti než jednotlivé kovy, z nichž jsou slity. V naší praxi se nejčastěji setkáme se slitinami železa a uhlíku, které nazýváme oceli a litiny, v současnosti se vyrábějí také tzv. nekorozivní oceli. Mezi nejběžnější slitiny mezi archeologickými nálezy patří slitiny mědi, především bronzy a mosazi. Mosazi jsou slitiny mědi se zinkem (obvykle tvářené), zatímco bronzy jsou nejčastěji slitiny mědi s cínem. Setkat se můžeme také se slitinami hliníku, tzv. duraly, ale i niklu nebo titanu. Při identifikaci kovů je vhodné postupovat od jednodušších metod ke složitějším. První informace a možnost rozdělení nám nabízí porovnání fyzikálních vlastností vzorků. Již při prvním vizuálním hodnocení můžeme kovy rozdělit do skupin podle barev na tři základní skupiny Červená měď Žlutá zlato, některé slitiny mědi Šedá většina ostatních kovů Většina kovů se při expozici v elektrolytech nebo v atmosféře pokrývá vrstvičkou korozních produktů, jejichž barva může rovněž napomáhat jejich identifikaci. Rezavě hnědá vrstva korozních produktů obvykle naznačuje, že se jedná o slitinu železa (uhlíková ocel nebol litina), zelená barva povrchu jasně ukazuje na měď a její slitiny. Bílé korozní produkty můžeme nalézt na zinku, hořčíku, hliníku, cínu, olova slitinách těchto kovů. Další poněkud matoucí skutečností může být přítomnost dekorativních nebo ochranných povlaků na bázi jiného kovu. Například žlutá barva povrchu nemusí ukazovat pouze na zlato nebo mosaz, ale může se jednat i o měď nebo jiný kov, na jehož povrch byl nanesen povlak zlata nebo nitridu titanu. Barva nebo vzhled povrchu tedy nemohou být jedinou stopou pro orientační určení materiálu. Kovy lze rozdělit také do dvou skupin podle jejich magnetických vlastností. Zjištění magnetických vlastností lze provést velmi jednoduchou magnetickou zkouškou přiložením magnetu k testovanému vzorku. Podle toho pak dělíme kovové materiály na feromagnetické a ostatní. Feromagnetické materiály se vyznačují tím, že jsou vtahovány do magnetického pole. V praxi to znamená, že se přitahují k magnetu. Feromagnetické kovy jsou Fe, Co, Ni a, z běžně používaných slitin pak všechny slitiny železa (oceli a litiny), kromě austenitických (chrom-niklových) korozivzdorných ocelí. V případě archeologických nálezů a sbírkových předmětů obecně není zpravidla možno předmět podrobit fyzikálním testům, které by pomohly zjistit více informací o předmětu, ale znamenaly by jeho destrukci. Takto nelze porovnat kovové předměty mechanickým zkouškám na odolnost v ohybu, tahu, tlaku apod. Obvykle není možno zjišťovat bod tavitelnosti. V některých případech lze zjišťovat hustotu materiálu. Hustota je charakteristickou vlastností každého kovu (Tab.I). Na základě hustoty lze technicky používané kovy rozdělit kovy do tří skupin: lehké kovy s hustotou 1,7 4,5 g/cm 3. Sem patří hořčík, hliník a titan. Další kategorií

2 jsou kovy s hustotou 7 9 g/cm 3, tedy například zinek, železo, nikl, měď. Mezi nejtěžší kovy s hustotou přesahující 10 g/cm 3 patří mimo jiné zlato, olovo a wolfram. V případě slitin lze hustotu orientačně odhadnout na základě znalosti chemického složení a hustot přítomných prvků. Tab.I Tabulka hustoty některých kovů Další možností, jak poměrně dobře rozlišit běžně používané kovy a slitiny, jsou jejich chemické vlastnosti, přesněji jejich chování v kyselém (koncentrované a zředěné kyseliny) a zásaditém (NaOH a NH 3 ) prostředí. Rozdíly jsou způsobeny rozdílným korozním chováním v různých prostředích. V některých prostředích kov koroduje v aktivním stavu, tedy korozní rychlost je vysoká. V případě málo ušlechtilých kovů dochází k vývoji vodíku. Další možností je stav imunity, ve kterém je korozní rychlost velmi nízká. Většina běžných kovů a slitin odolává v některých prostředích díky pasivitě. To znamená, že se na povrchu vytvoří tenká kompaktní vrstva oxidu (v některých případech i soli tzv. solná pasivita), která v daném prostředí velmi dobře chrání povrch materiálu a korozní rychlost je tak nízká. Podle korozního chování lze rozdělit kovy následovně: Kovy, které dobře odolávají ve většině běžných elektrolytů, například zlato a platina, díky imunitě. Titan a tantal vděčí za výbornou korozní odolnost vzniku pasivní vrstvy. Následuje skupina kovů, které dobře odolávají v zásaditém prostředí slitiny železa a niklu. Další skupinou jsou amfoterní kovy, které jsou reaktivní jak v silně kyselém, tak i silně zásaditém prostředí (zinek, hliník). Na rozdíl od předchozích materiálů, hořčík aktivně koroduje téměř v každém prostředí s výjimkou kyseliny fluorovodíkové, kde odolává díky solné pasivitě.

3

4 Kromě výše uvedených údajů je možné pro identifikaci kovů využít některé specifické reakce, kterými lze kovy dobře rozlišit: Olovo Na zkoušený povrch naneste dvě kapky koncentrované HCl, nechte krátce působit. Přiložte filtrační papír, na ten kápněte několik kapek 10% roztoku KI. Objeví se žluté zbarvení. Chrom Na zkoušený přebroušený povrch naneste jednu kapku 24% HCl a nechte krátce působit. Přiložte filtrační papír, na který poté kápněte jednu kapku 10% roztoku sulfidu amonného. Objeví se zelené zbarvení. Železo Na zkoušený povrch naneste několik kapek 10% roztoku síranu měďnatého. Vzniknou červenohnědé skvrny vyloučené mědi. Zlato Na zkoušený povrch nanést několik kapek lučavky královské (1 díl koncentrované kyseliny dusičné + 2 díly koncentrované kyseliny chlorovodíkové). Zlato se rozpustí, roztok se zbarví žlutě. Měď Na zkoušený povrch naneste jednu kapku zředěné kyseliny dusičné (c < 5 %). Kapka se po chvíli zbarví modře. Nikl Na zkoušený povrch nanést dvě kapky koncentrované HCl a nechat krátce působit. Přiložit filtrační papír, na který poté kápnout několik kapek amoniaku a nakonec 1-2 kapky 1% roztoku dimethylglyoximu. Objeví se červené zbarveni. Stříbro Na zkoušený povrch nanést dvě kapky zředěné HNO 3 (1:1) a nechat krátce působit. Přiložit filtrační papír, na který poté kápnout několik kapek 10% roztoku dichromanu draselného. Objeví se červenohnědé zbarvení. Zinek Na zkoušený povrch kápněte dvě kapky 24% HCl a nechte krátce působit. Po přikápnutí dvou kapek 10% roztoku sulfidu sodného se objeví bílé zbarvení. Cín Na zkoušený povrch kápněte jednu kapku 24% HCl a nechte krátce působit. Přiložte filtrační papír, na který poté kápněte jednu kapku 10% roztoku sulfidu sodného. Objeví se žlutohnědé zbarvení. Hliník Na povrch plechu naneste několik kapek roztoku 24% HCl, nechte krátce působit a přidejte roztok amoniaku. Objeví se bílý zákal. Možný postup identifikace Postup pro identifikaci kovových materiálů, využívající výše uvedených vlastností kovů a slitin, znázorňuje následující schéma:

5

6 Úkol č. 1 Pomůcky a chemikálie Magnet, filtrační papír, smirkový papír, kahan, kapátko nebo pipeta, kádinky, ethanol, pilník, chemické kleště (kombinované kleště), roztoky: kyselina chlorovodíková HCl (w = 24 %), sulfid amonný (NH 4 ) 2 S (w = 10 %), síran měďnatý CuSO 4 (w = 10 %), kyselina dusičná HNO 3 (w < 5 %), amoniak NH 3 (w < 10 %), Na 2 S (w = 10 %). Pracovní postup Soubor vzorků postupně určete pomocí metod popsaných v úvodu cvičení. Postupujte podle schématu identifikace. Nejprve rozdělte vzorky podle barevnosti. Dále podrobte vzorky magnetické zkoušce. Následně proveďte důkazové chemické reakce. Průběh a výsledek zkoušek zapište do protokolu. Závěrem sepište krátký závěr s vyhodnocením a shrnutím cvičení a jeho výsledků.