Металл, использовавшийся для изготовления монет
Первые металлические монеты, появившиеся на Ближнем Востоке около 700 г. до н. э., сделаны из золота и серебра. Эти два металла были доступны в то время, когда химия и технология извлечения металлов из бинарных металлических соединений были неизвестны. Химическая инертность золота означала, что древние золотые монеты, даже после столетий воздействия атмосферы или захоронения и воздействия едких химикатов в почве, можно найти в таком же хорошем состоянии, в каком они были, когда ими пользовались.
На протяжении столетий основные металлы Fe, Cu, Ni, Zn, Al, Sn и Pb использовались в качестве второстепенных компонентов сплава или в качестве основных компонентов в монетах. Как правило, металл должен быть достаточно прочным, чтобы обеспечить экономически выгодный срок службы монеты, и должен сохранять приемлемый внешний вид при воздействии атмосферы. И он не должен быть слишком дорогим.
Будучи мягким и дорогим металлом, золото обычно сплавляют с медью, чтобы получить прочный сплав. Британские золотые соверены, которые все еще чеканятся, изготавливаются из 22 карат золота и содержат 91 процент Au, 8,3 процента Cu. (Карат — это мера чистоты золота, чистое золото составляет 24 карата.)
Платина лишь ненадолго появилась в качестве монетного металла. Несколько дорогостоящих монет в России были отчеканены в середине 19 века, когда месторождение платины было найдена в Уральских горах.
На некоторое время стоимость платины упала ниже стоимости золота, и это привело к появлению поддельных соверенов в 1870-х годах. Они были сделаны из платины и имели тонкий слой электрохимически осажденного золота.
Бронзовые (сплав Cu-Sn) фартинги, выпущенные между 1897 и 1917 годами, были затемнены с помощью Na2 S2 O3 , в результате чего на поверхности образовался слой сульфида меди. Это сделали для того, чтобы избежать путаницы между недавно отчеканенным блестящим фартингом и золотым полусовереном, который стоил в 480 раз больше, но мог выглядеть похоже. Бронзовые пенни, выпущенные между 1944 и 1946 годами, были обработаны аналогичным образом, чтобы предотвратить накопление новых пенни в конце Второй мировой войны.
По мере совершенствования химических и технологических знаний росли и требования к прочности монет. Современные условия требуют, чтобы металлы и сплавы, используемые в производстве монет, были чрезвычайно чистыми. Даже очень малые следы неметаллов, таких как углерод, сера или фосфор, могут вызвать хрупкость, что недопустимо в современном оборудовании для чеканки монет, работающем на высоких скоростях и давлениях.
За последние 60 лет во многих странах появились гальванизированные железные и стальные монеты. Это было ответом на возросшие расходы на поставку огромных объемов дешевых монет для состоятельных потребителей послевоенных лет. С 1992 года британские «бронзовые» монеты изготавливаются из стали с медным покрытием.
Химический анализ старинных монет
Помимо того, что монеты являются хорошим показателем политического и экономического состояния страны, аналитические данные полученные химическим исследованием древних монет, например, видообразование и концентрация металлов, могут многое рассказать нам о степени химических знаний, существовавших во время чеканки монеты.
Ранние римские монеты, например, содержали до 5 процентов кислорода. Единственными несвязанными металлами, присутствующими в таких монетах, были те, которые образовывали оксиды, которые можно было восстановить углеродом при температуре ниже 1600 °C. Это была самая высокая температура, достижимая в древних печах с принудительной тягой на угле. Более поздние римские монеты не содержали кислорода, что указывает на то, что они использовали усовершенствованную технологию восстановления, с помощью которой можно было получить более высокие температуры.
При анализе старинных монет используются деструктивные или неразрушающие аналитические методы. Первый, который используется только в случае, если монета имеет низкую стоимость или доступна в избытке, включает растворение монеты в кислоте с последующей атомно-абсорбционной спектроскопией или комплексонометрическим титрованием. Нейтронно-активационный анализ является примером последнего метода и является наиболее широко используемым методом анализа серебра в монетах. Другие неразрушающие методы включают линейную рентгеновскую спектрометрию, электронный микрозондовый анализ и масс-спектрометрию.
Серебряные монеты были универсальным средством торговли на протяжении столетий. Содержание серебра в монетах, отчеканенных на городских монетных дворах, отражало статус города как торгового центра. Торговцы с хорошей репутацией имели дело только с высококачественными серебряными монетами, о чем свидетельствует высокое содержание серебра в монетах, найденных вдоль старых торговых путей, например , из Средиземноморья через Ближний Восток и Центральную Азию в Китай.
Во времена упадка благосостояния или роста военных расходов, правительство вкладывало в свои монеты ровно столько серебра, чтобы они оставались приемлемыми для населения. Иногда, однако, была более тонкая причина снижения содержания серебра.
Примерно до 100 г. н. э. римские серебряные монеты содержали более 90 процентов Ag. После этого поставки серебра стали скуднее, а римские технологии не могли извлекать серебро из низкосортных руд, которые к третьему веку н. э. были единственными доступными первичными источниками серебра. Однако примерно в это же время в Корнуолле, Бретани и Эльзасе были обнаружены залежи AgCl (хлораргинита). Римляне заметили, что если медные или бронзовые монеты окунуть в расплавленный AgCl (т. пл. 455 °C), они покрываются серебром: Cu + 2AgCl → 2Ag + CuCl 2 (т.н. расплавленное серебро).
Анализ нейтронной активации также показал, что старые серебряные монеты содержат до 1 процента Au, что говорит о том, что древние не знали, как удалить остаточное золото. Это, помимо прочего, означает, что современные подделки древних серебряных монет легко обнаруживаются, поскольку современное высокоочищенное серебро содержит менее 0,001 процента Au.
Неразрушающие методы анализа также оказались ценными при изучении неравномерного распределения элементов в древних монетах. Такие исследования выявили, например:
- неравномерное распределение свинца, возникающее из-за нерастворимости свинца в сплаве, что указывает на отсутствие понимания процесса сплавообразования в то время;
- изменения состава поверхности, возникающие из-за примитивных производственных процессов, например, термической обработки, неравномерного окисления, миграции свинца или поверхностной потери цинка в монетах из свинца или цинкового сплава;
- неметаллические включения.
Анализ продуктов коррозии, образовавшихся в результате многовекового захоронения, также является информативным. Например, бронзовые монеты демонстрируют поверхностное обогащение медью после длительного контакта с почвой в результате изменения pH почвы. Свинцовые монеты демонстрируют поверхностное обогащение соединениями свинца, такими как PbCO3 и Pb(CH3COO) 2.PbO, после длительного периода захоронения. Образование таких соединений может дать ценную информацию о pH почвы, что, в свою очередь, может пролить свет на древние методы удобрения.
Изотопный анализ используется для определения происхождения металлов в монетах. Основным источником свинца, используемого в монетах, был PbS. Изотопное соотношение свинца обычно варьируется в зависимости от места геологического месторождения, и оно не меняется, какие бы химические превращения ни претерпевал свинец. Даже если для анализа доступны только продукты коррозии свинца, мы можем обнаружить первоначальный источник. Эта методика показала, например, что монетный двор Лондиниума (Лондон) в Римской Британии использовал только свинец, добытый в Британии.
Тонировка и патинирование монет
Привлекательность старинных монет заключается не только в их истории, но и в их цвете, который обусловлен химическими элементами и соединениями на их поверхности.
Недавно отчеканенная монета блестит, но, за исключением золотых монет, поверхность металла со временем становится тонированной. После очень долгого времени, в случае медных или бронзовых монет, образуется зеленая патина ( рис. 3 ). Для художественного взгляда эти эффекты, вызванные окислением и другими химическими реакциями окружающей среды, придают монете и многим другим старым металлическим предметам желанный вид старины.
Тонирование относится к образованию тонкого поверхностного слоя металлического соединения, в основном оксида или сульфида. Серебряные монеты, например, становятся серыми при реакции с кислородом или серой. В случае очень старых серебряных монет часто наблюдается привлекательная синяя иризация, которая может быть результатом частичного фотоиндуцированного разложения поверхностных соединений серебра.
Образование зеленой патины на медных или бронзовых монетах связано с более глубокими реакциями в металле, которые считаются коррозией. Часто происходит прогрессирующее разрушение структуры металла, и монета становится хрупкой.
Коррозия меди и ее сплавов приводит к трем специфическим последствиям:
- зеленовато-желтая патина
- зеленая патина, содержащая в основном сульфат меди и карбонат меди;
- бронзовая болезнь, которая выглядит как светло-зеленый порошок и является результатом взаимодействия иона хлорида, воды и кислорода. Этот процесс требует относительной влажности всего 45 процентов и, как правило, происходит в закрытых микроклиматах, часто присутствующих в музейных хранилищах.
Подробнее о видах патины на медных и бронзовых монетах.
Контакт человека с монетой также может инициировать химическую реакцию. Пот содержит коктейль из едких химикатов, включая NaCl, KCl, NH3 , мочевину и аминокислоты. Также кожное сало, водонепроницаемый слой на нашей коже, выделяемый сальными железами, приводит к образованию жирных кислот, которые могут привести к коррозии на поверхности монеты.
Консервация монет
Единственная допустимая очистка старинных монет — это очистка от жира и грязи. Обычно это делается с помощью обезжиривающего растворителя, такого как CF 3 CCl 3 или простого мыльного раствора. Физические или химические обработки избегаются, поскольку они приводят к травлению или образованию ямок и, таким образом, уничтожают привлекательность и ценность монеты. Более того, такие процессы удаляют химические вещества, которые образовались на поверхности монеты в течение длительного периода времени, являющиеся частью истории монеты.
Также необходимо проявлять осторожность при выборе типа контейнеров для хранения монет. Деревянные шкафы должны быть из выдержанного красного дерева, поскольку другие виды древесины выделяют пары этановой кислоты и метанола, которые могут привести к коррозии. Древесные клеи могут содержать соединения серы, которые вступают в реакцию с металлами в монетах. Бумага также не подходит для хранения монет, если она не бескислотная.
Самым отвратительным материалом, используемым для хранения монет, является поливинилхлорид (ПВХ), и по иронии судьбы он используется почти повсеместно в виде небольших конвертов для хранения монет. ПВХ разлагается со временем, выделяя HCl. Для минимизации этого эффекта в ПВХ добавляют стабилизаторы, а для придания ПВХ гибкости добавляют пластификаторы. И стабилизаторы, и пластификаторы содержат жирные кислоты, которые мигрируют на поверхность, где вступают в реакцию с монетой.
Полиэтилентерефталат на сегодняшний день является наиболее удовлетворительным материалом для хранения монет. Он химически стабилен и может использоваться без добавления пластификаторов.
Таким образом, химия столь же незаменима в нумизматике, как и во многих других исторических и художественных дисциплинах.
Эта статья основана на лекциях доктора Дэвида Гудолла RSC.