Khác với các nghiên cứu tốc độ ăn mòn thƣờng bắt đầu từ hợp kim đồng mới, đối với các hiện vật văn hóa yêu cầu giữ lại lớp gỉ cũ và chỉ loại đi những yếu tố gây hại. Vì vậy các mẫu đƣợc chủ động đƣa các tác nhân gây gỉ vào mẫu để nghiên cứu đánh giá.
2.3.1.1. Không khí
Không tạo phản ứng hóa học, mẫu đƣợc đƣa vào môi trƣờng lƣu giữ luôn.
2.3.1.2. Ô xy.
Mẫu đƣợc đƣa vào ống đốt, hút chân không loại bỏ hết không khí sau đó cung cấp khí ôxy nguyên chất thổi liên tục với áp suất 0,7atm. Mẫu đƣợc nung trong ống đốt ở nhiệt độ 650o
C trong 1h. Sản phẩm phản ứng tạo ra các oxit kim loại ở mặt ngoài. Mẫu tiền cổ có lớp gỉ dày và xốp hơn nhiều so với mẫu long đen.
- Các mẫu long đen sau phản ứng chuyển từ màu đồng vàng ban đầu sang màu xám đen ở mặt trên (CuO) do đƣợc tiếp xúc nhiều với ô xy và màu đỏ nâu ở mặt dƣới (Cu2O) do thiếu oxy. Ngoài ra còn có phản ứng oxy hóa kẽm nhƣng không quan sát đƣợc. Phản ứng chậm, chỉ tạo đƣợc lớp gỉ mỏng ngoài mặt.
Phản ứng: 4Cu + O2 → 2Cu2O (1) đỏ nâu Cu2O + 1/2 O2 → 2CuO (2) đen 2Zn + O2 → 2ZnO (3) trắng trắng
- Các mẫu tiền cổ QTTB (64Cu-22Pb-3Sn-1Zn) chuyển từ màu xanh sang xám đen, lấm tấm nâu, bề mặt bị khô nứt nhƣ mặt đồng ruộng bị hạn hán. Phản ứng chính xảy ra là phân hủy các muối gỉ có sẵn trên mặt tiền cổ, kèm theo cả phản ứng ô xy hóa (1), (2), (3) ở mức độ ít tạo thành các lấm tấm đỏ nâu. Mặt gỉ co ngót lại nên đã tạo ra các ô nứt đa giác có thể do phản ứng loại nƣớc của các muối ngậm nƣớc (malachit, azurit) trên bề mặt gỉ. Những vết chấm trắng ngả vàng có thể là sản phẩm phản ứng loại nƣớc của muối chì.
Phản ứng phân hủy nhiệt:
2[CuCO3.Cu(OH)2] → 4CuO + 2CO2↑ + 2H2O↑ (4) malachit –xanh đen đen
CuCO3.Cu(OH)2.CuCO3 → 3CuO + 2CO2↑ + H2O↑ (5) azurit - xanh chàm đen
40
2.3.1.3. Cacbonic
Mẫu đƣợc đƣa vào buồng đốt, rút chân không và đƣa CO2 tinh khiết vào buống phản ứng với áp suất 0,7atm, nung ở nhiệt độ 850oC trong 2h. Sản phẩm tạo ra các muối cacbonat kim loại ở mặt ngoài.
Mẫu long đen không chuyển sang màu đỏ nâu nhƣ nung với oxy mà chuyển sang màu vàng đất xỉn, đây là sự pha mầu giữa kim loại không phản ứng với một phần muối cacbonat kim loại loại khan màu xám đen do phản ứng của lớp oxit kim loại với CO2. Lớp gỉ này cũng rất mỏng và chặt.
Phản ứng:
CuO + CO2 → CuCO3 (7) đen đen
ZnO + CO2 → ZnCO3 (8)
Mẫu tiền cổ QTTB (64Cu-22Pb-3Sn-1Zn) đầu tiên cũng bị phân hủy muối gỉ chuyển từ màu xanh sang màu nâu đen, nứt lẻ, sau đó kim loại chì từ trong hợp kim bị chảy sủi nổi lên thành các giọt tròn đƣờng kính khoảng 0,2mm, Tiếp theo kim loại chì này bị carbua hóa chuyển giọt chì kim loại màu trắng sang màu xám đen. Mầu của đồng tiền sau phản ứng có bề mặt nứt lẻ màu nâu đen là sự trộn màu giữa Cu2O đỏ nâu với các muối cacbonat đen. Do có sự nóng chảy chì nên đồng tiền hơi cong phồng lên. Ngoài các phản ứng chính là phản ứng phân hủy muối gỉ (4), (5), (6) còn có thêm phản ứng cacbonat hóa chì và khử đồng. Phản ứng khử oxit đồng II về oxit đồng I làm cho mẫu tiền có màu nâu đen chứ không xám đen nhƣ ở phản ứng với oxy.
Pb + CO2 → PbO + CO (9) trắng xám
CO + 2CuO → Cu2O + CO2 (10) đen đỏ nâu