Bronze arsenical - Arsenical bronze

Un Bouddha assis de Thaïlande ( vers 1800) en bronze arsenical

Le bronze arsenical est un alliage dans lequel l' arsenic , par opposition ou en plus de l' étain ou d'autres métaux constitutifs , est ajouté au cuivre pour faire du bronze . L'utilisation d'arsenic avec du cuivre, soit comme constituant secondaire, soit avec un autre composant tel que l'étain, permet d'obtenir un produit final plus résistant et un meilleur comportement de coulée .

Le minerai de cuivre est souvent naturellement contaminé par l'arsenic; par conséquent, le terme "bronze arsenical" lorsqu'il est utilisé en archéologie n'est généralement appliqué qu'aux alliages ayant une teneur en arsenic supérieure à 1% en poids, afin de le distinguer des ajouts potentiellement accidentels d'arsenic.

Origines dans la préhistoire

Minerais de cuivre et d'arsenic
Nom du minerai Formule chimique
Arsénopyrite FeasS
Enargite Cu 3 AsS 4
Olivenite Cu 2 (AsO 4 )OH
Tennantite Cu 12 Comme 4 S 13
Malachite Cu 2 (OH) 2 CO 3
Azurite Cu 3 (OH) 2 (CO 3 ) 2

Bien que le bronze arsenical soit présent dans les archives archéologiques à travers le monde, les premiers artefacts connus à ce jour, datant du 5ème millénaire avant JC , ont été trouvés sur le plateau iranien . L'arsenic est présent dans un certain nombre de minerais contenant du cuivre (voir le tableau à droite, adapté de Lechtman & Klein, 1999 ), et donc une certaine contamination du cuivre par l'arsenic serait inévitable. Cependant, il n'est pas encore tout à fait clair dans quelle mesure l'arsenic a été délibérément ajouté au cuivre et dans quelle mesure son utilisation découle simplement de sa présence dans des minerais de cuivre qui ont ensuite été traités par fusion pour produire le métal.

Reconstituer une séquence possible d'événements de la préhistoire implique de considérer la structure des gisements de minerai de cuivre, qui sont pour la plupart des sulfures. Les minéraux de surface contiendraient du cuivre natif et des minéraux oxydés, mais une grande partie du cuivre et d'autres minéraux auraient été lavés plus loin dans le corps minéralisé, formant une zone d'enrichissement secondaire. Cela comprend de nombreux minéraux tels que la tennantite , avec leur arsenic, le cuivre et le fer . Ainsi, les dépôts de surface auraient été utilisés en premier ; avec quelques travaux, des minerais sulfurés plus profonds auraient été découverts et exploités, et il aurait été découvert que le matériau de ce niveau avait de meilleures propriétés.

En utilisant ces divers minerais, il existe quatre méthodes possibles qui ont pu être utilisées pour produire des alliages de bronze à l'arsenic. Ceux-ci sont:

  • L'ajout direct de métaux ou de minerais contenant de l'arsenic tels que le réalgar au cuivre en fusion.
Cette méthode, bien que possible, manque de preuves.
C'est tout à fait réalisable.
  • La réduction des sulfarséniures de cuivre grillés tels que la tennantite et l' énargite .
Cette méthode entraînerait la production de fumées toxiques d' oxyde d'arsenic et la perte d'une grande partie de l'arsenic présent dans les minerais.
Cette méthode s'est avérée efficace, avec peu de dégagement de fumées dangereuses, en raison des réactions entre les différents minéraux.

De plus, une plus grande sophistication des métallurgistes est suggérée par Thornton et al. Ils suggèrent que l'arséniure de fer a été délibérément produit dans le cadre du processus de fusion du cuivre, pour être commercialisé et utilisé pour fabriquer du bronze arsenical ailleurs en plus du cuivre fondu.

Les artefacts en bronze arsenical couvrent l'éventail complet des objets métalliques, des haches aux ornements. La méthode de fabrication impliquait de chauffer le métal dans des creusets et de le couler dans des moules en pierre ou en argile. Après solidification, il serait poli ou, dans le cas des haches et autres outils, écroui en battant le bord de travail avec un marteau, en amincissant le métal et en augmentant sa résistance. Les objets finis pourraient également être gravés ou décorés selon le cas.

Avantages du bronze arsenical

Alors que l'arsenic était très probablement à l'origine mélangé avec du cuivre en raison des minerais qui le contenaient déjà, son utilisation s'est probablement poursuivie pour un certain nombre de raisons. Premièrement, il agit comme un désoxydant, réagissant avec l' oxygène dans le métal chaud pour former des oxydes d'arsenic qui se vaporisent à partir du métal liquide. Si une grande quantité d'oxygène est dissoute dans le cuivre liquide, lorsque le métal se refroidit, l'oxyde de cuivre se sépare aux joints de grains et réduit considérablement la ductilité de l'objet résultant. Cependant, son utilisation peut entraîner un risque accru de coulées poreuses, en raison de la solution d' hydrogène dans le métal en fusion et de sa perte ultérieure sous forme de bulle (bien que toutes les bulles puissent être soudées par forgeage et laisser la masse du métal prête à être aguerri au travail).

Deuxièmement, l'alliage est capable d'un écrouissage plus important que dans le cas du cuivre pur, de sorte qu'il fonctionne mieux lorsqu'il est utilisé pour la coupe ou le hachage. Une augmentation de la capacité d'écrouissage se produit avec un pourcentage croissant d'arsenic, et le bronze peut être écroui sur une large plage de températures sans crainte de fragilisation. Ses propriétés améliorées par rapport au cuivre pur peuvent être observées avec aussi peu que 0,5 à 2 % en poids d'As, ce qui donne une amélioration de 10 à 30 % de la dureté et de la résistance à la traction.

Troisièmement, dans les pourcentages corrects, il peut apporter un éclat argenté à l'article en cours de fabrication. Il existe des preuves de poignards en bronze à l'arsenic du Caucase et d'autres artefacts de différents endroits ayant une couche de surface riche en arsenic qui pourrait bien avoir été produite délibérément par d'anciens artisans, et les cloches mexicaines étaient en cuivre avec suffisamment d'arsenic pour les colorer en argent.

Bronze arsenical, sites et civilisations

Reproductions de couteaux de l'âge du bronze en bronze à haute teneur en arsenic (à gauche) et en bronze à l'étain (au centre et à droite). Selon la teneur en arsenic, l'alliage est de couleur rouge pâle à argentée.

Le bronze arsenical a été utilisé par de nombreuses sociétés et cultures à travers le monde. Premièrement, le plateau iranien , suivi de la zone mésopotamienne adjacente, couvrant ensemble l'Iran, l'Irak et la Syrie modernes, possède la plus ancienne métallurgie du bronze arsenical au monde, comme mentionné précédemment. Il a été utilisé du 4ème millénaire avant JC jusqu'au milieu du 2ème millénaire avant JC , une période de près de 2 000 ans. Il y avait beaucoup de variation dans la teneur en arsenic des artefacts tout au long de cette période, ce qui rend impossible de dire exactement quelle quantité a été ajoutée délibérément et quelle quantité est survenue par accident. Les sociétés utilisant le bronze arsenical comprennent les Akkadiens , celles d' Ur et les Amorites , toutes basées autour du Tigre et de l' Euphrate et des centres des réseaux commerciaux qui ont répandu le bronze arsenical à travers le Moyen-Orient pendant l'âge du bronze.

Le trésor de la période chalcolithique de Nahal Mishmar dans le désert de Judée à l' ouest de la mer Morte contient un certain nombre d' artefacts en bronze arsenical (4 à 12% d'arsenic) et peut-être en cuivre arsenical fabriqués à l'aide du procédé à la cire perdue , la première utilisation connue de ce complexe technique. "La datation au carbone-14 de la natte de roseau dans laquelle les objets étaient enveloppés suggère qu'elle date d'au moins 3500 avant JC dans la région."

Les dépôts de sulfure sont souvent un mélange de différents sulfures métalliques, tels que le cuivre, le zinc, l'argent, l'arsenic, le mercure, le fer et d'autres métaux. ( La sphalérite (ZnS avec plus ou moins de fer), par exemple, n'est pas rare dans les gisements de sulfure de cuivre, et le métal fondu serait du laiton, qui est à la fois plus dur et plus durable que le cuivre.) Les métaux pourraient théoriquement être séparés, mais les alliages résultants étaient généralement beaucoup plus résistants que les métaux pris individuellement.

L'utilisation du bronze arsenical s'est répandue le long des routes commerciales vers le nord-ouest de la Chine, jusqu'à la région du GansuQinghai , avec les cultures Siba , Qijia et Tianshanbeilu . Cependant, il n'est toujours pas clair si les objets en bronze à l'arsenic ont été importés ou fabriqués localement, bien que ce dernier soit soupçonné d'être plus probable en raison d'une éventuelle exploitation locale des ressources minérales. D'autre part, les artefacts montrent des liens typologiques avec la steppe eurasienne.

La période énéolithique en Italie du Nord , avec les cultures Remedello et Rinaldone en 2800 à 2200 avant JC, a vu l'utilisation du bronze arsenical. En effet, il semble que le bronze arsenical était l'alliage le plus couramment utilisé dans le bassin méditerranéen à cette époque.

En Amérique du Sud , le bronze à l'arsenic était l'alliage prédominant en Équateur et au nord et au centre du Pérou, en raison des riches minerais contenant de l'arsenic qui s'y trouvent. En revanche, le sud et le centre des Andes, le sud du Pérou, la Bolivie et certaines parties de l'Argentine étaient riches en minerai d'étain cassitérite et n'utilisaient donc pas de bronze arsenical.

La culture sicane de la côte nord-ouest du Pérou est célèbre pour son utilisation du bronze arsenical entre 900 et 1350 après JC. Le bronze à l'arsenic coexistait avec le bronze à l'étain dans les Andes, probablement en raison de sa plus grande ductilité qui signifiait qu'il pouvait être facilement martelé en feuilles minces qui étaient appréciées dans la société locale.

Bronze arsenical après l'âge du bronze

Les archives archéologiques en Égypte , au Pérou et dans le Caucase suggèrent que le bronze à l'arsenic a été produit pendant un certain temps aux côtés du bronze à l'étain. À Tepe Yahya, son utilisation s'est poursuivie jusqu'à l'âge du fer pour la fabrication de bibelots et d'objets décoratifs, démontrant ainsi qu'il n'y avait pas une simple succession d'alliages dans le temps, de nouveaux alliages supérieurs remplaçant les anciens. Il y a peu d'avantages réels sur le plan métallurgique pour la supériorité du bronze à l'étain, et les premiers auteurs ont suggéré que le bronze arsenical avait été progressivement supprimé en raison de ses effets sur la santé. Il est plus probable qu'il ait été progressivement abandonné car l'alliage avec l'étain a donné des pièces moulées qui avaient une résistance similaire à celle du bronze arsenical mais n'ont pas nécessité un écrouissage supplémentaire pour atteindre une résistance utile. Il est également probable que des résultats plus certains pourraient être obtenus avec l'utilisation de l'étain, car il pourrait être ajouté directement au cuivre en quantités spécifiques, alors que la quantité précise d'arsenic ajoutée était beaucoup plus difficile à évaluer en raison du processus de fabrication.

Effets sur la santé de l'utilisation du bronze arsenical

L'arsenic est un élément avec un point de vaporisation de 615°C, de sorte que l'oxyde d'arsenic sera perdu de la fonte avant ou pendant la coulée, et les fumées provenant de l'allumage du feu pour l'exploitation minière et le traitement du minerai sont connues depuis longtemps pour attaquer les yeux, les poumons et la peau. .

L'empoisonnement chronique à l'arsenic entraîne une neuropathie périphérique , qui peut entraîner une faiblesse des jambes et des pieds. Il a été supposé que cela se trouvait derrière la légende des forgerons boiteux, comme le dieu grec Héphaïstos .

Un bien conservé momie d'un homme qui a vécu vers 3.200 avant JC trouvé dans les Alpes de l' Ötztal , populairement connu sous le nom Ötzi , a montré des niveaux élevés de particules de cuivre et d' arsenic dans ses cheveux. Ceci, ainsi que la lame de hache en cuivre d'Ötzi, qui est en cuivre pur à 99,7 %, a conduit les scientifiques à supposer qu'il était impliqué dans la fonte du cuivre .

Utilisations modernes du bronze à l'arsenic

Le bronze arsenical a été peu utilisé à l'époque moderne. Il semble que l'équivalent le plus proche porte le nom de cuivre arsenical , défini comme du cuivre avec moins de 0,5% en poids d'As, en dessous du pourcentage accepté dans les objets archéologiques. La présence de 0,5 % en poids d'arsenic dans le cuivre abaisse la conductivité électrique à 34 % de celle du cuivre pur, et même aussi peu que 0,05 % en poids la diminue de 15 %.

Voir également

Les références

Liens externes