Topbanner til undervisningsressourcer

Metaller fortæller


Emne

Bevaring i moser

Teaser

De velbevarede metalfund i IllerupÅdal inspirerede os til et forløb i kemi og historie, hvor vi fokuserer i historie på, hvad fundene fortæller om datiden, og i kemi på, hvordan det kan være, at metallerne er så velbevarede. Vi inddrog eksperimenter i kemi, da vi kom hjem.


Fag

Historie, Kemi

Partnerskab

Aarhus Katedralskole og Moesgård Museum


Vi har gennemført to forløb.
Forløb 1: Historie startede med teoriforløb om perioden, og vi sluttede af med besøg på Moesgård museum, (2 blokke a 90 min) hvor kemi var med, selv om klassen ikke havde mig til kemilærer. Da vi kom hjem, havde vi en kort evaluering hvor vi samlede kemien op. Besøget på Moesgård omfattede gennemgang i udstillingen om Illerup Ådal  med Museumsinspektør Lene Birgitte Mirland og efterfølgende rundvisning på Naturvidenskabelig afdeling og konserveringsafdelingen med demonstration af mange forskellige effekter og metoder ved konservatorstuderende Anna Tjellden.  Til sidst oplæg om Annas specialeprojekt i Illerup Ådal med gennemgang af de særlige bevaringsforhold ( ingen ilt, ca neutralt pH og høj koncentration af phospat og carbonat) og om museets opgaver og muligheder, herunder udvidelserne i fremtiden.

Forløb 2: Efter en kort introduktion om bevaringsforhold i høj- og lavmoser i en kemitime tog vi til Moesgård (3 blokke a 90 min) Vi startede med teoretisk gennemgang som sidst og delte derefter klassen i to. Begge hold fik rundvisning i Illerup Ådal ved Lene Birgitte  og gennemgang af bevaring i højmose og konservering af Gravballemanden foran montren ved Anna.
Derefter rundvisning i naturvidenskabelig afdeling og konservatorafdelingen igen på to hold, med særlig fokus på metaller og deres bevaring og konservering.
Efter hjemkomsten skrev eleverne gruppesynopser om forskellige emner relateret til besøgets kemidel /og eller historiedel. Eleverne formulerede selv overskrifterne.  Synopserne kommer i galleriet. Nogle af eleverne lavede modelforsøg til illustration af bevaringsforholdene, idet vi satte syltetøjsglas op med spagnum eller buffer med samme pH og organisk stof i form af foden af en fasan ( højmose) og matrice af kombinationer af phosphatbuffer og natriumhydrogencarbonatopløsning med kugler af ståluld. Desuden kontrolforsøg i vandhanevand og demineraliseret vand.
Der var låg på beholderne så ilttilførdslen var begrænset. Desuden kontrolforsøg med vand uden låg.




Produktkrav

synopser

Opgaver

Eleverne formulerede selv titlerne på deres synopser:
Bevaringsforhold i lavmoser (forsøg med ståluld)
bevaringsforhold i højmoser (forsøg med fasanfod)
forskel på bevaring i høj og lavmoser (forsøg med ståluld og forsøg med fasanfod)
er udstilling af gravballemanden etisk i orden?
hvad fortæller fundene fra Illerup Ådal ?


Museets Materialer


Lærerens Materialer


Galleri

Synopser fra eleverne:
Det store slag
Synopsis om spagnum og fasan
Gruppesynopsis om Humanitet og Arkæologi.
Hvorfor er det forskelligt hvad man finder i højmoser og lavmoser
Lavmose – Bevarelse af metal

Forslag til vejledning til c- niveua forsøg
Modelforsøg til illustration af beskyttelse af jern i vandmiljøer.

Note om museumskemi

Der er ikke nogen billeder- de kommer forhåbentlig.

Det store slag – Illerup Ådal

Problemformulering:

Hvad ved vi om slaget ved Illerup Ådal?

Problemstillinger:

1)      Illerup Ådal som en lavmose

2)      Tolkning af fundene

–          Tidspunkt for slagene og de involverede parter

–          Krigsofringerne

Delkonklusioner:

1) Illerup Ådal er en lavmose, dvs. at mosen har en forholdsvis høj pH-værdi, på mellem 6 og 8. Illerup Ådal har et lettere basisk miljø hvilket har betydning for de ting der er blevet bevaret, f.eks. har man fundet knoglerester, metalvåben og træskjolde, men hverken lig, tekstiler eller læder.

2) I Illerup Ådal er der fundet 15.000 våben og andet krigsudstyr. Fundene stammer fra fire store krigsofringer i årene omkring 200, 225, 375, 450 e.kr. Slaget i år 200 e.kr. er det største, da der er fundet flest genstande herfra. Det at mosen gentagne gange er blevet anvendt som offermose med flere års mellemrum, viser at lokalbefolkningen har været den ene part i alle slagene[1].

 

Illerup Ådal mose – farverne markerer områderne med offerfund.

Hvem var fjenden? Ud fra fundene fra slaget omkring år 200 har man identificeret hæren som værende nordisk pga. deres personlige ejendele; stenen brugt i deres fyrtøj kaldet kvartsit findes kun i Skandinavien og man ved at resten af kontinentet på denne tid brugte en anden type fyrtøj, altså måtte de angribende være nordiske. Ydermere har man fundet prægede mønter og krigsudstyr af romersk oprindelse, såsom sværd med romerske gudegraveringer. Da man ved, at der på dette tidspunkt brugtes skandinaviske lejesoldater i romerriget, går man ud fra at nogle af de nordiske krigere tidligere havde været legionærer i den romerske hær. De har herefter hjembragt personlige ejendele af romersk type til Norden.

 

Krigsofringerne foregik ceremonielt ved effektiv ødelæggelse af ALT krigsudstyr; arbejdsheste blev brutalt hakket ihjel – man har fundet et hestekranium med mærker fra tretten forskellige våben – sværd blev bøjet eller hakket i sten, skjoldknopper blev slået ud indefra, hvilket viser at ødelæggelserne ikke er sket i kamp, men som en del af ofringen. Det beskadigede krigsmateriel blev samlet i bundter omviklet af klæde, dette ved man fordi man har fundet aftryk af stof i metal, men stoffet er der ikke længere pga. mosens miljø.

Ud fra våbenfundene kan man påvise at der har hersket en hierarkisk hæropbygning. Man har fundet seks særligt flot udsmykkede hestebeslag samt skjoldknopper og sværd. Disse seks må have tilhørt de højest rangerende soldater i hæren. Derudover er der fundet udstyr i mindre ædle metaller, der tyder på at det førnævnte hierarki har eksisteret.

[1] Udefrakommende ville ikke kende til mosen status.

Synopsis om spagnum og fasan

Vi har taget udgangspunkt i et praktisk forsøg med spagnum og en fasan, som Karen var så venlig at rive foden af 🙂

 

Udførelse

Der opstilles to forsøg; et kontrolforsøg med en pufferopløsning, og et forsøg med spagnum. Vi vil undersøge om spagnum bidrager til konserveringen af en fasans fod. Vi afvejer en mængde spagnum (30,732 g) og findeler det i demineraliseret vand. Vi måler pH til ca. 4,5 med pH-sticks. Herefter tilsættes fasanfoden og glasset lukkes med låg, så der opstår anoxiske forhold. Dette glas skal altså simulere højmosen og konserveringen heri.

Kontrolforsøget skal have samme pH som ”højmosen”. Vi fremstiller en pufferopløsning og for at finde forholdet mellem syre og base, opstilles en pufferligning. Syren, der benyttes er ethansyre (pKs = 4,75), mens basen, der benyttes er natriumethanoat. Begge med koncentrationen 0,2M.

pH= pKs +log([B]/[S]) ó 4,5 = 4,75 + log([B]/[S])

Ligningen tastes ind på CAS i solve og forholdet fås til 0,56, dvs. ca. 1:2.

I kontrolglasset blandes syre og base i dette forhold og fasanfoden tilsættes, hvorefter glasset lukkes tæt.

 

Problemstillinger

1)      Hvordan nedbrydes organisk stof under anoxiske forhold (jf. kontrolforsøg)?

2)      Hvordan konserveres organisk stof i en højmose?

 

Teori

1) Nedbrydningen af organisk stof under anoxiske forhold sker kun med anaerobe bakterier. Nedbrydninger består i at fjerne brinten fra det organiske stof, og er der ilt tilstede, vil denne brint bindes i vandmolekyler. Men under anoxiske forhold kan anaerobe bakterier binde brinten i fx methan (luftart) eller i organiske syrer. De anaerobe bakterier er desuden i stand til fermentering, hvilket naturligvis er grunden til at de kan udvinde energi fra det organiske materiale. Under nedbrydningen af organisk stof, bruger nogle af de anaerobe bakterier nitrat, og det er disse mikrobielle processer, der er dominerende i iltfrie områder.

Når der sker en forrådnelse under iltfri forhold bliver proteinerne ikke nedbrudt fuldstændigt. Den stopper nemlig ved dannelsen af stoffer som skatol og aminer, der er meget kvælstofholdige. Disse stoffer er meget ildelugtende, og derfor har råddent kød den karakteristiske lugt, der tiltrækker insekter, biller og ådselsædere.

 

2) I en højmose mener man at noget organisk stof konserveres særligt godt pga. stoffet spagnan, som udskilles fra spagnum (en mosart). Spagnan er et polysakkarid, opbygget som fruktose, men en keton på carbonatom #5 og en carboxylsyregruppe på carbon #6. Man mener at spagnan forhindrer bakterievækst ved at krydsbinde med aminogrupper i bakteriernes overfladeproteiner. Derved mister bakterierne deres nedbrydende egenskaber.

Reaktionen mellem spagnans ketogruppe og proteinets aminogruppe finder også sted i andre kulhydrater, men kræver normalt en opvarmning til ca. 200oC, men ketogruppens placering nær ved carboxylsyren gør spagnan mere reaktiv. Denne kondensationsreaktion (der fraspaltes vand) mellem et sukkerstof og et proteins aminogruppe kaldes en Maillard-reaktion. Reaktionen mellem ketogruppen og aminogruppen forløber som vist nedenfor:

Hypotese

Vi forventer at fasanfoden i pufferopløsningen nedbrydes hurtigere end fasanfoden, der ligger i en spagnumopløsning. Det skyldes spagnans gode konserverende egenskaber (jf. teorien). I pufferopløsningen, vil bakterierne på fasanfoden nedbryde denne. Vi forventer at det sker forholdsvis hurtigt. Da vi dog ikke ser resultatet før efter en månedstid, er det ikke til at vurdere hvor hurtigt det er gået. I det andet glas, forventer vi at se, at fasanfoden vil blive vel konserveret. Da den opløste spagnan skal simulere en højmose, forventer vi, at fasanfodens klør, samt fjer vil være intakte og bevarede. Det skyldes, at en højmose konserverer proteinet keratin, der er et fiberdannende protein, som udgør hovedparten af både fjer, klør, negle og skæl. Ligeledes vil fasanfodens knogle være bevaret, da højmosen konserverer proteinet kollagen, som udgør den organiske del af en knogle. Denne knogle vil dog højst sandsynlig være gummiagtig, idet den uorganiske del af knoglen – kalk – ikke bevares, men nedbrydes i en højmose.

Vi har desværre endnu ikke haft mulighed for at undersøge fasanfødderne. Dette forventer vi at kunne gøre efter jul.

Resultat:linklink/uploads/Karen Vibe-Pedersen/2 fasan.jpg

Fasanen til venstre var fra spagnum: Den lugtede svagt af syltet rødkål, virkede kogt men senerne var faste. Fasanfoden til højre var kontrol i acetatbuffer, den lugtede af rådden tand, var blød i senerne.

 

Gruppesynopsis om Humanitet og Arkæologi.

–          Er det etisk i orden at garve, udstille og undersøge gravballemanden?

Kemiske analyser:

–          Pollendatering, kulstof-14-datering, (CT-scanning): normal procedure/interesse ved obduktion.

–           Garvning med garvesyre og egetræsudtræk, samt konservering i tyrkisk rødolie: til formål at kunne udstille og bevare muligheden for at foretage yderligere analyser.

Etisk var det i orden at man undersøgte ham ved obduktion i form af røntgenfotografi, kulstof-14-datering, CT-scanning. Han blev dog kemisk konserveret og garvet til yderligere forskning i fremtiden. Man kan diskutere om de videre undersøgelser af hans organer tjente som obduktion eller videnskabelig undersøgelse, som han ikke gav samtykke til. Detaljer om hans liv og andet end hans død kom til offentlig beskuelse, da visse af undersøgelserne ikke var helt relevante for hans dødsopklaring. Dette er ikke i overensstemmelse med at ville foretage en obduktion.

è Brud på pligtetikken: Han udstilles alene for andres fornøjelse, og får derved sin integritet som afdød selvstændig person brudt. Dette er et brud på ICOM’s etiske regelsæt.

è Etisk forsvarligt ift. utilitarismen: flere får gavn af at han kan undersøges for nye sandheder, samt tilfredsstillet interesse for at se så gammelt et lig.

è Ser man ham derfor som menneske eller ærkeologisk fund? Fratages hans ret til at være død?

Er det at man kemisk har bevaret ham på samme måde som mosen hvori han blev fundet, i orden når man udstiller ham? Efterkommer det på nogen måde kravet om at han bør hvile i fred som han altid havde gjort. Uanset hvad, ligger han stadig til offentlig beskuelse, og derfor respekteres hans ret til at hvile i fred ikke.

Man må konkludere at de rent kemiske resultater som uddrages ved den fortsatte konservering af Grauballemanden ikke er helt etisk forsvarlige ift. at han var et menneske.

Inden for kemien har man gjort sig bedre erfaringer med konserveringsmetoder pga. Grauballemanden. Man kan dog diskutere om dette aspekt bør videreudvikles når der er etiske forhold som uretfærdiggør dets anvendelse på mennesker. Mht. dyr og andre organiske arkæologiske fund er det selvfølgelig i orden, men som grauballemanden også viste, er mennesker en noget anden situation end dyr.

 

 

 

Hvorfor er det forskelligt hvad man finder i højmoser og lavmoser?

Overordnet

Højmose Lavmose
Bevaring af Kollagen

Keratin

Cellulose

Metaller

Kalk

Bevaringsforhold Næringsfattig

Surt miljø:  pH 3-4

Spagnan

Næringsrig

Let surt-basisk miljø: pH 6-8

 

 

Som det kan ses ovenfor er det meget forskelligt hvad man kan finde i en højmose og en lavmose. Hvordan kan det for eksempel være, at man i en højmose finder både læder, hår og knogler der er konserveret, men i en lavmose er disse ikke til stede? I det følgende vil vi forsøge at redegøre for forskellen.

Mosen

En mose er område med vegetation, der er tilpasset høj jordfugtighed, og således ofte danner tørv. Der findes to typer moser: højmose og lavmose.

Højmoser (se forsøg)

En højmose består af lag af planterester fra mosarten spagnum. Disse lag kan være op til 10 meter tykke og er stort set ikke nedbrudt. Da spagnum har svampelignende egenskaber kan planten suge store mængder af vand til sig og er således våd af regnvand. Højmosen adskiller sig fra lavmosen ved at have sit eget grundvandssystem. Mosen har dermed ikke direkte kontakt med grundvandet – der er tale om et lukket vandsystem. Højmoserne vokser kun omkring 1 cm om året og det er således klart at de er meget gamle. Udover at skabe et meget fugtigt miljø skaber spagnumplanten også en lav pH (3-4) og næringsfattige omgivelser. Den lave pH skabes pga. spagnumplantens evne til at danne syre ved hjælp af ionbytning. Den lave pH sammen med det iltfattige miljø har man tidligere troet var årsagen til at bakteriel nedbrydning ikke foregik. Men man er nu klar over at dette ikke kan være et dækkende svar. Forskning på området tyder på at det er det kulhydratlignende stof spagnan, som udskilles af spagnumplanten der giver mosen de gode bevaringsforhold. Spagnan forhindrer bakterievækst. Læs mere herom:                          Maillard-reaktionen. Derudover bidrager naturlige garvningsprocesser til at forstærke proteinet i eksempelvis huden på et moselig.

Det er således på grund af spagnumplanten at organisk materiale kan bevares i højmosen. Det man har fundet i højmosen er derfor hud, læder, moselig, hår, uld, negle, horn og den organisk del af knoglerne.

Lavmoser (se forsøg)

Lavmosen er dannet af en overgroet sø. Den er karakteriseret ved et næringsrigt miljø og en pH på omkring 6-8.  For bedst mulig bevaring af metal og træ i en lavmose, bør der være lavt svovlindhold, lavt iltindhold og høj pH. Fordelen ved dette tilnærmelsesvist anaerobe miljøer er at den høje koncentration af jern(II)ioner ikke oxideres til jern(III)ioner. Jern(II)ioner har nemlig den egenskab at de i forbindelse med carbonat (det såkaldte siderit / )eller phosphat (vivirit/ ) er medvirkende til at bevare metallers struktur. Dermed kan konservatorerne få indblik i udformningen af fortidens metalgenstande. Hvis jern(II)ionerne blev oxideret vil dette betyde at pH ville falde, idet hydratiserede jern(III) er en middelstærk syre, og materialerne i lavmosen ville nedbrydes.  Viden på området omkring siderit og vivirit er ligesom vores viden om spagnan forholdsvis ny og er stadig ikke helt bekræftet.

Den anderledes pH (i lavmosen på 6-8)i forhold til højmosen betyder alts å at der i denne type mose kan bevares metaller, træ og kalk (den uorganiske del af knoglerne).

 

Lavmose – Bevarelse af metal

 

Problemstillinger:

–          Hvad er kendetegnene for en lavmose, og hvordan dannes den?

–          Hvilke kemiske forhold er der i lavmosen?

o   Hvorfor bevares metal godt i lavmoser?

o   Hvorfor bevares organisk materiale ikke godt?

–          Forsøg: Kan vi eftervise hvilke kemiske forhold, der har betydning for konserveringen af metal i en lavmose?

 

Forsøg:

Udførelsen af forsøget kan ses i bilag.

 

Hypotese for forsøget:

Vi forventer, at en høj koncentration af saltene carbonat og fosfat vil forbedre lavmosens evne til at konservere metal. Vi forventer således at kunne lave en kvantitativ vurdering af saltkoncentrationernes betydning. Vi forventer at kunne eftervise, at den lave iltkoncentration er favorabel i forbindelse med konservering af metal. Vi forventer at puffersystemerne kan opretholde en stabil pH, således at redoxkemien holdes i skak.

 

Delkonklusioner:

Lavmosen var som udgangspunkt en lavvandet sø. Der blev dannet en lavmose, fordi søen blev for næringsrig, fx ved at der faldt for mange blade ned, så søen til sidst blev overeutrofieret og groede til.

Kendetegnende for lavmoser er, at de får tilført vand via vandløb, dræn og eventuelt fra grundvandet, modsat højmoser, der kun tilføres vand fra nedbør. Via vandløb tilføres der dermed mere organisk stof samt uorganiske næringsstoffer til lavmosen end til højmosen. Lavmosen er derfor mere vegetationsrig pga. de gunstige vand- og næringsbetingelser.

 

Der er flere parametre der kendetegner lavmosen:

–          Lavt iltindhold – Ved nedbrydningen af organisk materiale forbruges ilt.

–          pH-værdi på 6,5-7,5 – Der er flere årsager til denne pH-værdi: Højere værdi end i højmosen, da højmosens pH er lav pga. spagnan. En anden årsag til den højere værdi, er den høje pH som udgangspunkt, forårsaget af den fotosyntetiserende aktivitet i søens algelag.

Når der er kalk i undergrunden dannes siderit, hvilket medfører en nogenlunde konstant pH-værdi, grundet en række ligevægte der fungerer som buffersystemer.

–          Lavt svovlindhold.

 

Overordnet er det grundlæggende for at metallet bevares, at jern(II)-ioner ikke oxideres til jern(III). Afgørende for at der ikke sker en oxidation er fx det lave iltindhold i lavmosen. Den omdannelse skal man være opmærksom på når man konserverer, da metallet ikke længere er beskyttet af lavmosens iltfattige miljø. En oxidation af jern(II) til jern(III), vil medføre, at metallet i de bevaringsønskede genstande i mosen vil blive reduceret, fx jern(II) à jern(I), så overfladen eroderes.

En medvirkende årsag til at jern ikke oxideres er, at indholdet af carbonat og fosfat er højt. Herved kan jern(II) bindes som tungtopløselige stoffer, eksempelvis siderit, FeCO3, eller viverit, Fe3(PO4)2.

Hvis pH er lav, er der altså mange frie hydroner. Det ville være skidt, da hydronerne dermed ville oxidere Jern(II)-ionerne til jern(III). I lavmosen er pH nogenlunde neutral, og dette sker derfor ikke i så høj en grad.

 

I lavmoser kan organisk materiale stadig nedbrydes, trods det iltfattige miljø. Nedbrydningen sker ved anaerobe mikrobielle processer. Fx er det eneste der vil være tilbage fra menneskekroppe fundet i en lavmose kalkdelen fra knoglerne, der derfor vil være meget skrøbelige og gå let i stykker. Modsat finder man i højmosen gummiagtige knogler, da det her kun er collagen i knoglerne der bevares.

 

Bilag

I forsøget forsøger vi at efterligne de kemiske forhold, som findes i en lavmose og disse forhold betydning for konserveringen af metal. Som nævnt er disse parametre et højt indhold af CO32- og PO43-, ingen ilt og en relativ høj pH ca. 6-7. Vi kender ikke koncentration af fosfat og carbonat, så vi har konstrueret et matrix-forsøg, så mange forskellige koncentrationsforhold efterprøves. Fosfaten tilføres som en blanding af dihydrogenfosfat og hydrogenfosfat i et ækvivalent forhold. På denne måde dannes et puffersystem mellem H2PO4/HPO42- så der teoretisk set opnås en pH på ca. 7. Carbonat tilføres som NaCO3. Vi opstiller tilmed flere kontrolgrupper, hvor ingen af disse indeholder carbonat eller fosfat, og nogle er iltrige og andre iltfattige, således at betydningen af ilt og salte kan vurderes i forhold til konservering af metal.

 

Forsøg:

0,1ml 0,2ml 0,3ml 0,4mL 0,5mL
0,1mL
0,2mL
0,3mL
0,4mL
0,5mL

 

Kontrolforsøg:

Demi. – ilt Demi. – ilt Demi. – ilt Poste vand – ilt Poste vand – ilt Poste vand – ilt
Demi. + ilt Demi. + ilt Demi. + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt

 

Selve forsøget: Først fordelte vi henholdsvis H2PO4/HPO42- og NaCO3I en mikrotiterplade, som anvist ovenfor. Så puttede vi ca. 0,05g ståluld i hver brønd, og fyldte herefter brøndene op med postevand. Vi pressede luft ud af stålulden (Hvor luften var ”fanget” i stålulden). Herefter spænde vi parafilm over brøndene, og sørgede for at der var så lidt ilt som muligt under filmen, herved opnås et anoxisk miljø.

Kontrolgrupperne: Vi tilsatte vand som nævnt i skema over kontrolforsøg, og spændte parafilm over brøndene, hvor et anoxisk miljø var krævet.

–          Vi stiller både forsøg og kontrolgrupper i mørke, for at efterligne forholdene i en lavmose.

Materialeliste:

–          Blandning af 50/50 H2PO4/HPO42- (0,2M) (pH = 7,21, da pKs = pH ved ækvivalenspunktet)

–          Opløst NaCO3– (0,2M)

–          Ståluld (ca. 0,05 g pr. brønd)

–          Postevand fra hanen

–          Demineraliseret vand

–          Mikropipetter (indstilles til hver enkel brønd)

–          Parafilm

–          Mikrotiterplade.

 

 

Journal over lavmoseforsøg 1.

I brøndene lægges 0,2 M NaH2PO4 (x- aksen) og 0,2 M NaHCO3 (y-aksen). Der fyldes efter med demineraliseret vand til total volumen på 1,0 mL. Volumen afmåles med justerbar mikropipette.

Alle brønde tilsættes en lille kugle sammenrullet ståluld ( så de ser ens ud) og dækkes med parafilm.

 

Kontrolforsøgene med ilt perforeres?

 

 

Forsøg:

0,1ml 0,2ml 0,3ml 0,4mL 0,5mL
0,1mL brun brun
0,2mL
0,3mL
0,4mL brun
0,5mL

 

Kontrolforsøg:

Demi. – ilt Demi. – ilt Demi. – ilt Poste vand  – ilt Poste vand – ilt Poste vand – ilt
Demi. + ilt Demi. + ilt Demi. + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt

 

Resultat: En del af parafilmen var krakkeleret- se foto.

De perforedede brønde var tørret ud.

Alle kontrolforsøg var helt rustrøde, mens 3 af forsøgsbrøndene var rustrøde, i de andre var stålulden intakt.

 

 

 

 

Forsøg:

0,1ml 0,2ml 0,3ml 0,4mL 0,5mL
0,1mL brun brun
0,2mL
0,3mL
0,4mL brun
0,5mL

 

Kontrolforsøg:

Demi. – ilt Demi. – ilt Demi. – ilt Poste vand – ilt Poste vand – ilt Poste vand – ilt
Demi. + ilt Demi. + ilt Demi. + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt Poste vand + ilt

 

Resultat: En del af parafilmen var krakkeleret- se foto.

De perforedede brønde var tørret ud.

Alle kontrolforsøg var helt rustrøde, mens 3 af forsøgsbrøndene var rustrøde, i de andre var stålulden intakt.

Det første forsøg var på sin vis vellykket idet alle vores kombinationer af hydrogencarbonat og phosphat-holdige væsker bevarede stålulden intakt, mens alle kontrolforsøg var ræverøde af rust. (Forsøget stod i 6 uger ved stuetemperatur)
En 2. runde med lavere ( mere realistiske koncentrationer) var sværere at tolke. Dog kunne man allerede efter 3 dage se tydelig rust i kontroller uden bevaringsvæske og med adgang til luftens ilt.

 

 

 

Modelforsøg til illustration af beskyttelse af jern i vandmiljøer.

Selvom  våbenfundet fra Illerup Ådal er over 1500 år gammelt, kan et forsøg med korrosion af jern i forskellige miljøer bruges til at illustrere vigtige pointer i fundet. Normalt vil jern ruste, og det er da også tilfældet for de fleste metaller i jorden, som arkæologerne finder. Nedenstående matrixopstilling med varierende koncentrationer af hydrogencarbonat og hydrogenphosphat, samt med og uden adgang til luftens ilt, skulle gerne give en fornemmelse af, at jern ikke altid ruster. Man kan selvfølgelig selv eksperimentere med alverdens andre mulige kombinationer, men disse er valgt i samarbejde med konservatorerne på Moesgård museum.

Vi tænker os, at man aflæser forsøget samtidig med et besøg på Moesgård museum, evt fortsætter man derhjemme bagefter med mere om jerns kemi. (F.eks. kend kemien 2, kapitel 1). Forsøget er beskrevet, så det kan bruges sammen med elever på kemi c-niveau, der har haft lidt redoxkemi, lidt syrebasekemi, og lidt fældningskemi. Det illustrerer anvendelse af matrixprincippet i kemisk analyse. Det kan udvides til at inddrage syrebaseligevægte, reaktionshastighed, opløselighedsligevægte og evt  komplexdannelse (test for jern(II) og jern(III) ioner i brøndene efter få dage)  i et kemiB forløb. Der kan inddrages søøkologi.

Forsøget findes i en hurtig og en langsom version. Den langsomme version egner sig ikke til at eleverne er med ved forsøgets start- der går for lang tid, inden man har resultatet. Den hurtige kan sættes op i timen inden besøget på Moesgård, men vi forestiller os, at eleverne først får AHA oplevelsen på museet.

 

Materialer:

0,005 M Na2HPO4 ( skal fremstilles frisk ud fra 2,5 mL 0,2 M opløsning i 100 mL målekolbe),

0,01 M NaHCO3, (fremstilles frisk ud fra 5 mL 0,2 M opløsning i 100 mL målekolbe)

Justerbar mikropipette

Mikrotiterplade med 24 huller a ca 2 mL med låg (en-to pr ca 4 elever)

Parafilm

Fint ståluld

Stor gryde eller lignende med låg

Til alle brønde tilsættes demineraliseret vand til total 2,0 mL

Til alle brønde tilsættes en kugle sammenrullet ståluld med massen ca 0,01 g.

 

 

 

 

mL 0,005M Na2HPO4

 

 

mL 0,01 M NaHCO3

 

0

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
0
0,1
0,3
0,5

Der laves to mikrotiterplader.

Begrænset ilttilførsel:

Mikrotiterpladen dækkes med parafilm og derefter med låg. Der forsegles med tape. Stilles mørkt ved stuetemperatur tilses efter 4 dage og mindst 4 uger.

Iltholdig:

Mikrotiterpladen sættes ovenpå forsøgsstativ i en stor skål med 2 cm vand i bunden og skålen dækkes med låg, der ikke skal slutte helt tæt. Skålen sættes mørkt ved stuetemperatur, efterses hver uge og fyldes efter med vand, så det ikke tørrer ud.

Test for nedbrydning af jern: Iagtag stålulden. Rødfarvning som tegn på rustdannelse (med jern (III) ioner) noteres i skemaet eller dokumenteres med foto.

Mængdeberegninger og reaktionsskemaer (kan udelades).

 

Hvad er stofmængdekoncentrationen af P og HCO32-  i de enkelte brønde?

Sammenlign med indholdet af P i en eutrof sø, idet du skal omregne til mg P/L . Indholdet af hydrogencarbonat i søer afhænger af jordens indhold af mineraler, men ligger ofte over 100 mg /L.

 

 

Reaktionsskemaer:

Jern kan oxideres af H+ fra vandet til jern (II) ioner. Skriv reaktionsskema.

Jern og Jern(II) ioner kan oxideres af dioxygen til jern(III) ioner. Skriv reaktionsskemaer

Jern(III) ioner er gule både i vandig opløsning i og i diverse tungtopløselige salte.

 

Jern(II) kan fældes af carbonationer- der findes i lille mængde i opløsninger af hydrogencarbonat , idet hydrogencarbonat kan reagere som syre. Prøv at blande jern(II)sulfatopløsning og natriumhydrogencarbonat opløsning sammen og se om det passer.

Skriv reaktionsskema for dannelse af carbonationer ud fra vand og hydrogencarbonat.

Skriv reaktionsskema for fældningsreaktion mellem jern(II) ioner og carbonationer.  Da jern(II)carbonat er tungtopløseligt kan dette muligvis beskytte jernoverfladen mod yderligere oxidation.

Jern(II)phosphat er også tungtopløseligt, selv om jern(III)phoshat er endnu mere tungtopløseligt.

I opløsninger af hydrogenphospat vil der findes små mængder af phosphat.

Prøv at bruge modelforsøget til at sige noget om, hvordan det kan være at jerngenstandene i Illerup Ådal er så velbevarede.

Prøv på den anden side at bruge modelforsøget til at sige noget om, hvordan den sø har været, som man lagde våbenofferet i. Her kan du inddrage viden om søøkologi fra biologi. Hvad kan det fortælle om livet i DK anno ca 200 e.Kr?

Snak med konservatoren om andre metalfund og hvad korrosion betyder for arkæologen.

 

Note om ”museumskemi” .

Der mangler figur af sphagnan og Schiffbase .

Der er forbavsende velbevarede oldsager i moserne. I højmoserne kan man finde moselig- Gravballemanden, Tollundmanden etc. De er ca 2000 år gamle og usædvanligt velbevarede. Huden er nærmest garvet som læder, men også indre organer er velbevarede. Knoglerne er dog bløde  og metal er ikke bevaret.

I den type moser, der stammer fra lavvandede søer, der er groet til (lavmoser)kan man være heldig at finde metal og træ, enkelte knogler (sprøde) og ingen læder eller organisk stof i øvrigt. Illerup Ådal er et enestående eksempel på dette.

Der er to interessante kemiske aspekter-1)  hvordan kan det være at bevaringsforholdene er så gode- og så forskellige og 2)hvordan bevarer man bedst oldsagerne, når de er fundet.

De historiske og arkæologiske aspekter er derimod:  hvad fortæller genstandene om livet i fortiden- og hvordan kan vi tolke det, sammen med andre kilder om samme tidsperiode. Den kemiske vinkel skal tænkes med ind- f.eks. kan man ikke tolke, at Gravballemanden ikke havde våben på sig- for de kan jo være forsvundet.

I projektet intrface har forskellige museer dannet partnerskab med skoler- vi har med Moesgård museum og vi skal udvikle og afvikle tværfaglige forløb (gerne AT forløb) – i dette tilfælde med naturvidenskab og historie.

Da jeg jo kun har jer til kemi, og da vi ikke har AT tid til dette emne, vil vi koncentrere os om den kemiske vinkel før og efter besøget, men derude får I lov at snuse til både historie, arkæologi, arkæobotanik, zooarkæologi, fysik og kemi.

I skal efter besøget udarbejde en kort synopse i grupper ( tæller som aflevering) med overemnet: Mosefund og hvad kemien kan bruges til. (Titlen bliver muligvis rettet senere, I kan være medbestemmende). Mere om opgaven når vi har været på Moesgård.

1a) Hvordan kan metalgenstande være så velbevarede i lavmoser?

De lavmoser, der bevarer bedst har forholdsvis højt pH, lavt svovlindhold og lavt iltindhold. Det lave iltindhold er helt afgørende for at undgå at jern(II) ioner oxideres til jern (III) ioner. Derudover er et højt indhold af carbonat eller phosphat gavnligt, fordi det befordrer at der dannes tungtopløseligt FeCO3 (jern(II)carbonat eller siderit) eller Fe3(PO4)2 (jern(II)phosphat eller vivirit). Ligesåsnart der dannes jern(III) ioner vil pH falde pgra de hydratiserede jern(III) ioner, der jo er en middelstærk syre. Dermed vil der ske mere redoxkemi, hvor hydroner og jern reagerer i stort omfang. Dette er den korte historie- den kan bekræftes af opløselighedsprodukter, redoxpotentialer og analyser af overfladen af de fundne genstande. (Se dog konserveringafsnittet).   (Kilde til artikel om siderit). Det er ret ny viden, som stadig ikke er helt bekræftet- fordi det er vanskeligt at påvise siderit på genstandene, det skyldes at siderit ikke er stabilt i luft.

1b) hvordan kan organisk stof være så velbevaret i højmoserne.

I en periode troede man, at det var kombinationen af lavt pH ( fra humussyrer) og lavt iltindhold, der forhindrede bakteriel nedbrydning. Men det er slet ikke nok- tænk bare på sur mælk. Man har fundet et særligt kulhydratlignende stof, sphagnan, der udskilles fra mosarten spagnum, der er en helt dominerende plante i højmoser. (Højmoser består af op til 10 m tykke spagnumlag, stort set ikke nedbrudt og udelukkende våde af regnvand, der fastholdes af spagnums enorme vandbindingsevne. Højmoserne er meget gamle- de vokser omkring en cm om året). (Kilde til  artikel fra naturens verden om højmoser).  Spagnan udskilles til mosevandet og er opbygget ca som fruktose, dog er der på carbon 5 en keton og på carbon 6 en carbxylsyre. Det systematiske navn er  5-keto-mannuronsyre?

Man mener at sphagnan forhindrer bakterievækst ved at krydsbinde aminogrupper i bakteriens overfladeproteiner. Det har man udnyttet i fortiden til at konservere f.eks. smør ved at sænke tønder med smør ned i mosen. Man har fundet en glemt tønde, som er xx år gammel, og kun let harsk!

Den reaktion, der foregår mellem ketogruppen i spagnan og aminogrupperne i proteinet finder også sted i almindelige kulhydrater og aminogrupper. Normalt kræver det opvarmning til ca 200 grader- det er den reaktion ,der finder sted, når brød bliver smukt brunt på skorpen,  hvis man pensler med æg eller mælk, og man kalder det en Maillard reaktion. Ketogruppen i sphagnan er blot mere reaktiv, fordi den sidder ved siden af en carboxylsyre. ( en alfa-keto syre). Stofferne der dannes kaldes Schiffbaser ( eller også er schiffbasen et mellemprodukt).

Gravballemandens røde hår skyldes sandsynligvis farve fra Maillard reaktionen.

Ud over at sphagnan forhindrer bakterievækst, er der også de naturlige garvningsprocesser, der har forstærket proteinet i huden, så det er læderagtigt. Disse krydsbindinger af collagen kan foreåg med garvesyrer, ( som ikke findes i moserne) og såkaldte humussyrer- måske bl.a. Sphagnan, det er ikke helt udredet endnu.

 

2)Hvordan bevarer man oldsagerne når de er fundet?

Faktisk sørger man for at lade noget ligge- med mindre en motorvej eller andet vil ødelægge fundene. Så kan man senere måske se noget, som vi hidtil har overset eller ødelagt. I Illerup Ådal følger forskerne nøje vandstanden for at undgå, at der kommer ilt til det, der ligger tilbage.

Men vi vil jo gerne se på tingene. Metalgenstande, selv velbevarede er ofte blot rustagtige klumper, når man finder dem. Andre gange er selve metalgenstanden for længst forsvundet, men har efterladt et hulrum i f.eks ler, der præcis viser formen af genstanden. Der har konservatoren en vigtig opgave- der ikke kan laves om. Med røntgen ser man hvad der er inden i klumpen, og forsigtigt skrabes og sandblæses det forvitrede bort. Man mister hele tiden noget- for at se det, der er indeni- så det er et dilemma. (Heraf måske usikkerheden om hvorvidt det er siderit, der har beskyttet jerngenstandene)

Når så de færdige metalgenstande ligger i depot eller i udstillingen kan luft, vanddamp, syredampe osv forvitre yderligere. Især genstande med salte (NaCl for fund fra havet, men også andre salte) er udsatte for elektrokemisk korrosion. Derfor skal saltet vaskes ud inden man lægger tingene på hylden- og det gøres ved at vaske ud i vand i lang tid. Nogle museer gløder også metalgenstandene-   spørg ind til dette på museet- for det giver ikke mening, synes jeg.

Man præparerer med voks- så der ligger en luft og vandtæt hinde omkring genstanden. Men det skal jo helst ikke forhindre at man kan se detaljer på genstanden.

Gravballemandens konservering er en spændende beretning- som udstillingen på Moesgård gør meget ud af. Tænk på at han lå i mosen i 2000 år, men kunne rådne på få måneder efter optagning. Man har garvet videre på huden, tømt de indre organer- bl.a. var maveindholdet interessant- hans sidste måltid kunne afsløres. Den sidste overvejelse er om det er et brud på gravfreden at lægge ham til udstilling?

Litteraturliste.

Fænomenet højmoser. Mette Risager og Michael Stoltze. Naturens Verden 1999 Matthiesen, H.;
Hilbert, L.R. & Gregory, D. 2003: “Siderite as a Corrosion Product on Archaeological Iron from a Waterlogged Environment”. Studies in Conservation 48, 2003, pp.183-194.

Siderit er kun beskyttende, så længe forholdene er anaerobe ifl. Anna.

Henrik Parbo, Kende kemien 2, kapitel 1.
“Okker – en rigdom af farver” af professor emeritus Jens Tyge Møller, Geologisk Nyt 1/02, pp.10-13.
[Painter (1991b). Carbohydr. Polym., 15, 123-142],  www.borsheim.info/sphagnum.htm
Pauline Asingh Grauballemanden portræt af et moselig Moesgård museum/Gyldendal 2009



Andre projekter:

Færdigheder

Indsendt den

17. juni 2017