化學玩金術創作飾品 / 劉曉倩

星期一 , 3, 七月 2017 Leave a comment

化學玩金術創作飾品

劉曉倩

國立彰化高級中學
教育部高中化學學科中心
torrina01092002@yahoo.com.tw

n  錫的故事

西元1812年六月拿破崙帶領六十七萬大軍東征俄羅斯,然而這支堪稱史上最雄壯的隊伍卻在短短幾個月時間只剩兩萬人。殘兵敗將在同年十二月從莫斯科撤退,拿破崙宣稱敗給俄國的冬天,因為士兵在嚴冬、飢餓及疾病中潰不成軍,此次戰爭對於拿破崙在歐洲版圖的消長帶來極大影響,大軍在戰爭中損失慘重,並且再也沒有恢復士氣。

為什麼拿破崙的軍隊會在極短時間內潰不成軍呢?主要原因是士兵感染斑疹傷寒所致,這些斑疹疾病經由虱子傳播的,當時軍隊的衛生環境非常惡劣,所以虱子的傳播速度非常快,士兵們很快就因為軍隊裡衛生習慣不佳,患上了斑疹傷寒而一個個倒下。其次還有一個很特別原因是「鈕釦惹的禍!?」因為當時軍隊士兵所穿的外套、長褲甚至軍靴的鈕扣都是錫製的,一旦溫度下降,這些閃亮亮的錫製品就會逐漸變得黯淡無光,甚至開始瓦解成錫粉!雖然英勇又聰明的拿破崙應該不至於犯下這種錯誤,但是這個有趣的傳聞卻突顯了「錫」這個化學元素在歷史的定位。

回顧中國歷史,遠在青銅器時代(商朝),考古學家就以使用青銅器當作人類文化發展的一個重要階段,青銅是銅和錫的合金,因為其氧化物顏色青灰,故名青銅。由於青銅的熔點比較低,約為800,硬度又高,所以容易熔化和鑄造成型,當時主要以製作農業工具及武器為主。

這些隱藏在元素背後的歷史故事,讓我們在看待金屬元素時多了想像力,也增添了很多學習樂趣,Chemistry一詞源自於古希臘語,意指金屬的熔解與提煉的意思,因此學會掌握金屬的創造方法,正是呼應古老煉金術的精神!本文以錫金屬為例,師生透過實作過程循序漸進了解金屬,學會將日常生活器材改造成實用的工具,用以溶解金屬、自製模具並創作獨一無二的藝術作品,實現「Chem is try」玩金術!

n  錫的理化性質和用途

一、   錫的一般性質

錫的化學符號是Sn,原子序50,與碳、矽、鍺等同族金屬。純的錫有銀色的金屬光澤,且擁有良好的伸展性,活性比鐵要小,在空氣中不易氧化,因此常被用來作為其它金屬的防鏽表面處理,錫的重要應用是製合金,例如青銅、焊錫、鑄字合金、低熔點合金等,其中最為學生熟悉的是做馬口鐵,也就是在鐵表面鍍上一層錫保護層,馬口鐵被大量應用於罐頭工業。

錫被稱為古代金屬之一,古人使用錫金屬製作生活用品,因為其可以被高度拋光,且錫表面會形成保護性的氧化層,防止進一步的氧化。金屬錫即使大量被使用,毒性也很低,但是一些有機錫化物的毒性卻非常高,尤其是錫的三烴基化合物常被用作船的塗料漆,用以殺死附在船身上的微生物和貝殼,然而這些化合物卻也可以用來摧毀含硫的蛋白質。

二、   錫的物理和化學性質

常溫常壓下錫有二種同素異形體,主要是以灰錫(α錫)、白錫(β錫)的狀態存在。在室溫下,常見的是銀白色金屬白錫,富有延展性,比重較灰錫為重。當溫度降至13.2以下,它會慢慢變為粉末狀的灰錫,灰錫的晶體結構與鑽石、矽和鍺類似,屬於鑽石型晶體結構,如此一來錫金屬間產生類似共價鍵結構,電子不能自由轉移,所以延展性消失,呈現暗灰色的粉狀。

錫是兩性金屬,主要生成+2+4價的氧化態,常見的化學反應如下:

(1)   錫會溶於稀鹽酸,生成氯化亞錫(Tin(II) chloride),其反應如式[1]所示:

Sn(s) + 2HCl(aq) → SnCl2(aq) + H2(g)    [1]

(2)   錫能溶於氫氧化鈉溶液中,生成錫酸鈉(Sodium stannate),其反應如式[2]所示:

Sn(s) + 2NaOH(aq)+ 2H2O(aq) → Na2[Sn(OH)6](aq) + H2(g)    [2]

n  玩錫金屬創作飾品

化學的英文「Chemistry」起源於煉金術Alchemy一詞,即使是現代化學使用的許多儀器、實驗方法其實都是煉金術士的發明,而煉金術的符號系統也常被化學界採用,例如加熱符號「」就是煉金術中火元素的記號。煉金術的實驗過程奠定了歐洲現代化學的基礎,即使偉大如牛頓都無法擺脫對鍊金術的迷戀,時至今日我們了解到,無法從一般金屬煉製成黃金,但是卻也可以利用錫熔點低的特性,創造出獨一無二的作品,體驗煉金術的過程呢!

所謂「金屬鑄造」是指金屬加熱到熔化後,倒入特定形狀的鑄模,待其冷卻凝固成形的加工方式,而鑄模的材料可以是厚紙板、石膏、鋁箔紙等等,自由發揮創作。

一、   煉金術基礎工具及材料

1.        不鏽鋼大湯匙(金屬材質要薄且把柄有隔熱為佳)

2.        金屬鑷子

3.        尖嘴鉗

4.        粗鐵絲或金屬線

5.        強力點火槍

6.        可透過翻模再次設計成作品的現成物(如貝殼、植物種子等等)

7.        棉質手套

8.        鋁箔紙

9.        免洗碗(回收再利用,攪拌石膏漿用)

10.    鉀肥皂(脂肪酸鉀)(塗抹於複合材料表面(貝殼或種子表面),避免其在石膏模具上黏住,方便脫模,一般液體皂即可。)

11.    翻模外框(鳳梨酥烘焙模具、硬紙框、木框均可)

12.    石膏粉((CaSO4)2H2O

13.    美工刀

二、   實驗步驟

() 熔錫湯匙加工

1.        以尖嘴鉗將不鏽鋼大湯匙摺出一個錫金屬流出口。

2.        在大湯匙的合適處,以粗金屬線(或粗鐵線)製作一個湯匙立架,方便在熔錫過程中讓湯匙站立不傾倒。

3.        準備平面石塊或磚頭,方便湯匙待涼,如圖1所示。

clip_image002

1:熔錫用大湯匙加工成品

() 石膏模製作

1.        使用鳳梨酥大小的模具框最適合,用厚紙板纏繞在模具的內部,重疊處以膠帶固定即可。

2.        秤取石膏粉與水重量比21(或31),亦即將石膏粉100克倒入免洗碗中,慢慢加入水50克充分攪拌,攪拌速率要快,如此一來凝固時間較短。

3.        將石膏漿倒入模框內,等感覺快凝固時,再放入貝殼或植物種子(需事先將表面充分塗附薄薄的鉀皂,如此一來石膏硬化時才能方便脫模),如圖2左所示。

4.        等待石膏漿乾固後,取出植物種子,即可形成種子形狀的石膏模型凹槽,如圖2右所示。

clip_image004 clip_image006

2:植物種子均勻塗抹鉀皂後,放入尚未硬化的石膏模(左);完成的石膏模型凹槽(右)。

() 創意作品DIY

1.        將金屬錫粒放入熔錫大湯匙內,以強力點火槍熔化,倒入石膏模中,如圖3所示。切記不要倒太滿。熔融的錫金屬會因為表面張力而突起。

clip_image008

3:將熔融的錫金屬倒入石膏模的凹槽中

2.        約五分鐘後,錫金屬冷卻後即可將成品脫模,即可形成錫金屬成品,如圖4所示。

clip_image010

4:校園植物種子做成錫金屬成品

三、   實驗過程注意事項

1.        熔融的錫金屬溫度高,務必小心,避免燙傷。

2.        石膏模製作時要注意,石膏模冷卻後體積會膨脹,因此將種子或貝殼放入時不要放得太深,以免石膏冷卻後,複合材料會取不出來。

n  延伸應用異材質結合創作飾品

錫熔點低,很容易直接與異材質結合,如小枯木、琉璃、貝殼及玉石等,都可以透過簡單的模具結合,完成的作品也可以焊接墜頭或指環,成為有個性的創作。

一、   實驗步驟

1.        將軟陶土上壓出一個簡易的凹槽,並將準備好的錫箔紙鋪在上面,如圖5左所示。

2.        將玉石(或貝殼、小枯木)放入鋪好錫箔紙的凹槽內,如圖5右所示。

clip_image012 clip_image014

5:在軟陶土上壓出一個凹槽(左);將玉石放入鋪好錫箔紙的凹槽內(右)

3.          將熔融的錫金屬倒入錫箔紙的凹槽內,稍微掩蓋住玉石高度即可,如此一來玉石才不至於掉出來,如圖6左和圖6右所示。

clip_image016 clip_image018

6:倒入熔融錫在凹槽內,稍微掩蓋住玉石高度(左);充滿藝術性的個性成品(右)

二、   師生創作秘訣

1.        製作石膏模過程不如想像中簡單,若石膏對水量的比率太多,硬化速率太快;石膏比率少,硬化速率慢,放入的種子或貝殼常會沉入石膏漿底部,造成脫模不易。

2.        熔融的錫金屬倒入模具內時,由於錫金屬內聚力大,稍為不慎就會倒入太多。特別是將錫金屬倒入石膏模具時,最好用美工刀在上方挖一個燒鑄小洞口,並以燕尾夾固定模板,再倒入錫,如圖7所示。

clip_image020

7:以美工刀刻出一個燒鑄口,可以避免空氣的進入

三、   成品展示及報告

1.        雖然粗製錫成品不盡完美,卻是自己獨一無二的創作,異材質結合錫金屬的創作不是很容易,有些玉石遇到高溫時會褪色,同時慎防玉石脫落。必要時可以將成品以研磨砂紙輪加工拋光,錫金屬表面會更平滑,質感也會提升,如圖8所示。

 

clip_image022

8:利用棉布輪安裝在電動工具上,加工拋光。

2.        高溫時熔融的錫也會氧化變黑,因此用量上要評估,避免浪費。

n  參考資料

1.        MIT探究實作,龍騰出版社,201612月。

2.        Sam Kean著,消失的湯匙,大塊文化出版,20117月。

3.        Sodium stannate, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_stannate.

4.          王素華(1994, 譯者),都是鈕釦惹的禍,台北:加珈出版社。

5.        保羅.史查森著,門德列夫之夢,究竟出版社,20033月。

6.        黃淑蘭,錫金屬創作上手指南,國家圖書館出版品,20154月。

7.        趙丹綺和王意婷著,金屬工藝入門玩金術,練丹場珠寶金工工作室,20098月。

8.        錫,https://zh.wikipedia.org/wiki/

 

1308 Total Views 10 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

你的電子郵件位址並不會被公開。 必要欄位標記為 *