臺灣化學教育

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和+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)₂‧H₂O）

13.    美工刀

二、   實驗步驟

(一) 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。

圖1：熔錫用大湯匙加工成品

(二) 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2：1（或3：1），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。

 

圖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）。

(三) 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。

圖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。

圖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。

 

圖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。

 

圖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。

圖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。

 

圖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，2016年12月。

2.        Sam Kean著，消失的湯匙，大塊文化出版，2011年7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，2003年3月。

6.        黃淑蘭，錫金屬創作上手指南，國家圖書館出版品，2015年4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，2009年8月。

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