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前言

西元1812年6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12月從莫斯科撤退,拿破崙宣稱敗 給俄國的冬天,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,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,患上斑疹傷寒而一個個倒下。其次還 有一個很特別原因是「鈕扣惹的禍!?」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

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。本專欄中將以錫金屬為例,

期許師生透過探究實作循序漸進了解金屬,

學會將日常生活器材改造成實用的工具,用 以熔解金屬、自製模具及創作獨一無二的藝 術作品。

錫之探究實作的開端

老師說明錫金屬的歷史後,學生主動尋找有 關錫金屬的相關資料

錫的一般性質

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,

且擁有良好的延展性,活性比鐵要小,在空 氣中不易氧化,因此常被用來作為其他金屬 的防鏽表面處理,錫的重要應用是製合金,

其中學生最為熟悉的是製作馬口鐵,也就是 在鐵表面鍍上一層錫保護層,被大量應用於

化學玩金術

「都是鈕扣

 惹的禍?」

掃描QRcode,

下載最新電子檔 教師 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

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ChemistryChemistryChemistryChemistryChemistryChemistry常溫常壓下錫有2種同素異形體,主要是 以灰錫(α 錫)、白錫(β 錫)的狀態存在。

常見的白錫為銀白色金屬,富有延、展性。

當溫度降至13.2℃以下,白錫會慢慢變為粉 末狀的灰錫,灰錫的晶體結構與鑽石、矽和 鍺類似,如此一來延、展性消失,呈現暗灰 色的粉狀。

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。

錫的化學性質

錫是兩性金屬,主要生成+2和+4價氧化態,

常見的化學反應如下:

1 錫會溶於稀鹽酸,生成氯化亞錫:

Sn+2HCl → SnCl2+H2

2 錫能溶於氫氧化鈉鹼性溶液中,生成亞錫 酸鹽:

Sn+2NaOH+2H2O → Na2[Sn(OH)4]+H2

鼓勵學生討論、研究如何「玩」錫金屬作 成創意作品

化 學 的 英 文 C h e m i s t r y 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,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 煉金術的迷戀,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,由個人自由發揮創 作。

1 不鏽鋼大湯匙(金屬材質要薄且把柄有 隔熱為佳)

2 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:

貝殼、植物種子等 7 棉質手套

8 鋁箔紙

9 免洗碗(回收再利用):攪拌石膏漿用 0 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 膏模具上黏著,方便脫模,一般液體皂 即可

q 翻模外框:鳳梨酥烘焙模具、硬紙框、

木框均可

w 石膏粉(CaSO4)2•H2O e 美工刀

煉金術基礎工具及材料

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科學探究 MIT - 化學

實驗步驟

1. 熔錫湯匙加工

1 以 尖 嘴 鉗 將 湯 匙 摺 出 一 個 錫 金 屬 流 出 口。

2 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,

如圖一所示。

圖一:熔錫湯匙成品。

2. 石膏模製作

1 鳳梨酥大小的模框最適合,將厚紙板纏 繞在方型模具上,重疊處以膠帶固定即 可使用。

2 秤 取 石 膏 粉 與 水 重 量 比 2 : 1 ( 或 3 : 1 ),亦即將石膏粉 1 0 0 克倒入免洗碗 中,慢慢加入水50克充分攪拌,攪拌速 度要快,如此可使凝固時間較短。

3 將石膏漿倒入模框內,等感覺快凝固時 再將貝殼或植物種子(需事先將表面充 分塗附薄薄的鉀皂,石膏硬化時才能方 便脫模)放入,如圖二所示。

圖二:將植物種子均勻塗抹鉀皂後,放入尚未 硬化的石膏模。

3. 創意作品DIY

1 將 金 屬 錫 粒 放 入 熔 錫 湯 匙 內 以 火 槍 熔 化,倒入石膏模,切記不要倒太滿。熔 融的錫金屬會因為表面張力而突起,如 圖三所示。

圖三:將熔融的錫金屬倒入石膏模。

2 待錫金屬冷卻後(約等5分鐘)即可將成 品脫模,如圖四所示。

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實驗過程注意事項

1 熔融的錫金屬溫度高,小心不要燙傷。

2 石膏模製作時要注意,石膏模冷卻後體積 會膨脹,所以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。

延伸實驗應用

錫熔點低,所以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、異材質結合

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,如圖五所示。

圖五:軟陶土上壓出一個簡易的凹槽。

2 將玉石(或貝殼、小枯木)放入鋪好錫箔 紙的凹槽內,如圖六所示。

圖六:將玉石(或貝殼、小枯木)放入鋪好錫 箔紙的凹槽內。

3 將熔融的錫金屬倒入,稍微掩蓋住玉石高 度,如此一來玉石才不至於掉出來,如圖 七及圖八所示。

圖七:將熔融的錫倒入,稍微掩蓋住玉石高 度。

圖八:充滿藝術性的個性成品。

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師生共同討論創作

1 製作石膏模過程不如想像中簡單,石膏量 若太多,硬化速度太快;石膏量少時,硬 化速度慢,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,因為錫金屬 內聚力大稍不慎就會倒太多,特別是將錫 金屬倒入石膏模具時,最好用美工刀挖一 個燒鑄口,並以燕尾夾固定模板,再倒入 錫,如圖九所示。

圖九:以美工刀刻出一個燒鑄口,可以避免空 氣的進入。

各組成品展示及報告

實驗過程觀察到的現象及自己的創意亮點 1 粗製錫成品雖不盡完美,但卻是自己獨一

無二的創作,異材質結合錫金屬創作不是 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,如圖十所示。

2 高溫時熔融的錫也會氧化變黑,所以用量 上要評估,避免浪費。

二、變化萬千的銅-銅蝕雕創作

除了錫金屬製作外,在化學實驗室裡易 取 得 的 銅 金 屬 片 , 除 了 可 以 當 作 電 池 電 極 外,也可以作成創意的銅蝕雕作品呢!

金屬銅活性低,不易氧化,易溶於硝酸 及濃硫酸等強酸,銅和硝酸的反應如下:

3Cu+8HNO3(稀)

→ 3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O Cu+4HNO3(濃)

→ Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O 利用此原理雖可將銅板製作出不同圖案 的銅雕作品,但是反應的同時也產生刺激性 且有毒的二氧化氮(NO2),是否可以想出 其他替代方法呢?

實驗原理

利用氯化鐵溶液與部分裸露在外的銅板 進行反應,使其呈現各種不同的銅文字或創 意圖案。

Cu+Fe3+ → Cu++Fe2+ E=0.25 V

器材及藥品

1 薄銅板(3×8 cm)數塊

2 氯化鐵溶液(FeCl3,1 M)100 mL/飽 和溶液也可以

3 卡點西德/自粘性透明膠布1捲 4 美工刀

5 塑膠水槽(30×25×10 cm)或250 mL 燒杯

6 砂紙1片 7 塑膠夾子

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實驗步驟

1 準備一塊薄銅板,先用細砂紙將表面磨 光,去除銅鏽或其他氧化物。

2 取一張3×8 cm的自粘性卡點西德紙在電路 板上黏牢,注意兩面都需黏貼。

3 用粘膠或噴膠將自己畫的圖案黏貼在卡點 西德紙上,並用美工刀將不需要的圖案連 同其下的卡點西德紙一起割除,使最底部 的銅裸露出來。

4 將雕刻後的銅板浸泡至氯化鐵溶液中,靜 置1∼2節課(50∼100分鐘),時間愈久,

蝕刻痕愈清晰明顯,如圖十一所示。

圖十一:雕刻後的銅板浸泡在氯化鐵溶液中。

5 用塑膠夾取出蝕刻後的銅板,先以清水沖 洗,再以衛生紙拭乾。

6 均勻噴上一層透明噴漆,即可完成精緻的 銅蝕雕作品,如圖十二所示。

圖十二:學生銅蝕雕作品呈現。

學生成品展示及報告

比較錫金屬創作及銅蝕雕製作原理及心得

1 錫金屬製作過程較為繁複,但是成品創作 範圍廣;銅蝕雕製作過程容易上手,唯需 注 意 卡 點 西 德 紙 需 將 銅 片 黏 牢 , 避 免 脫 落,以免造成裸露出來的部分被氯化鐵氧 化,圖案模糊。

2 銅片常應用在傳統的電路板上,請問可能 的原因為何?

3 在雕刻卡點西德紙時需注意陰刻及陽刻的 區別,否則所雕刻出來的圖案會與銅蝕雕 出來的成品圖案左右相反喔!

圖片來源:

圖一∼圖十二:劉曉倩老師提供

參考資料:

1 科學教育月刊,第231期,91∼93頁。

2 錫金屬創作上手指南,黃淑蘭,國家圖書館出版 品,2015年4月

3 消失的湯匙,Sam Kean著,大塊文化出版,2011 7月

4 門德列夫之夢,保羅.史查森著,究竟出版社,

2003年3月

5 金屬工藝入門-玩金術,趙丹綺及王意婷著,練 丹場珠寶金工工作室,2009年8月

6 維基百科,自由的百科全書

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