摘要：介绍树叶电镀的原理、制作方法、影响因素以及电镀效果优劣的评定等。实验既有趣味性,又涉及多种基本操作,有利于培养学生的实验兴趣,增强学生独立进行实验的技能。 关键词：树叶电镀，教学改革，工艺品 树叶在日常生活中一般作为垃圾处理,但有些树叶从外观、造型上具有一定的艺术性与鉴赏价值,经电镀、标本制作等处理后,颜色金黄,且不会掉色,可长久保存观赏,常被用来制成装饰工艺品。在树叶、花等天然植物表面上,用电化学方法使金属的化合物还原为金属,形成金属层,称为防护-装饰性电镀[1-3],是一类重要的非金属电镀[4-6]。 传统的非金属电镀包括除油、粗化、活化、化学镀和电镀等工艺,但存在许多问题。在20世纪60~80年代,人们开发了非金属材料的直接电镀。非金属表面直接电镀的关键是基体的选择与处理,如选用具有一定导电性能的非金属材料如导电性高分子聚合物等。新采集的树叶中既含有水,又含有一定量的电解质,具有一定的导电性。将树叶的表面进行一定处理后,可用直接电镀技术对其进行电镀精饰。电镀铜的原理是：
为了得到较佳的镀铜效果,必须对树叶进行一系列预处理。 首先,对树叶进行前处理。以浓肥皂水(主要成分为苯磺酸钠)作为乳化剂,浸泡、洗涤去除树叶表面附着的灰尘和油污。借助化学刻蚀与机械打磨技术,溶解除去叶片上的部分叶绿素等有机基质,从而使树叶表面形成均匀微小的凹穴(粗化处理),镀层沉积在凹穴中,可使金属镀层与树叶基体结合良好。其次,是对树叶进行敏化。粗化处理后的树叶表面有无数凹穴,比表面积较大,有较强的吸附能力。在敏化液中浸渍时,能吸附Sn2+,水解作用后在树叶表面形成一层几纳米厚的易于氧化的Sn2(OH)3Cl凝胶薄膜,此薄膜为在下一步活化处理中吸附还原性的活化剂提供了很好的基质。 敏化过程机理如下:由于树叶的敏化液pH<7,故发生Sn2+水解:
最后进行树叶的活化。敏化处理后的树叶表面存在一层微溶于水的凝胶状物Sn2(OH)3Cl薄膜,置于银氨溶液中,可吸附银和银氨络离子,滴加36%甲醛溶液,发生银镜反应,在树叶表面析出一层银,形成催化晶核,分布在树叶表面,为直接电镀打下基础。活化反应历程如下:
树叶电镀实验包含了电镀的基本原理,直接电镀基体的选择,样品的前处理以及在电镀过程中需要注意的问题和条件的控制等,可为学生学习、了解电镀的原理与工艺提供一个简单、易行、完整的实验平台。经安徽大学基础化学实验中心对几个不同专业班级学生进行验证,认为这是一个较易实施又能很好锻炼学生基本实验技能、增强学生创新意识的基础化学开放性实验。 1·实验部分 1.1原料、试剂及仪器 原料为新鲜树叶。 试剂:硫酸铜(CuSO4·5H2O,分析纯);硫酸(H2SO4,分析纯);硝酸银(AgNO3,分析纯);甲醛(HCHO,分析纯);氨水(NH3·H2O,分析纯);氯化亚锡(SnCl2·2H2O,分析纯);无水乙醇(C2H5OH,分析纯);肥皂,超纯水。 仪器:6伏直流可调稳压电源、电流表、细铜丝、少许丝绸、玻璃片、镊子、烧杯、胶头滴管、量筒、玻璃棒。 1.2实验装置 将处理后的树叶作为阴极、铜网作为阳极,在硫酸铜浓溶液中进行电镀铜,实验装置如图1所示。
1.3实验步骤 (1)选择一片质地较硬、完整美观的新采集的带柄树叶或脉络清晰的花瓣等作为原料(本实验中以树叶为原料)。 (2)表面净化与粗化处理。将树叶放入浓肥皂水中浸泡30min,用镊子将叶片取出,用清水漂洗后铺在玻璃片上,用丝绸轻轻贴在叶面上来回摩擦约20次,然后用镊子把叶片放入无水乙醇中浸泡10分钟,取出,自然晾干。 (3)敏化与活化处理。将叶片放入新配制的氯化亚锡溶液(1%(质量分数))中浸泡30秒,用镊子取出,再用蒸馏水反复漂洗3次以上。 洗净后,置于银氨溶液中(200mL3%(质量分数)的硝酸银溶液中,逐滴滴入3%的氨水,直到产生的褐色沉淀恰好消失形成无色透明的清液为止),静置1min后,加入1mL36%的甲醛溶液,水浴加热(温度低于40℃)2~3min后,取出用蒸馏水反复漂洗,可得到银色的树叶。 (4)电镀铜。配制400mL30%(质量分数)的硫酸铜溶液,并滴加0.2~0.3mL1.5mol/L硫酸。取2根洁净的细铜丝作为导线,用一根铜丝缠绕树叶的叶柄根部,并固定在玻璃棒上,插入硫酸铜电解液中作为电镀阴极;用另一根铜丝缠绕在铜网的顶部,将其固定在另一根玻璃棒上,作为电镀阳极。将两根铜丝联接到装有电流表和可调直流电源的电路中,将电压调到6V,移动铜网的玻璃棒,调节铜网和叶片间的距离,控制电流在0.5~1.0A之间,进行电镀操作,待叶片表面镀上一层均匀的金属铜(约2min),停止通电,取出叶片在清水中漂洗、吹干,便可得到一片金色的镀铜树叶。 (5)对制好的镀铜树叶,用数码相机进行拍摄记录;再将其置于光学显微镜下,观测表面镀层情况。 2·实验结果与教学评定设计 2.1电镀前后的树叶形貌 比较电镀前后的树叶形貌知,在电镀前,树叶为叶绿色;镀铜后的树叶呈现金黄色,叶脉纹理清晰、细腻均匀,既能保持树叶原有的形状,又能体现电镀后的高雅华贵。 2.2树叶电镀效果的判断及可能出现的问题 树叶表面镀层总的质量要求是镀层均匀细致、结合牢固、不起皮、不起泡等。可依据光学显微镜下表面镀层的观测结果,对电镀产物的整体外观形状、色泽、镀层均匀性以及有无缺陷等几方面进行考察。将其分为5个等级,并以此作为评价学生实验成绩的重要依据之一。以造型优美,极具观赏价值,均匀金黄色,鲜艳无杂色,无缺陷的电镀产物为最佳;若电镀后的树叶外观破损严重,存在多种杂色,颜色深浅不一,剥落较多,有大量缺陷存在,则表明实验过程中存在操作不当或其他问题。 教学实践中发现,学生所得的树叶电镀产物经常会出现以下几方面的问题,如只在个别部位发生电镀沉积或沉积不均匀;镀层结晶粗,且易出现“烧焦”现象;镀层有针孔出现;镀层发暗等。对于这些问题,可鼓励学生从影响金属成核与结晶的因素(如催化晶核、结晶速率、结晶温度以及晶核生长时间等)去积极探索、寻求原因,力求在实践中逐渐了解、掌握结晶学方面的知识。 2.3影响树叶电镀的因素及实验中需要注意的问题 (1)在还原银氨溶液时,若甲醛用量不足,则树叶表面的银镀层会比较薄,无法提供均匀有效的催化晶核而影响铜的电镀;适当增加甲醛的量,有利于树叶表面形成连续均匀的银镀层。 (2)适当提高电解液的温度(如40℃),有利于形成均匀、细致的铜镀层。温度过高或过低,在本实验中都易破坏金属铜的结晶成核速率与生长速率的平衡,而导致镀层出现结晶粗大、不均匀等现象。 (3)若粗化时间过长(长时间浸泡),可能导致有机基质被破坏;若粗化时间不足,树叶表面的有机基质未能被乙醇溶解,具有较强疏水性,则会导致粗化后表面不能被水润湿以致表面发黄、发脆并粗糙。 (4)敏化的后处理相当重要,如果处理不当,则所得的镀铜膜层粗糙不纯,颜色呈黑棕色,直接影响电镀铜表层的均匀性和光亮性。 (5)为了在电镀中最大效率地提供铜离子,镀液中铜片的面积与被镀物件面积的最佳比例为2.5:1。为了保证电镀能够顺利进行,需要对作为电极的铜网进行打磨。 (6)若电流密度过大,可能会破坏样品表面的导电物质,使其与样品的结合变得不再紧密,并使镀层起泡。而若电流密度过小,会使镀层的光泽性降低。 3·几点建议 (1)本实验需提前让学生预习准备,可查阅相关植物电镀类工艺品的选择、制作、保存以及鉴赏等方面的资料,以便于学生自行准备原料,在学习电镀基本操作的同时,增强学生学以致用的积极性。 (2)在实验过程中,由于所选择的叶片、花瓣的大小、质地存在差异,实验装置可自行重新设计,以便于在培养学生兴趣的同时,增强学生的创新意识。 (3)镀铜的工艺方法很多,除采用上述的电镀方法外,还可根据实际条件,鼓励学生采用其他方法如化学镀铜的方法进行实验,比较不同方法的优缺点。 |
