工藝品“金葉”的電鍍制作
——推薦一個基礎化學新實驗

沈玉華 黃方志 謝安建 宋繼梅 李士闊

(安徽大學化學化工學院 安徽合肥 230039)

樹葉在日常生活中一般作為垃圾處理，但有些樹葉從外觀、造型上具有一定的藝術性與鑒賞價值，經電鍍、標本制作等處理后，顏色金黃，且不會掉色，可長久保存觀賞，常被用來制成裝飾工藝品。在樹葉、花等天然植物表面上，用電化學方法使金屬的化合物還原為金屬，形成金屬層，稱為防護-裝飾性電鍍[1-3]，是一類重要的非金屬電鍍[4-6]。

傳統的非金屬電鍍包括除油、粗化、活化、化學鍍和電鍍等工藝，但存在許多問題。在20世紀60～80年代，人們開發了非金屬材料的直接電鍍。非金屬表面直接電鍍的關鍵是基體的選擇與處理，如選用具有一定導電性能的非金屬材料如導電性高分子聚合物等。新采集的樹葉中既含有水，又含有一定量的電解質，具有一定的導電性。將樹葉的表面進行一定處理后，可用直接電鍍技術對其進行電鍍精飾。電鍍銅的原理是：

為了得到較佳的鍍銅效果，必須對樹葉進行一系列預處理。

首先，對樹葉進行前處理。以濃肥皂水(主要成分為苯磺酸鈉)作為乳化劑，浸泡、洗滌去除樹葉表面附著的灰塵和油污。借助化學刻蝕與機械打磨技術，溶解除去葉片上的部分葉綠素等有機基質，從而使樹葉表面形成均勻微小的凹穴(粗化處理)，鍍層沉積在凹穴中，可使金屬鍍層與樹葉基體結合良好。

其次，是對樹葉進行敏化。粗化處理后的樹葉表面有無數凹穴，比表面積較大，有較強的吸附能力。在敏化液中浸漬時，能吸附Sn2+，水解作用后在樹葉表面形成一層幾納米厚的易于氧化的Sn2(OH)3Cl凝膠薄膜，此薄膜為在下一步活化處理中吸附還原性的活化劑提供了很好的基質。

敏化過程機理如下：由于樹葉的敏化液pH<7，故發生Sn2+水解：

其中，Sn(OH)Cl與Sn(OH)2結合：

最后進行樹葉的活化。敏化處理后的樹葉表面存在一層微溶于水的凝膠狀物Sn2(OH)3Cl薄膜，置于銀氨溶液中，可吸附銀和銀氨絡離子，滴加36%甲醛溶液，發生銀鏡反應，在樹葉表面析出一層銀，形成催化晶核，分布在樹葉表面，為直接電鍍打下基礎。活化反應歷程如下：

樹葉電鍍實驗包含了電鍍的基本原理，直接電鍍基體的選擇，樣品的前處理以及在電鍍過程中需要注意的問題和條件的控制等，可為學生學習、了解電鍍的原理與工藝提供一個簡單、易行、完整的實驗平臺。經安徽大學基礎化學實驗中心對幾個不同專業班級學生進行驗證，認為這是一個較易實施又能很好鍛煉學生基本實驗技能、增強學生創新意識的基礎化學開放性實驗。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑及儀器

原料為新鮮樹葉。

試劑：硫酸銅(CuSO4·5H2O，分析純)；硫酸(H2SO4，分析純)；硝酸銀(AgNO3，分析純)；甲醛(HCHO，分析純)；氨水(NH3·H2O，分析純)；氯化亞錫(SnCl2·2H2O，分析純)；無水乙醇(C2H5OH，分析純)；肥皂，超純水。

儀器： 6伏直流可調穩壓電源、電流表、細銅絲、少許絲綢、玻璃片、鑷子、燒杯、膠頭滴管、量筒、玻璃棒。

1.2 實驗裝置

將處理后的樹葉作為陰極、銅網作為陽極，在硫酸銅濃溶液中進行電鍍銅，實驗裝置如圖1所示。

1.3 實驗步驟

(1) 選擇一片質地較硬、完整美觀的新采集的帶柄樹葉或脈絡清晰的花瓣等作為原料(本實驗中以樹葉為原料)。

圖1 鍍銅過程實驗裝置示意圖

(2) 表面凈化與粗化處理。 將樹葉放入濃肥皂水中浸泡30min，用鑷子將葉片取出，用清水漂洗后鋪在玻璃片上，用絲綢輕輕貼在葉面上來回摩擦約20次，然后用鑷子把葉片放入無水乙醇中浸泡10分鐘，取出，自然晾干。

(3) 敏化與活化處理。 將葉片放入新配制的氯化亞錫溶液(1%(質量分數))中浸泡30秒，用鑷子取出，再用蒸餾水反復漂洗3次以上。洗凈后，置于銀氨溶液中(200mL 3%(質量分數)的硝酸銀溶液中，逐滴滴入3%的氨水，直到產生的褐色沉淀恰好消失形成無色透明的清液為止)，靜置1min后，加入1mL 36%的甲醛溶液，水浴加熱(溫度低于40℃)2～3min后，取出用蒸餾水反復漂洗，可得到銀色的樹葉。

(4) 電鍍銅。 配制400mL 30%(質量分數)的硫酸銅溶液，并滴加0.2～0.3mL 1.5mol/L硫酸。取2根潔凈的細銅絲作為導線，用一根銅絲纏繞樹葉的葉柄根部，并固定在玻璃棒上，插入硫酸銅電解液中作為電鍍陰極；用另一根銅絲纏繞在銅網的頂部，將其固定在另一根玻璃棒上，作為電鍍陽極。將兩根銅絲聯接到裝有電流表和可調直流電源的電路中，將電壓調到6V，移動銅網的玻璃棒，調節銅網和葉片間的距離，控制電流在0.5～1.0A之間，進行電鍍操作，待葉片表面鍍上一層均勻的金屬銅(約2min)，停止通電，取出葉片在清水中漂洗、吹干，便可得到一片金色的鍍銅樹葉。

(5) 對制好的鍍銅樹葉，用數碼相機進行拍攝記錄；再將其置于光學顯微鏡下，觀測表面鍍層情況。

2 實驗結果與教學評定設計

2.1 電鍍前后的樹葉形貌

比較電鍍前后的樹葉形貌知，在電鍍前，樹葉為葉綠色；鍍銅后的樹葉呈現金黃色，葉脈紋理清晰、細膩均勻，既能保持樹葉原有的形狀，又能體現電鍍后的高雅華貴。

2.2 樹葉電鍍效果的判斷及可能出現的問題

樹葉表面鍍層總的質量要求是鍍層均勻細致、結合牢固、不起皮、不起泡等。可依據光學顯微鏡下表面鍍層的觀測結果，對電鍍產物的整體外觀形狀、色澤、鍍層均勻性以及有無缺陷等幾方面進行考察。將其分為5個等級，并以此作為評價學生實驗成績的重要依據之一。以造型優美，極具觀賞價值，均勻金黃色，鮮艷無雜色，無缺陷的電鍍產物為最佳；若電鍍后的樹葉外觀破損嚴重，存在多種雜色，顏色深淺不一，剝落較多，有大量缺陷存在，則表明實驗過程中存在操作不當或其他問題。

教學實踐中發現，學生所得的樹葉電鍍產物經常會出現以下幾方面的問題，如只在個別部位發生電鍍沉積或沉積不均勻；鍍層結晶粗，且易出現“燒焦”現象；鍍層有針孔出現；鍍層發暗等。對于這些問題，可鼓勵學生從影響金屬成核與結晶的因素(如催化晶核、結晶速率、結晶溫度以及晶核生長時間等)去積極探索、尋求原因，力求在實踐中逐漸了解、掌握結晶學方面的知識。

2.3 影響樹葉電鍍的因素及實驗中需要注意的問題

(1) 在還原銀氨溶液時，若甲醛用量不足，則樹葉表面的銀鍍層會比較薄，無法提供均勻有效的催化晶核而影響銅的電鍍；適當增加甲醛的量，有利于樹葉表面形成連續均勻的銀鍍層。

(2) 適當提高電解液的溫度(如40℃)，有利于形成均勻、細致的銅鍍層。溫度過高或過低，在本實驗中都易破壞金屬銅的結晶成核速率與生長速率的平衡，而導致鍍層出現結晶粗大、不均勻等現象。

(3) 若粗化時間過長(長時間浸泡)，可能導致有機基質被破壞；若粗化時間不足，樹葉表面的有機基質未能被乙醇溶解，具有較強疏水性，則會導致粗化后表面不能被水潤濕以致表面發黃、發脆并粗糙。

(4) 敏化的后處理相當重要，如果處理不當，則所得的鍍銅膜層粗糙不純，顏色呈黑棕色，直接影響電鍍銅表層的均勻性和光亮性。

(6) 若電流密度過大，可能會破壞樣品表面的導電物質，使其與樣品的結合變得不再緊密，并使鍍層起泡。而若電流密度過小，會使鍍層的光澤性降低。

3 幾點建議

(1) 本實驗需提前讓學生預習準備，可查閱相關植物電鍍類工藝品的選擇、制作、保存以及鑒賞等方面的資料，以便于學生自行準備原料，在學習電鍍基本操作的同時，增強學生學以致用的積極性。

(2) 在實驗過程中，由于所選擇的葉片、花瓣的大小、質地存在差異，實驗裝置可自行重新設計，以便于在培養學生興趣的同時，增強學生的創新意識。

(3) 鍍銅的工藝方法很多，除采用上述的電鍍方法外, 還可根據實際條件，鼓勵學生采用其他方法如化學鍍銅的方法進行實驗，比較不同方法的優缺點。

[1] 王玲.電鍍與精飾,1998,20(3):15

[2] 陳一虎.蘇州教育學院學報,2003,20(1):69

[3] 薛福連.中小企業科技,2006(6):47

[4] 曾華梁,吳仲達,秦月文,等.電鍍工藝手冊.北京:機械工業出版社,1989

[5] 邵延福.實用化工產品配方工藝手冊.長春:吉林科學技術出版社,1990

[6] 李能斌,羅韋因,劉鈞泉,等.電鍍與涂飾,2005,24(5):46