高二八班李泽轩尹志航硅酸的手工艺品探究与制备.docx

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高二八班李泽轩尹志航硅酸的手工艺品探究与制备

硅酸的手工艺品探究与制备

一、论文信息

作者：

李泽轩尹志航高二八班

指导教师：

刘银化学组

日期：

2013年6月3日

二、摘要

为了发展硅酸在手工艺品上的应用，我们决定研究经过各种操作后硅酸的物理性质并尝试应用在工艺品制作中。

研究发现可以通过加热自然成硅胶、与有色离子反应、用酸性气流熏染……来制作工艺品，实验成果对学生实际生活有直接的意义。

三、引言

硅酸曾是高一化学课上的学习内容，其中粉色硅酸胶体的实验令人印象十分深刻，多彩的“空中花园”也别具一格。

资料显示，硅酸（又称偏硅酸）既具有出众的物理性质，硬度和弹性能够根据需要而大幅度变化；也有稳定的化学性质，还是做化学反应池的常用材料。

这不禁令我们好奇地想到：

进一步发展硅酸在手工艺品上的价值，该是件多么有意义和快乐的事！

后来这种憧憬就变成了研学的课题，我们冀望通过实验及在去年研学的研究结果的基础上，进一步拓宽硅酸的应用价值。

实验课题研究后可以作为新兴的手工技术在个体间推广。

四、研究方法

绪言

研究主要采用实验性的方法来考察在不同操作下的硅酸的物理性质。

基于对硅酸的基本认识，这些操作主要包括：

加热硅胶

加入各种有色离子的硅酸

硅酸钠浓溶液常温暴露在空气中

1、研究对象

包括硅酸钠溶液、硅酸溶胶、自然成硅胶和已经加热的硅胶的物理性质和部分化学性质。

2、仪器用品与方法步骤

第一阶段：

带色硅酸的探究

实验仪器：

试管、胶头滴管、玻璃棒。

实验药品：

硅酸钠、氯化钴、硫酸锰、硝酸银、氯化镍。

方法步骤：

向试管里适量硅酸钠溶液中滴入各种溶液，或静置，或震荡，或搅拌，观察现象。

第二阶段：

自然成硅胶的探究

实验仪器：

酒精灯、玻璃皿、滤纸、镊子。

实验药品：

硅酸钠

方法步骤：

在玻璃皿中倒入适量硅酸钠浓溶液，在空气中放置8-12小时，然后用镊子夹取一小块，高温加热，观察现象。

总体研究过程：

0选题与开题过程

0.0选题的背景

0.1开题

1课题研究的计划

1.1研究计划

1.2环境和日程安排

2研究方向分析

2.1查阅资料

2.2实验准备

3总结以前的经验

4落实制备工艺

0.0选题的背景

2011年11月中旬，高一的第一学期，学校为我们举行了研究性学习的动员会。

根据校方的介绍，我们获知：

我们需要在明年7月份，完成一份研究性学习的项目。

项目的内容是围绕着一项自选课题，在指导教师的协助下，自主进行研究，并最终结题。

于是我在此之后，开始投入到研学的活动中。

在第一学年研学结束后，我决定继续探寻硅酸制工艺品的技术，尹志航愿意加入到这项研究中来，于是我们结成二人小组开展实验。

0.1开题

由于去年硅酸的可利用物化性质已经基本确定，今年我们把主要精力放在切实地实现一个个合乎理论的设计，并探讨出完备的制作流程和详细的工艺技巧。

1.1研究计划

认识到我的课题研究的最重要过程是制备成品，我将研究分成了几个阶段：

1、针对性地查阅与我们实验相关的资料

2、确定实验方向并做好实验准备

3、进行实验

4、反思实验结果并完善工艺

5、制作最终成品

我按照顺序开始了研究。

1.2环境和日程安排

查阅资料的工作主要在家里进行，使用网络方便。

实验过程定在科技楼的化学准备室，以及通用教室里开展（电焊过程），有利于及时请教老师，也不存在安全隐患。

2.1查阅资料

←硅胶结构图

硅胶是什么呢？

硅胶化学分子式为SiO2．nH2O，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定，除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应。

硅胶的化学组份和物理结构，决定了它具有的特点：

热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。

所以明确了物化性质以后，我就开始着手制作硅胶了。

2.2实验准备

按照制作方法，我去西四化工店买了硅酸钠和氢氧化钠（调节pH），便于偶尔在家里做实验。

而浓硫酸过于危险，就到实验室现用现拿。

实验仪器都比较常规，实验室里很容易找到。

我们主要的实验器材包括：

烧杯、止水夹、酒精灯、石棉网、燃烧垫、镊子、塑料滴管（一次性）、滤纸、试管等。

3总结以前的经验

首先需要介绍我们总结过后的上一学年积累的经验。

（重点在第四次实验）

第一次实验：

制作浓硅酸

目的：

制作出胶体状的浓硅酸

方法：

将浓硫酸加入半烧杯的硅酸钠中

实验分析：

显然，用滴入浓硫酸的方法是不能将全部硅酸钠凝结的，硅酸固体固封得非常致密。

而无色透明固体经碰撞后会形成白色固体，支离破碎，也不利于雕塑。

实验结论：

方法不能达到目的，需要使用其他办法。

第二次实验：

硅酸加热

目的：

探讨硅酸加热后是否适合雕塑

方法：

制好硅酸以后在酒精灯上持续加热

实验分析：

加热硅酸的办法仍不能达到目的，同时有两项暂不能解释的现象。

第三次实验：

硅酸盐的探究

目的：

探讨各种硅酸盐的颜色变化及在成胶时的应用可能。

方法：

向硅酸钠溶液中加入各种盐。

实验过程记录：

三价钴离子（Cl-）：

成胶，出现蓝色溶液和红色胶体

二价镍离子（Cl-）：

液体缓慢变紫，长成水中花园

一价银离子（硝酸根）：

分两层溶液，上层奶黄色，下层无色

实验分析：

镍盐的溶液颜色不美观。

钴盐、银盐的物理性质比较适合成胶时存在。

而钴盐会直接成胶，不利于控制。

偶然的发现

有一天上课，在不知不觉中装硅酸钠的瓶子倒向一边，溶液不断外流。

当我发现时，地上已经有大量的硅酸钠了。

下课后我立即把地拖干净，也就是让硅酸钠和水均匀地混在地面上。

等到第二天，发现地面已经干了，而且出现了表面光滑的硅酸固体！

我尝试着用外力或是氢氧化钠来除去，可是都没有什么效果。

我请教孟老师，她认为无法用化学方法来除去。

这件风波过去后，我不停地想，能不能用这样的方法来寻找合适的硅胶？

查阅与探究

我查阅了相关资料，资料表明是二氧化碳起了主要的作用，说明碳酸酸性比硅酸强。

静置足够长的时间，就能形成相当稳定的硅胶。

分析之后，我决定抛弃原有的制硅酸溶胶的方法，尝试这种新方法，因为它既简单，又有很好的效果：

自然成硅胶的表面十分光滑，也几乎是无色透明固体。

第四次试验：

自然成硅胶

目的：

制备自然成硅胶，检验能否雕刻。

方法：

将三层滤纸叠成小盒，倒入适量的硅酸钠原液，静置24小时。

实验过程记录：

24小时后观察现象，发现溶液表面已经全部变成无色透明固体，质地较有韧性，硬度很小。

固体下仍然是溶液状态。

用镊子轻轻弄碎一小片硅胶，发现固体不易碎，也不潮湿。

将其放在酒精灯上加热，发现固体逐渐变成粗孔白色易碎固体，透明固体部分内部有气泡活动，伴有滋滋爆裂声。

实验分析：

可以利用此现象来雕刻这种硅胶，方法即为热制。

具体机理尚且不明。

第五次试验：

制作成品

目的：

制作真正的硅胶工艺品

方法：

用烧红的金属工具接触自然成硅胶，烙下白色痕迹。

实验过程记录：

将锯条和铁钉烧至红热，贴在自然成硅胶表面。

重复多次。

烙好以后，撕去包裹的滤纸。

实验分析：

制作成功，达到目的，但有些细节仍需改进。

4落实制备工艺

4.1“蜡封”工艺

实验目标：

使纸张文字在依然清楚的情况下变得无法涂改，即一般的笔无法很好地再写清文字；提高其防火性能。

实验过程：

用刷子蘸取硅酸钠饱和溶液，轻轻而匀称地抹在纸张的每一处，待其稍干，再次涂抹，重复三次。

之后用浓盐酸产生氯化氢气流，使其与纸张充分接触，纸张表面积会发生成胶反应。

实验效果：

一般的自来水笔写上的文字模糊而易于辨认；与未“蜡封”纸张相比延长燃烧达10秒，且火焰小到只有火星。

4.2焊画图案

十分简单，用电烙铁（200度）在自然成硅胶上刻画，即可出现白色痕迹。

4.3雕塑模型

将自然成硅胶放到500度左右火焰上灼烧，即可使其发生可控制的形变。

4.4彩色硅胶

石蕊在成胶时会变成鲜亮的粉红色。

五、研究依靠的主要机理

一：

硅酸盐遇酸后结成透明无色均匀固体，搅拌后变成白色固体，质地似雪。

加热后，固体更为洁白，水蒸气从内部逸出，固体有许多窟窿。

烧干后，固体质地松脆，易成粉末。

二：

钴离子：

可得蓝色溶液或红色胶体。

镍离子：

溶液变紫，长出水中花园。

锰离子：

无明显现象。

银离子：

得淡奶黄色胶体。

三：

得到自然成硅胶后，加热会使其内部水分子成蒸汽逸出，固体由无色变成白色，质地似泡沫塑料。

六、讨论

1、解释和分析

硅酸溶胶在温度升高时，内部的水分子活性增强，有分离出去的趋势，所以固体会变成白色，同时质地也更松脆。

又由于硅酸缩合能力很强，所以刚结成固体的硅酸质地会很坚硬。

空气中的二氧化碳会与硅酸钠缓慢反应，这为自然成硅胶的性质做了很好的解释。

自然成硅胶表面光滑而质地坚硬，内部质地柔软而富有弹性。

带色硅酸主要是由于水合离子的作用。

2、规律与总结

经过三个阶段的实验，笔者对硅酸的发展方向有了一定的看法。

在溶液体系中的硅酸，由于离子过多，硅酸分子很难形成缩合的大长链结构，因此难以保持其物理结构的稳定性和可塑性。

不过，立刻成胶的性质可以用来表演许多很有趣的实验。

带色硅酸中的银盐可以作为工艺品的化学染色手段，因为其满足物理性质的稳定。

而自然成硅胶由于其与空气的接触面质地优良，物理性质稳定，加热后发生的变化也易于控制，能够成为热制工艺品的一个可行的方向，操作不繁琐，制作需求很少。

所以它应是目前较好的一种发展的途径。

3、创新点及今后的发展

研究的新意在于从易感受到、很贴近生活的角度出发，并不是通过很多理论知识或是高端的科技手段来建立研究，而通过一系列很容易入手的实验性试验，发现了一些宏观的变化，进而用之来解决问题。

这样就绕过了精密科学的微观探究，直截了当地奔向最终的目的地，利用随机性来很大地降低基础要求。

这种创造性的过程对于简单原创的艺术类效果的实现是很有效的。

作品的创新之处在于，抛弃市面上工业制作工艺品的方法，利用手工的方法进行原创和产品开发，简单而自由。

展望未来，硅酸作为工艺品的路最终也许还是更多地朝着有机硅胶的方向发展，原因在于有机材料更容易增强艺术品的触感、色彩表现力，塑性等。

硅酸由于其很易改变的物理性质和稳定的化学性质，必将在工业、医用界、艺术品等领域承担起更多的重任，为人们的生活带来更有影响力的改变。

七、结论

经过研究，可以确定，自然成硅胶的热制法能够作为一种较成熟的的艺术品手艺，制法可行度高，作品有一定的欣赏价值。

另外，带色的硅酸也易制成。

硅酸遇酸成胶的性质可以用来表演许多有趣的实验。

八、参考文献

《无机化学（下）》高等教育出版社非金属元素---硅一节

其他参考资料均来自于网络，其中多为公司的介绍网站，这里难以列及，请多包涵。

附录---硅胶图片

自然成硅胶↑

中途挤压过的自然成硅胶↑