Данная работа посвящена исследованию такого способа художественного декорирования металлических поверхностей, как электрохимическая гравировка, выполненная гальваническим методом. В исследовательской работе экспериментально изучена химическая реакция «электрохимическое травление металла». Исследован материал, что такое электрический ток, рассмотрена польза и вред электрического тока в жизни человека.
Автора интересует гипотеза: если мы изучим химические и физические свойства электрического тока, то сможем получить рисунок на металлической поверхности.
Основное содержание исследования посвящено изучению химической реакции — «электрохимическое травление металла» и химическому эксперименту. В результате данной работы автор пришел к выводу: в ходе изучения теоретического материала по теме и проведения химического эксперимента выяснилось следующее: под воздействием электрического тока в солевом растворе незащищенная поверхность металла начинает разрушаться. Если металл покрыть спиртовым лаком, нанести узор карандашом или другим острым предметом на поверхность металла, затем поместить металл в солевой раствор, подключить электричество, то в результате опыта на незащищенной поверхности образуется ржавый нарост. После изъятия металла из жидкости и удаления ржавчины, видны канавки углубления. Нанесенный узор не только визуализирован, но еще и тактильно ощутим.
В качестве ключевого доказательства исследования используются методы: химический эксперимент, изучение научной литературы.
Автором изучены научные труды исследователей Г. Гуревича, С. Каневского, Н. И. Кисиленко, В. Н. Парусникова, К. Джоанна, В. И. Малова.
План исследования
Актуальность
У моего дедушки есть хобби: он занимается изготовлением декоративных ножей, топоров, украшений, медальонов из металла. На гладкой поверхности металлических изделий он рисует животных, картины природы или просто красивые узоры (приложение 1). Для создания рисунка он использует:
1) пантограф (приложение 2), который позволяет работать с любым металлом, однако приходится дополнительно изучать тонкости применения техники для разных сплавов, так как сильный нажим может испортить рисунок на мягкой поверхности изделия;
2) гальванический способ, для которого используют следующие элементы: гальваническая батарея; специальная пленка; соли свинца; ортофосфорная или серная кислота. Метод заключается в помещении изделия в гальваническую ванну со специальным травильным раствором. В электролит добавляют реагенты, которые предотвращают перетравливание поверхности. В результате отделения оксидной пленки от металла образуется необходимый рисунок. Контуры его более ровные и четкие в сравнении с другими химическими технологиями.
Я тоже попробовал нарисовать на металле, но у меня не получилось сделать такой рисунок, т. к. управлять пантографом очень сложно, а гальванический способ, который использует дедушка, опасен, поскольку в процессе работы используются опасные вещества (серная кислота), а в ходе реакции выделяются ядовитые пары.
Мне стало интересно, как я могу научиться рисовать на металле? С этим вопросом я обратился сначала к дедушке, а он мне сказал, что существуют другие способы и предложил обратиться к Интернет — источникам.
Оказалась, существуют способы получения рисунка на металлической поверхности, где нет необходимости использовать специализированное оборудование и опасные вещества, такие как, например, серная кислота.
В интернете я узнал, что обычная пищевая соль, вода, гвоздь и электрический ток могут помочь решить мой вопрос.
Самую большую роль в электрохимической реакции играет электрический ток. Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Если мы имеем дело с металлом, то заряженные частицы — это электроны.
Пищевая соль — это своеобразный электролит для возникновения замкнутой электрической цепи.
Если опустить в электролит 2 электрода (один заряжен «+», другой заряжен «-»), начнут выделяться вещества, входящие в состав электролита. А если к электродам присоединить металлические пластинки, то пластинка, которая присоединена к отрицательному электроду начнет разъедать пластинку, присоединенную к положительному электроду. Соответственно, электрический ток и электролит создают благоприятную среду для разложения металла (коррозии).
Воспользовавшись этими знаниями, можно защитить спиртовым лаком ту поверхность металла, которую вы бы не хотели разрушать, а те линии, которые хотели бы выделить, защищать лаком не нужно. Незащищенный металл будет подвержен коррозии, после ее удаления, можно обнаружить разъеденную незащищенную поверхность металла.
Задачи :
- Изучить теоретический материал по теме;
- Выяснить, что такое электрический ток, рассмотреть какую пользу и вред приносит электрический ток человеку;
- Изучить, что такое травление металла;
- Провести химический эксперимент — электрохимическое травление металла; получить рисунок на металле;
- Проанализировать полученные результаты и сделать соответствующие выводы.
Гипотеза нашей работы: если мы изучим химические и физические свойства электрического тока, то сможем получить рисунок на металлической поверхности.
В ходе работы мы использовали следующие методы :
1) изучение литературы;
2) химический эксперимент;
3) сопоставление и анализ полученных фактов и сведений;
4) Описание результатов.
Новизна проекта: экспериментальноизучена электрохимическая реакция «электрохимическое травление металла».
Теоретическая и практическая значимость данной работы. Результаты данной работы могут представлять интерес, как в теоретическом, так и в практическом плане. Содержание данного исследования может быть использовано мастерами декоративного творчества по металлу, мастерами ювелирных дел.
Научная статья
Глава I . Электричество
1.1. Электрический ток
Побывав в школьной библиотеке и изучив литературу, я узнал, что знания о таком явлении как электричество были у людей уже много тысяч лет назад. Ведь ещё древний человек заметил удивительное свойство натертой янтарём шерсти притягивать нитки, пыль и другие мелкие предметы.
Я узнал, что древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря. Этот камень они называли за его цвет и блеск «электрон», что значит «солнечный камень». О том, что янтарь мог электризоваться знали давно. Впервые исследованием этого явления занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский.
Об этом есть даже легенда (приложение 3).
Гораздо позже данное свойство было замечено и за другими веществами, такими как сера, сургуч и стекло. И по причине того, что «янтарь» по-гречески звучал как «электрон», эти свойства начали называться электрическими. И лишь немногим более ста лет назад люди научились использовать электрические силы природы, заставили электричество служить себе. Но уж когда выяснилось, что в нём к чему, люди так крепко «запрягли» его, так приспособили, что всего за двести лет изменили с его помощью облик всей своей жизни. Электротехника, электроника, электроэнергия, электровоз, электросварка, электростанция, электромузыкальные инструменты. Наша жизнь немыслима без электричества.
Электричество — это одна из форм энергии. Оно вырабатывается, например, в батарейках, но главный его источник — электростанции, откуда оно поступает в наши дома по толстым проводам, или кабелям.
Попробуй представить себе, как течет вода в реке. Точно так же движется по проводам электричество. Вот почему электричество называется электрическим током.
1.2. Польза и вред электрического тока
Что такое электрический ток знает каждый школьник. Более того, современную жизнь просто невозможно представить без использования электрической энергии. Электрический ток дарит нам и свет (электрические лампы), и тепло (электронагревательные приборы). В своей жизни мы используем самые разные электротехнические устройства, которые делают ее комфортнее (телевизор, радиоприёмник, телефон, стиральная машина, пылесос и так далее). Промышленность просто перестала бы существовать, если бы не было электричества. Однако, при всей той пользе, которую несет в себе использование электрического тока, он вместе с тем содержит в себе и опасность.
Электрический ток может оказать на человеческий организм негативное воздействие:
1) Механическое: электрический ток приводит к сильному и резкому сокращению мышц вплоть до их разрыва.
2) Термическое: температурный нагрев тканей организма (ожог) вызывает функциональное расстройство органов.
3) Электролитическое: физико-химические процессы электролиза, происходящие под действием электрического тока в живых тканях, приводят к нарушению баланса.
4) Световое: вспышки света и ультрафиолетовое излучение, созданное электрическим током приводят к негативному воздействию на глаза.
5) Биологическое: действие электрического тока может привести к раздражению и перевозбуждению нервной системы человека.
1.3. Травление металла
Процедура травления уже много лет применяется в металлообработке. Она представляет собой обработку металлических поверхностей с помощью химических средств и электричества. В ходе процедуры мастер удаляет слой металла и таким образом создает специфический узор на конкретном изделии.
Травление металла — это удаление поверхностного слоя материала с металлической заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов.
Основные виды травления металла:
1) химическое травление металла — «жидкое» травление;
2) электрохимическое травление;
3) ионно-плазменное — «сухое» травление.
Травление можно производить двумя разными способами. Первый предполагает полное погружение металла в емкость с электролизом. Второй вариант это точечное нанесение кислотного состава на конкретные участки поверхности с помощью ватного тампона. В обычных условиях изделие погружается в раствор на десять, пятнадцать минут.
Метод электрохимического травления. Определенные виды металлов (например, нержавеющая сталь), которые обладают высокой стойкостью к воздействию кислоты. Поэтому для обработки таких металлов в домашних условиях применяется электрохимическое травление.
Чтобы провести травление электрохимическим способом понадобится: пластмассовая ванная наполненная электролитом, клеммы, провода, а также источник электричества, передающий постоянный ток. Также следует помнить, что процесс реакции происходит чрезвычайно бурно, и поэтому используем емкость с большим объемом. Само травление обычно занимает от нескольких минут до получаса. При этом мастеру нужно периодически проверять изделие, чтобы состав не разъел металл, больше чем это требуется. Схема подключения при травлении металла выглядит следующим образом, в раствор электролиза погружается медная пластина, по которой подается ток. Как показывает практика, метод эффективен.
II . Электрохимический эксперимент
2.1. Подготовка к экспериментальной деятельности
Прежде чем приступить к эксперименту, необходимо повторить технику безопасности (Приложение 4).
Травление металла в домашних условиях это достаточно простая процедура, которая не требует от человека особых навыков. Но для того чтобы произвести успешное травление нужно подготовить некоторые предметы и оборудование.
1) Емкость из стекла или пластика. Только такие материалы могут выдержать химическую реакцию, которая сопровождает процедуру, а также способны противостоять кислотной среде.
2) Соль поваренная. Это вещество чаще всего используется для создания электролиза.
3) Медная пластина. Они играет роль клеммы, которая распространяет ток внутри емкости.
4) Источник энергии. В качестве него может использоваться зарядка для телефона.
5) Провода для соединения клемм и зарядного устройства.
2.2. Этапы проведения эксперимента
1. Подготовка оборудования (приложение 5)
2. Покрытие металлического изделия спиртовым лаком (приложение 6)
3. Нанесение рисунка (приложение 7)
4. Приготовление солевого раствора (приложение 8)
5. Помещение металлического изделия в раствор, установка оборудования для травления (приложение 9)
6. Подключение к электричеству (приложение 10)
7. Реакция (приложение 11)
8. Отключение от электричества и изъятие из раствора металлического предмета (приложение 12)
10. Удаление лака специализированной жидкостью, удаление, ржавого нароста
11. Шлифовка металлического предмета.
Выводы:
- Электрический ток — это упорядоченное движение положительно или отрицательно заряженных частиц.
- Современную жизнь просто невозможно представить без использования электрической энергии. Электрический ток дарит нам и свет (электрические лампы), и тепло (электронагревательные приборы). В своей жизни мы используем самые разные электротехнические устройства, которые делают ее комфортнее (телевизор, радиоприёмник, телефон, стиральная машина, пылесос и так далее). Промышленность просто перестала бы существовать, если бы не было электричества. Однако, при всей той пользе, которую несет в себе использование электрического тока, он вместе с тем содержит в себе и опасность. Давайте попробуем разобраться, что нужно учитывать, чтобы это использование было безопасным.
- Негативное воздействие электрического тока:
1) Механическое: электрический ток приводит к сильному и резкому сокращению мышц вплоть до их разрыва.
2) Термическое: температурный нагрев тканей организма (ожог) вызывает функциональное расстройство органов.
3) Электролитическое: физико-химические процессы электролиза, происходящие под действием электрического тока в живых тканях, приводят к нарушению баланса.
4) Световое: вспышки света и ультрафиолетовое излучение, созданное электрическим током приводят к негативному воздействию на глаза.
5) Биологическое: действие электрического тока может привести к раздражению и перевозбуждению нервной системы человека.
- В результате химического эксперимента мы узнали следующее: под воздействием электрического тока в солевом растворе незащищенная поверхность металла начинает разрушаться. Если металл покрыть спиртовым лаком, нанести узор карандашом или другим острым предметом на поверхность металла, затем поместить металл в солевой раствор, подключить электричество, то в результате опыта на незащищенной поверхности образуется ржавый нарост. После изъятия металла из жидкости и удаления ржавчины, видны канавки углубления, узор, нанесенный нами не только визуализирован, но еще и тактильно ощутим.
- Электрический ток может быть использован при создании рисунков на металле; электрическим током можно рисовать на металле.
Приложение
Литература:
- Гуревич Г., Каневский С. Электрический ток в различных средах Теория / Г. Гуревич, С. Каневский. — Москва: Наука, 2017. — 724 c.
- Кисиленко Н. И., Парусников В. Н. Электрохимическое травление, полирование и оксидирование танталовой проволоки. — В кн.: Электронная техника. М., 2018 сер. 6, вып. 1, с. 51–57.
- Коул Джоана «Волшебный школьный автобус». Издательство: Карьера Пресс, 2016 г.
- Малов В. И. «Всё на свете знают дети». Издательство: Аванта, 2018 г.
