金屬與鹽溶液反應生成“銅樹銀花”的實驗改進

摘要：人教版教材中關于“鋁與硫酸銅溶液、銅與硝酸銀溶液”等傳統實驗，存在現象不明顯等情況。結合文獻中一些改進方案，借助宣紙等用品，對教材實驗進行改進，讓“銅樹銀花”完美呈現。改進后的微型實驗現象明顯、易于推廣、有藝術趣味、觀賞效果好，學生在收獲實驗成果的同時提升了學習化學的自信心。關鍵詞：金屬與鹽溶液反應；微型實驗；實驗改進；銅樹銀花1功能與價值金屬與鹽溶液的反應是人教版九年級《化學》下冊課題二“金屬的化學性質”的重要內容，通過此類反應的學習，學生可以判斷幾種常見金屬的活動性順序，認識置換反應的特征。教材基于POE教學策略，將此類反應設計成探究實驗，以人教版九年級義務教育《化學》教材上冊探究“反應前后物質的質量關系”［1］中“鐵釘放入硫酸銅溶液中”實驗為例，通過觀察到鐵釘表面有紫紅色的銅產生的現象，說明鐵的金屬活動性比銅強，以此推測探究“鋁、銅、銀的活動性強弱”的方法。在三支試管中分別倒入等體積等濃度的硫酸銅溶液、硝酸銀溶液和硫酸鋁溶液，將打磨后的鋁插入硫酸銅溶液中，打磨后的銅插入硝酸銀溶液中，打磨后的銅插入硫酸鋁溶液中，觀察并記錄實驗現象，分析產生現象的原因，最后根據實驗現象得出結論。該探究以定性研究為主，通過觀察“金屬與鹽溶液反應”的現象進行分析，由學生自己歸納得出置換反應的特點，推斷出三種金屬的活動性順序，培養(yǎng)學生觀察實驗、分析實驗現象、歸納總結實驗現象的能力。在探究的過程中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，深刻體會實驗是科學探究的重要手段，是學好化學的關鍵。2有關文獻研究的概述2.1傳統實驗方法人教版（2011版）九年級《化學》下冊第八單元課題二“金屬的化學性質”中關于鋁與硫酸銅溶液、銅與硝酸銀溶液反應的原理分別為：①2Al+3CuSO4Al2（SO4）3+3Cu；②Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag。對此教學內容，教師常常將此類實驗的現象總結為：（1）鋁表面有紫紅色固體生成，溶液由藍色變?yōu)闊o色；（2）銅絲表面生成銀白色固體，溶液由無色變?yōu)樗{色［2］。對應的解釋分別為：（1）鋁置換出硫酸銅溶液中的銅，銅是紫紅色固體，反應還生成了無色的硫酸鋁溶液；（2）銅置換出硝酸銀溶液中的銀，銀是銀白色固體，反應還生成了藍色的硝酸銅溶液。課堂上很多教師在演示銅浸入硝酸銀溶液的實驗時，并不像預想的那樣出現銀白色固體，而是反應速率很慢，一段時間后銅表面才開始產生黑色固體物質，過了較長時間才能看到銅絲下端有灰白色固體，之后底部慢慢長出銀白色的針狀物，溶液始終沒有變?yōu)樗{色。實驗結論和學生看到的實驗現象差距較大，顛覆了學生的認知，使學生感到很困惑，而教師也很難自圓其說。為此，筆者查閱了大量的文獻，梁紅宇老師認為可能是銅絲表面生成了一層淺灰色易脫落的疏松狀的銀（銀部分被氧化）；黑色固體可能是溶液中的氧氣將銅氧化成氧化銅［3］。田博文，劉懷樂老師認為黑色固體可能是因為反應生成的銀非常細小，對光散射或吸收，故為黑色；附著在銅絲表面的銀被氧化，呈現黑色；溶液中可能還有Cu2+、Cu（OH）2等干擾實驗現象，銅絲表面的物質成分較復雜［4］。2.2對一些改進方案的綜述教材中銅與硝酸銀溶液反應實驗方法簡單，容易操作，但實驗過程中會產生黑色固體，實驗效果不佳，反應速率慢、耗時長，進行分組實驗時，硝酸銀溶液用量較大，浪費藥品。同時，反應生成的硝酸銅溶液和未反應完全的硝酸銀溶液無法回收，污染環(huán)境。因此有不少教師對該實驗進行了改進。改進方案主要可分為以下四類：一是“加熱法”。實驗中，取兩份等體積等濃度的硝酸銀溶液于兩支試管中，備好數目及粗細程度相同、打磨光亮的銅絲，將其中一支裝有硝酸銀溶液的試管在酒精燈上加熱，使硝酸銀溶液沸騰，移開酒精燈防止液體濺出，立即將兩根銅絲同時伸入兩支試管中［5］。實驗發(fā)現煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面有灰白色固體生成，未經煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面呈黑色，由此得出：加熱法可以減少黑色固體生成［6］。二是“加酸法”。在兩個相同的容器中，注入相同體積（約40～50mL）0.5%～1.0%的硝酸銀溶液，在其中一個瓶中注入2～3mL硫酸酸化的硝酸銀溶液，然后插入銅絲［7］。實驗發(fā)現加入硫酸酸化的硝酸銀溶液的瓶中在半分鐘左右產生灰黑色固體，2min后灰黑色固體表面出現白色堆積物，由此得出：若銅與硝酸銀溶液反應的溶液中加入少量硫酸可以減少黑色固體生成［8］。三是“改變濃度法”。取相同大小的銅絲盤成螺旋狀，分別插入不同濃度的硝酸銀溶液中［9］。實驗發(fā)現，其他條件不變時，硝酸銀濃度越低，銅絲表面出現的黑色固體越多，溶液無明顯變化；硝酸銀濃度越高，銀白色固體越多，溶液顏色越藍［10］。四是“改變介質法”。主要設計思路是把水為介質改為下層瓊脂上層水介質。首先制取瓊脂凝膠，將飽和硝酸銀溶液倒入瓊脂固體上，放置10min，此時上層為硝酸銀溶液，下層為硝酸銀瓊脂凝膠，再放入打磨過的銅片［11］。實驗發(fā)現，其他條件不變，20min后觀察到有銀析出，濃度越大，析出的銀分支越少，越粗短；濃度越小，析出的銀分支越多，越細長［12］。為了調動學生的積極性，進而增強學生學習化學的興趣，筆者嘗試選用宣紙和玻璃片對實驗進行微型化改進。以宣紙作為載體［13］，通過置換反應生成的金屬晶體會沿著紙張的表面慢慢生長，可以不借助任何儀器便可清晰地觀察到明顯的生長過程。通過改進，本實驗具有簡單易操作、現象明顯、速率快、藥品用量小等優(yōu)點。3改進實驗方案3.1儀器與試劑玻璃片（或培養(yǎng)皿）、宣紙（黑色和白色）、鑷子、砂紙、膠頭滴管、剪刀銅絲、鐵絲、5%硫酸銅溶液、新配制的10%硝酸銀溶液、稀硫酸3.2實驗步驟（1）“雪花狀銀花”的制作過程：將黑色宣紙剪成小正方形放在玻璃片上，用砂紙打磨銅絲表面至光亮且發(fā)熱，將銅絲（可以根據個人喜好折成各種形狀）放在宣紙上，并在其表面滴幾滴硝酸銀溶液，觀察現象。（2）“枝繁葉茂狀銅樹”的制作過程：將白色宣紙剪成小正方形放在玻璃片上，用砂紙打磨鐵絲表面至光亮且發(fā)熱，將鐵絲（可以根據個人喜好折成各種形狀）放在宣紙上，并在其表面滴幾滴硫酸銅溶液，觀察現象。3.3實驗現象及解釋（1）紅色的銅絲表面滴幾滴硝酸銀溶液后，便立刻出現灰白色固體，約5s開始產生銀白色的針狀物，并不斷地變長。一段時間后，白色的針狀物變得更加潔白（在玻璃片上面放一小片黑色宣紙作為背景，方便學生觀察實驗，且宣紙吸水性好，可以清晰看到金屬的生長過程）。約1h后宣紙表面變干，紙上留下一棵棵白色的針狀物，好似一朵朵雪花，銅和硝酸銀溶液反應生成了金屬銀，反應的方程式是Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag，實驗現象見圖1。（2）銀白色的鐵絲表面滴幾滴硫酸銅溶液后，其表面瞬間變紅，之后開始慢慢長出一棵棵紅色“海草狀”的固體，溶液由藍色慢慢變?yōu)闇\綠色。鐵和硫酸銅溶液反應生成了金屬銅，該反應的方程式是Fe+CuSO4FeSO4+Cu，實驗現象見圖2。3.4注意事項（1）實驗中需將蒸餾水煮沸后配制新的硝酸銀溶液和硫酸銅溶液進行實驗，若其中硝酸銀溶液中加入2滴左右的稀硫酸，效果會更好。（2）實驗中也可以用濾紙代替宣紙，但使用宣紙的效果比濾紙好，因為宣紙吸水性強，可以很好地顯現銀的金屬光澤，現象對比也更加鮮明。（3）如果沒有宣紙，也可以直接在培養(yǎng)皿中進行實驗，同樣可以達到較好的實驗效果，見圖3。4實驗評價（1）現象明顯。實驗中，當學生將藥品滴入宣紙后，很快就可以觀察到固體表面的變化情況，完成一次實驗僅需要3min左右。相比教材中的傳統實驗，該方法操作簡單，藥品用量小，更加便于學生分組實驗的開展。學生通過自己動手操作，能更加全面地觀察實驗現象，通過對比分析，加深了學科知識的理解，也提升了學習化學的興趣。（2）易于推廣。實驗改進并不是為了標新立異，而是在傳承的基礎上創(chuàng)新，使實驗更適用于常規(guī)教學。根據多次探索和實踐，發(fā)現本實驗還可以用于鋁箔、鋅粒、鐵絲等生活中常見的金屬和硫酸銅溶液、硝酸銀溶液進行反應，達到一方法活用、一裝置多用的效果，可操作性強，具有較好的普適性和推廣價值。（3）有藝術趣味。實驗中每位學生均可根據自己的喜好，發(fā)揮創(chuàng)意，制作出不同形狀的“銀花”和“銅樹”。將某些變化不明顯的化學反應變得可視和美觀，提高了實驗的趣味性，也增強了實驗的說服力。學生在實驗探究過程中切實體會到了實驗之美和化學之美，受到了一次良好的科學與藝術完美結合的美育教育。（4）觀賞效果好。應用手機自帶的延遲攝像功能，學生可以將雪花狀的“銀花”和枝繁葉茂狀的“銅樹”的生長過程記錄下來，方便反復觀看，使他們感受到了前所未有的視覺上的沖擊。學生在收獲實驗成功果實的同時提升了學習化學的自信心。參考文獻：［1］［2］2018年中考化學大預測［J］.中學生數理化（中考版），2018，（8）：15.［3］［5］［6］金屬活動性順序之銅與硝酸銀溶液反應的實驗改進［J］.中小學實驗與裝備，2019，（2）：49～50.［4］［7］［8］Cu和AgNO3反應生成的A