金屬與鹽溶液反應(yīng)生成“銅樹銀花”的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

摘要：人教版教材中關(guān)于“鋁與硫酸銅溶液、銅與硝酸銀溶液”等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，存在現(xiàn)象不明顯等情況。結(jié)合文獻(xiàn)中一些改進(jìn)方案，借助宣紙等用品，對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，讓“銅樹銀花”完美呈現(xiàn)。改進(jìn)后的微型實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、易于推廣、有藝術(shù)趣味、觀賞效果好，學(xué)生在收獲實(shí)驗(yàn)成果的同時(shí)提升了學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心。關(guān)鍵詞：金屬與鹽溶液反應(yīng)；微型實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；銅樹銀花1功能與價(jià)值金屬與鹽溶液的反應(yīng)是人教版九年級(jí)《化學(xué)》下冊(cè)課題二“金屬的化學(xué)性質(zhì)”的重要內(nèi)容，通過此類反應(yīng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以判斷幾種常見金屬的活動(dòng)性順序，認(rèn)識(shí)置換反應(yīng)的特征。教材基于POE教學(xué)策略，將此類反應(yīng)設(shè)計(jì)成探究實(shí)驗(yàn)，以人教版九年級(jí)義務(wù)教育《化學(xué)》教材上冊(cè)探究“反應(yīng)前后物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系”［1］中“鐵釘放入硫酸銅溶液中”實(shí)驗(yàn)為例，通過觀察到鐵釘表面有紫紅色的銅產(chǎn)生的現(xiàn)象，說明鐵的金屬活動(dòng)性比銅強(qiáng)，以此推測(cè)探究“鋁、銅、銀的活動(dòng)性強(qiáng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論。該探究以定性研究為主，通過觀察“金屬與鹽溶液反應(yīng)”的現(xiàn)象進(jìn)行分析，由學(xué)生自己歸納得出置換反應(yīng)的特點(diǎn)，推斷出三種金屬的活動(dòng)性順序，培養(yǎng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。在探究的過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)是科學(xué)探究的重要手段，是學(xué)好化學(xué)的關(guān)鍵。2有關(guān)文獻(xiàn)研究的概述2.1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法人教版（2011版）九年級(jí)《化學(xué)》下冊(cè)第八單元課題二“金屬的化學(xué)性質(zhì)”中關(guān)于鋁與硫酸銅溶液、銅與硝酸銀溶液反應(yīng)的原理分別為：①2Al+3CuSO4Al2（SO4）3+3Cu；②Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag。對(duì)此教學(xué)內(nèi)容，教師常常將此類實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象總結(jié)為：（1）鋁表面有紫紅色固體生成，溶液由藍(lán)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{(lán)色［2］。對(duì)應(yīng)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(yīng)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(yīng)還生成了藍(lán)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(shí)驗(yàn)時(shí)，并不像預(yù)想的那樣出現(xiàn)銀白色固體，而是反應(yīng)速率很慢，一段時(shí)間后銅表面才開始產(chǎn)生黑色固體物質(zhì)，過了較長(zhǎng)時(shí)間才能看到銅絲下端有灰白色固體，之后底部慢慢長(zhǎng)出銀白色的針狀物，溶液始終沒有變?yōu)樗{(lán)色。實(shí)驗(yàn)結(jié)論和學(xué)生看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差距較大，顛覆了學(xué)生的認(rèn)知，使學(xué)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(xiàn)，梁紅宇老師認(rèn)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(rèn)為黑色固體可能是因?yàn)榉磻?yīng)生成的銀非常細(xì)小，對(duì)光散射或吸收，故為黑色；附著在銅絲表面的銀被氧化，呈現(xiàn)黑色；溶液中可能還有Cu2+、Cu（OH）2等干擾實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，銅絲表面的物質(zhì)成分較復(fù)雜［4］。2.2對(duì)一些改進(jìn)方案的綜述教材中銅與硝酸銀溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，容易操作，但實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生黑色固體，實(shí)驗(yàn)效果不佳，反應(yīng)速率慢、耗時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，硝酸銀溶液用量較大，浪費(fèi)藥品。同時(shí)，反應(yīng)生成的硝酸銅溶液和未反應(yīng)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(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)方案主要可分為以下四類：一是“加熱法”。實(shí)驗(yàn)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(shù)目及粗細(xì)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(shí)伸入兩支試管中［5］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面有灰白色固體生成，未經(jīng)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(gè)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(gè)瓶中注入2～3mL硫酸酸化的硝酸銀溶液，然后插入銅絲［7］。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)加入硫酸酸化的硝酸銀溶液的瓶中在半分鐘左右產(chǎn)生灰黑色固體，2min后灰黑色固體表面出現(xiàn)白色堆積物，由此得出：若銅與硝酸銀溶液反應(yīng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其他條件不變時(shí)，硝酸銀濃度越低，銅絲表面出現(xiàn)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(lán)［10］。四是“改變介質(zhì)法”。主要設(shè)計(jì)思路是把水為介質(zhì)改為下層瓊脂上層水介質(zhì)。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(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(xì)長(zhǎng)［12］。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，進(jìn)而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，筆者嘗試選用宣紙和玻璃片對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微型化改進(jìn)。以宣紙作為載體［13］，通過置換反應(yīng)生成的金屬晶體會(huì)沿著紙張的表面慢慢生長(zhǎng)，可以不借助任何儀器便可清晰地觀察到明顯的生長(zhǎng)過程。通過改進(jìn)，本實(shí)驗(yàn)具有簡(jiǎn)單易操作、現(xiàn)象明顯、速率快、藥品用量小等優(yōu)點(diǎn)。3改進(jìn)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jù)個(gè)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(xiàn)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(jù)個(gè)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(xiàn)象。3.3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(xiàn)灰白色固體，約5s開始產(chǎn)生銀白色的針狀物，并不斷地變長(zhǎng)。一段時(shí)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(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，且宣紙吸水性好，可以清晰看到金屬的生長(zhǎng)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(yīng)生成了金屬銀，反應(yīng)的方程式是Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(zhǎng)出一棵棵紅色“海草狀”的固體，溶液由藍(lán)色慢慢變?yōu)闇\綠色。鐵和硫酸銅溶液反應(yīng)生成了金屬銅，該反應(yīng)的方程式是Fe+CuSO4FeSO4+Cu，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見圖2。3.4注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若其中硝酸銀溶液中加入2滴左右的稀硫酸，效果會(huì)更好。（2）實(shí)驗(yàn)中也可以用濾紙代替宣紙，但使用宣紙的效果比濾紙好，因?yàn)樾埼詮?qiáng)，可以很好地顯現(xiàn)銀的金屬光澤，現(xiàn)象對(duì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣可以達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果，見圖3。4實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)（1）現(xiàn)象明顯。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)學(xué)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(shí)驗(yàn)僅需要3min左右。相比教材中的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，該方法操作簡(jiǎn)單，藥品用量小，更加便于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的開展。學(xué)生通過自己動(dòng)手操作，能更加全面地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過對(duì)比分析，加深了學(xué)科知識(shí)的理解，也提升了學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。（2）易于推廣。實(shí)驗(yàn)改進(jìn)并不是為了標(biāo)新立異，而是在傳承的基礎(chǔ)上創(chuàng)新，使實(shí)驗(yàn)更適用于常規(guī)教學(xué)。根據(jù)多次探索和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行反應(yīng)，達(dá)到一方法活用、一裝置多用的效果，可操作性強(qiáng)，具有較好的普適性和推廣價(jià)值。（3）有藝術(shù)趣味。實(shí)驗(yàn)中每位學(xué)生均可根據(jù)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(xué)反應(yīng)變得可視和美觀，提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的說服力。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中切實(shí)體會(huì)到了實(shí)驗(yàn)之美和化學(xué)之美，受到了一次良好的科學(xué)與藝術(shù)完美結(jié)合的美育教育。（4）觀賞效果好。應(yīng)用手機(jī)自帶的延遲攝像功能，學(xué)生可以將雪花狀的“銀花”和枝繁葉茂狀的“銅樹”的生長(zhǎng)過程記錄下來，方便反復(fù)觀看，使他們感受到了前所未有的視覺上的沖擊。學(xué)生在收獲實(shí)驗(yàn)成功果實(shí)的同時(shí)提升了學(xué)習(xí)化學(xué)的自信心。參考文獻(xiàn)：［1］［2］2018年中考化學(xué)大預(yù)測(cè)［J］.中學(xué)生數(shù)理化（中考版），2018，（8）：15.［3］［5］［6］金屬活動(dòng)性順序之銅與硝酸銀溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)［J］.中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2019，（2）：49～50.［4］［7］［8］Cu和AgNO3反應(yīng)生成的A