金属与盐溶液反应生成“铜树银花”的实验改进

摘要：人教版教材中关于“铝与硫酸铜溶液、铜与硝酸银溶液”等传统实验，存在现象不明显等情况。结合文献中一些改进方案，借助宣纸等用品，对教材实验进行改进，让“铜树银花”完美呈现。改进后的微型实验现象明显、易于推广、有艺术趣味、观赏效果好，学生在收获实验成果的同时提升了学习化学的自信心。关键词：金属与盐溶液反应；微型实验；实验改进；铜树银花1功能与价值金属与盐溶液的反应是人教版九年级《化学》下册课题二“金属的化学性质”的重要内容，通过此类反应的学习，学生可以判断几种常见金属的活动性顺序，认识置换反应的特征。教材基于POE教学策略，将此类反应设计成探究实验，以人教版九年级义务教育《化学》教材上册探究“反应前后物质的质量关系”［1］中“铁钉放入硫酸铜溶液中”实验为例，通过观察到铁钉表面有紫红色的铜产生的现象，说明铁的金属活动性比铜强，以此推测探究“铝、铜、银的活动性强弱”的方法。在三支试管中分别倒入等体积等浓度的硫酸铜溶液、硝酸银溶液和硫酸铝溶液，将打磨后的铝插入硫酸铜溶液中，打磨后的铜插入硝酸银溶液中，打磨后的铜插入硫酸铝溶液中，观察并记录实验现象，分析产生现象的原因，最后根据实验现象得出结论。该探究以定性研究为主，通过观察“金属与盐溶液反应”的现象进行分析，由学生自己归纳得出置换反应的特点，推断出三种金属的活动性顺序，培养学生观察实验、分析实验现象、归纳总结实验现象的能力。在探究的过程中培养学生的创新意识，深刻体会实验是科学探究的重要手段，是学好化学的关键。2有关文献研究的概述2.1传统实验方法人教版（2011版）九年级《化学》下册第八单元课题二“金属的化学性质”中关于铝与硫酸铜溶液、铜与硝酸银溶液反应的原理分别为：①2Al+3CuSO4Al2（SO4）3+3Cu；②Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag。对此教学内容，教师常常将此类实验的现象总结为：（1）铝表面有紫红色固体生成，溶液由蓝色变为无色；（2）铜丝表面生成银白色固体，溶液由无色变为蓝色［2］。对应的解释分别为：（1）铝置换出硫酸铜溶液中的铜，铜是紫红色固体，反应还生成了无色的硫酸铝溶液；（2）铜置换出硝酸银溶液中的银，银是银白色固体，反应还生成了蓝色的硝酸铜溶液。课堂上很多教师在演示铜浸入硝酸银溶液的实验时，并不像预想的那样出现银白色固体，而是反应速率很慢，一段时间后铜表面才开始产生黑色固体物质，过了较长时间才能看到铜丝下端有灰白色固体，之后底部慢慢长出银白色的针状物，溶液始终沒有变为蓝色。实验结论和学生看到的实验现象差距较大，颠覆了学生的认知，使学生感到很困惑，而教师也很难自圆其说。为此，笔者查阅了大量的文献，梁红宇老师认为可能是铜丝表面生成了一层浅灰色易脱落的疏松状的银（银部分被氧化）；黑色固体可能是溶液中的氧气将铜氧化成氧化铜［3］。田博文，刘怀乐老师认为黑色固体可能是因为反应生成的银非常细小，对光散射或吸收，故为黑色；附着在铜丝表面的银被氧化，呈现黑色；溶液中可能还有Cu2+、Cu（OH）2等干扰实验现象，铜丝表面的物质成分较复杂［4］。2.2对一些改进方案的综述教材中铜与硝酸银溶液反应实验方法简单，容易操作，但实验过程中会产生黑色固体，实验效果不佳，反应速率慢、耗时长，进行分组实验时，硝酸银溶液用量较大，浪费药品。同时，反应生成的硝酸铜溶液和未反应完全的硝酸银溶液无法回收，污染环境。因此有不少教师对该实验进行了改进。改进方案主要可分为以下四类：一是“加热法”。实验中，取两份等体积等浓度的硝酸银溶液于两支试管中，备好数目及粗细程度相同、打磨光亮的铜丝，将其中一支装有硝酸银溶液的试管在酒精灯上加热，使硝酸银溶液沸腾，移开酒精灯防止液体溅出，立即将两根铜丝同时伸入两支试管中［5］。实验发现煮沸的硝酸银溶液中铜丝表面有灰白色固体生成，未经煮沸的硝酸银溶液中铜丝表面呈黑色，由此得出：加热法可以减少黑色固体生成［6］。二是“加酸法”。在两个相同的容器中，注入相同体积（约40～50mL）0.5%～1.0%的硝酸银溶液，在其中一个瓶中注入2～3mL硫酸酸化的硝酸银溶液，然后插入铜丝［7］。实验发现加入硫酸酸化的硝酸银溶液的瓶中在半分钟左右产生灰黑色固体，2min后灰黑色固体表面出现白色堆积物，由此得出：若铜与硝酸银溶液反应的溶液中加入少量硫酸可以减少黑色固体生成［8］。三是“改变浓度法”。取相同大小的铜丝盘成螺旋状，分别插入不同浓度的硝酸银溶液中［9］。实验发现，其他条件不变时，硝酸银浓度越低，铜丝表面出现的黑色固体越多，溶液无明显变化；硝酸银浓度越高，银白色固体越多，溶液颜色越蓝［10］。四是“改变介质法”。主要设计思路是把水为介质改为下层琼脂上层水介质。首先制取琼脂凝胶，将饱和硝酸银溶液倒入琼脂固体上，放置10min，此时上层为硝酸银溶液，下层为硝酸银琼脂凝胶，再放入打磨过的铜片［11］。实验发现，其他条件不变，20min后观察到有银析出，浓度越大，析出的银分支越少，越粗短；浓度越小，析出的银分支越多，越细长［12］。为了调动学生的积极性，进而增强学生学习化学的兴趣，笔者尝试选用宣纸和玻璃片对实验进行微型化改进。以宣纸作为载体［13］，通过置换反应生成的金属晶体会沿着纸张的表面慢慢生长，可以不借助任何仪器便可清晰地观察到明显的生长过程。通过改进，本实验具有简单易操作、现象明显、速率快、药品用量小等优点。3改进实验方案3.1仪器与试剂玻璃片（或培养皿）、宣纸（黑色和白色）、镊子、砂纸、胶头滴管、剪刀铜丝、铁丝、5%硫酸铜溶液、新配制的10%硝酸银溶液、稀硫酸3.2实验步骤（1）“雪花状银花”的制作过程：将黑色宣纸剪成小正方形放在玻璃片上，用砂纸打磨铜丝表面至光亮且发热，将铜丝（可以根据个人喜好折成各种形状）放在宣纸上，并在其表面滴几滴硝酸银溶液，观察现象。（2）“枝繁叶茂状铜树”的制作过程：将白色宣纸剪成小正方形放在玻璃片上，用砂纸打磨铁丝表面至光亮且发热，将铁丝（可以根据个人喜好折成各种形状）放在宣纸上，并在其表面滴几滴硫酸铜溶液，观察现象。3.3实验现象及解释（1）红色的铜丝表面滴几滴硝酸银溶液后，便立刻出现灰白色固体，约5s开始产生银白色的针状物，并不断地变长。一段时间后，白色的针状物变得更加洁白（在玻璃片上面放一小片黑色宣纸作为背景，方便学生观察实验，且宣纸吸水性好，可以清晰看到金属的生长过程）。约1h后宣纸表面变干，纸上留下一棵棵白色的针状物，好似一朵朵雪花，铜和硝酸银溶液反应生成了金属银，反应的方程式是Cu+2AgNO3Cu（NO3）2+2Ag，实验现象见图1。（2）银白色的铁丝表面滴几滴硫酸铜溶液后，其表面瞬间变红，之后开始慢慢长出一棵棵红色“海草状”的固体，溶液由蓝色慢慢变为浅绿色。铁和硫酸铜溶液反应生成了金属铜，该反应的方程式是Fe+CuSO4FeSO4+Cu，实验现象见图2。3.4注意事项（1）实验中需将蒸馏水煮沸后配制新的硝酸银溶液和硫酸铜溶液进行实验，若其中硝酸银溶液中加入2滴左右的稀硫酸，效果会更好。（2）实验中也可以用滤纸代替宣纸，但使用宣纸的效果比滤纸好，因为宣纸吸水性强，可以很好地显现银的金属光泽，现象对比也更加鲜明。（3）如果没有宣纸，也可以直接在培养皿中进行实验，同样可以达到较好的实验效果，见图3。4实验评价（1）现象明显。实验中，当学生将药品滴入宣纸后，很快就可以观察到固体表面的变化情况，完成一次实验仅需要3min左右。相比教材中的传统实验，该方法操作简单，药品用量小，更加便于学生分组实验的开展。学生通过自己动手操作，能更加全面地观察实验现象，通过对比分析，加深了学科知识的理解，也提升了学习化学的兴趣。（2）易于推广。实验改进并不是为了标新立异，而是在传承的基础上创新，使实验更适用于常规教学。根据多次探索和实践，发现本实验还可以用于铝箔、锌粒、铁丝等生活中常见的金属和硫酸铜溶液、硝酸银溶液进行反应，达到一方法活用、一装置多用的效果，可操作性强，具有较好的普适性和推广价值。（3）有艺术趣味。实验中每位学生均可根据自己的喜好，发挥创意，制作出不同形状的“银花”和“铜树”。将某些变化不明显的化学反应变得可视和美观，提高了实验的趣味性，也增强了实验的说服力。学生在实验探究过程中切实体会到了实验之美和化学之美，受到了一次良好的科学与艺术完美结合的美育教育。（4）观赏效果好。应用手机自带的延迟摄像功能，学生可以将雪花状的“银花”和枝繁叶茂状的“铜树”的生长过程记录下来，方便反复观看，使他们感受到了前所未有的视觉上的冲击。学生在收获实验成功果实的同时提升了学习化学的自信心。参考文献：［1］［2］2018年中考化学大预测［J］.中学生数理化（中考版），2018，（8）：15.［3］［5］［6］金属活动性顺序之铜与硝酸银溶液反应的实验改进［J］.中小学实验与装备，2019，（2）：49～50.［4］［7］［8］Cu和AgNO3反应生成的A