“银树镀铜”微科技项目的设计与教学

凌一洲 陈静 陈鹏文 程鹏

摘要： 江苏省微科技课程基地开展的创新实践项目，具有小切口、低成本、易开发、有价值的特点，指向化学核心素养的培育，适合更普遍的中学生。在“银树镀铜”项目探究中，以“银树镀铜”现象为选题，多次提出假设并设计实验验证，确定了生成物的成分，解释了异常现象产生的原因，构建了反应的原电池模型，化解了认知冲突。

关键词： 核心素养; 微科技项目; 原电池; 银树镀铜; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）11-0070-03中图分类号： G633.8文献标识码： B

2013年，江苏省南菁高级中学开始微科技课程的探索实践;2017年，学校被省教育厅命名为江苏省微科技课程基地。依托基地开展的微科技项目，是指在教师指导下，由学生完成的小切口、低成本、易开发、有价值的创新实践项目。

化学微科技项目主要以实验为选题，指向化学学科核心素养的培育。项目不照搬陈旧的选题，而是从现实中直接发现和提出;没有现成的实验方案，要根据探究目的自行设计并优化;无法提前预知结论，要学生提出可能的假设，在实验中收集证据、解释证据。笔者以“银树镀铜”实验项目为例，原汁原味地展示微科技项目层层深入的探究过程。

1 项目选题

以下是一个趣味实验： 在浸有硫酸銅溶液的滤纸上放一片锌片，可发生置换反应，生成向四周扩散的树枝状的铜单质（铜树）[1]。

笔者用类似的方法制作银树： 在浸有0.5mol/L硝酸银溶液的滤纸上放一片铜片，再在滤纸表面覆盖一层塑料膜（防止溶液蒸发）并避光保存。反应几分钟后，滤纸上生成银白色树枝状物质（银树），且银树周围溶液变蓝。

实验结束后，笔者将反应装置留下，过了两三天再来处理，却有了意外发现： 见图1，铜片上生长出的银树从银白色变成了红色（图1左图），在显微镜放大下更为明显（图1右图）。

这与笔者的预期不符，是个异常现象。笔者重做了实验，发现现象可以重复，而非偶然。虽然检索了文献，但未发现相关报道。出于好奇，笔者将其作为微科技项目的选题，做了如下探究。

2 项目探究一

2.1 探究目的

探究滤纸上生成的红色树枝状物质的成分。

2.2 探究过程

分析： 由颜色判断，树枝状物质表面是铜，但内部物质无法确定。

猜测： （1）树枝状物质可能是实心铜树;（2）树枝状物质可能是银树镀铜。

验证： 树枝状物质内部成分决定了整体形状，因此笔者分别在滤纸上制作了铜树和银树，然后在显微镜下观察形状，并与未知树枝状物质对比。

结果： 未知树枝状物质的形状与银树一致。

2.3 探究结论

滤纸上生成的红色树枝状物质的成分是银树镀铜。

3 项目探究二

3.1 探究目的

探究银树上生成铜镀层的原因。

3.2 探究过程

分析： 按照常规的理解，铜与硝酸银反应只生成银和硝酸铜，生成的银单质表面不会再生成铜。这个异常现象可能是受杂质干扰造成的。

猜测： 铜片含有铁等（更活泼的金属）杂质，与硝酸铜反应生成铜单质。

验证： 剪下一小块铜片和铁片，用胶带粘连，放入硝酸银溶液中，观察现象。

结果： 铜片和铁片上同时生成银单质，且铁片上生成银单质的速率快。

3.3 探究结论

即使铜片含有铁等杂质，也应该是杂质先与硝酸银反应，不会形成银树镀铜的现象，故猜测不成立。探究目的没有达到。

4 项目探究三

4.1 探究目的

改变猜想，重新验证，继续探究银树上生成铜镀层的原因。

4.2 探究过程

分析： 原反应体系中存在铜、银、硝酸铜、硝酸银等物质，但不一定都参与了镀铜的反应。如果能排除多余条件的干扰，就更容易探究反应的本质。

猜测： 只有铜、银、硝酸铜（铜离子）才与镀铜反应有关。

验证： 剪下长条状的铜片，将其一半浸入硝酸银溶液中约5分钟，使铜片一半镀银。取出铜片后，先在蒸馏水中洗去硝酸银残留，再放入0.5mol/L硝酸铜溶液中，观察银镀层表面现象。

结果： 铜片镀银时，银镀层呈灰黑色。浸入硝酸铜（或硫酸铜）溶液后，银镀层表面没有红色物质生成。

4.3 探究结论

银镀层颜色发黑说明本身就比较粗糙，所以即使生成了铜镀层，其颜色也可能是黑色的。本次实验既无法验证猜测，也无法推翻猜测，探究的目的没有达到。

5 项目探究四

5.1 探究目的

重新设计方案，再次验证“项目探究三”中的猜想，继续探究银树上生成铜镀层的原因。

5.2 探究过程

分析： 将反应过程继续抽象，可以把银镀层直接换成表面光滑平整的银片。

验证： 剪下一小块铜片和银片，用胶带粘连，完全浸没在0.5mol/L硝酸铜溶液中，观察现象（由于常温下反应较慢，可以用电磁炉加热至约80℃）。

结果： 如果不加热，1小时后银片边缘会微微泛红，铜片表面失去光泽。如果加热，15min后银片表面就会变红。

5.3 探究结论

由于铜片、银片、硝酸铜（铜离子）两两之间都无法反应，所以镀铜的反应是三者共同作用的结果。铜片与银片相互接触时，可以与硝酸铜溶液反应，在银片上生成铜镀层（与原本的异常现象吻合）。

6 项目探究五

6.1 探究目的

构建铜片、银片、硝酸铜（铜离子）三者共同存在时发生反应的模型。

6.2 探究过程

分析： 反应经过“项目探究五”的简化，已经排除了其他多余条件。剩下的反应在形式上符合原电池的特征。

建模： 银树与铜片在硝酸铜环境中构成了如图2所示的原电池（-）Cu（s）|Cu（NO3）2（aq）|Ag（s）（+），铜片相当于负极，银树相当于正极，硝酸铜溶液相当于电解质。反应时，铜电极上的铜原子变为铜离子进入溶液，溶液中的铜离子再变为铜原子沉积在银电极表面。

解释： 负极上，铜单质表面的铜原子失去电子，变成铜离子进入溶液，发生电极反应：

正极上，溶液中的铜离子得到电子，变成铜原子附着在银片上，发生电极反应：

总反应是：

负极上，铜原子从铜片表面脱离时，发生了金属键的断裂;正极上，铜原子附着在银片表面时，铜原子插入金属银的晶格，形成新的金属键。由于旧的金属鍵键能小，新的金属键键能大，所以造成了2个电极的电势差，在热力学上表现为自发反应。当银片表面镀了一层铜后，反应即停止。

7 认知冲突的化解

7.1 化解与常规习题的冲突

绝大多数中学生一开始都认为这个反应不可能发生，甚至一些习题也认为同类反应（例如以铜片、锌片为电极，硫酸锌为电解质）不能构成原电池，理由是： 不能发生氧化还原反应，没有化学能转化为电能。

但实际上，这个实验发生了氧化还原反应，而且反应前后有化学键（金属键）能量的差异。造成认知冲突的关键在于，中学生通常把合金看作混合物，把铜原子从铜片转移到银片表面视为物理变化，没有考虑金属键的断裂与生成[2]。

7.2 化解与传统实验的冲突

传统的铜丝与硝酸银反应的实验现象只是铜丝表面变白，不会有银树镀铜的现象，与本实验的异常现象不符。推测可能有以下原因： 一是试管中的硝酸银通常来不及被反应完，而且生成的银树容易受到重力和人为扰动而被破坏，总之来不及等到铜镀层生成。二是因为试管中生成的银树表面相对粗糙，即使生成铜，也可能呈黑色，不便于观察。

8 结束语

通过对异常现象的不断探究，笔者最终解释了该现象。在此过程中，实验者加深了对电势差的理解： 产生电势差的原因是多样的，除了常规化学反应前后的能量差和温度差、浓度差，甚至铜原子存在于2片电极上的金属键键能差也能造成电势差。

化学微科技项目在目标定位上注重化学核心

素养的培育。如表1所示，在完成项目的过程中，多种核心素养得到了体现。

如今，许多中学生都参与了课外科研项目，各种高精尖（高级、精密、尖端）的化学项目在科技竞赛上屡见不鲜[4]。但笔者认为，高精尖项目只适合极少数的拔尖人才，各中学不应该盲目追求。对广大的中学生来说，小低易（小切口、低成本、易开发）的微科技项目同样具有研究价值和育人价值，值得推广应用。

参考文献：

[1]许燕红，杨吉祥，姚茜芸等.影响铜树生长因素的探究[J].化学教育， 2015， 36（23）： 64～67.

[2]Bieron J.F. The “Golden Penny” Demonstration： An Explanation of the Old Experiment and the Rational Design of the New and Simpler Demonstration [J]. Journal of Chemical Education， 1995，72（5）： 386～388.

[3]凌一洲，程鹏.有价值的异常现象“微科技”课题的教学实施[J].化学教学， 2018，（3）： 34～37.

[4]中国科协青少年科技中心.第三十一届全国青少年科技创新大赛获奖作品集[M].北京： 科学普及出版社， 2016.