置换反应中金属枝晶结构的观察

凌一洲　施伟东　王国余　程鹏

摘要： 置换反应生成的金属单质呈树枝状，可称之为“金属树”。为取得更好的“金属树”可视化效果，采用压缩反应空间和改变观察方式的思路进行实验探究。将置换反应制成玻片标本，将反应空间压缩至薄层以防止“金属树”重叠干扰。用光学显微镜、数码体视镜、手机微距镜等设备观察金属树标本，可清晰地观察到金属树枝晶的细节结构。该实验可作为课堂实验、家庭实验或课外探究等教学活动，适合在中学推广。

关键词： 金属置换反应； 金属树； 显微镜； 可视化； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2018）6-0079-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

在金属的置换反应中，由于原电池的存在，新生成的金属单质形状呈树枝状[1]。因此，可以形象地称之为“金属树”，包括铜树、银树、铅树等。常规的置换反应在试管中进行，将金属丝放入溶液中即可观察到现象。但是这种观察是非常粗略的，只能看清生成物的颜色，而无法观察生成物的细节结构和生成过程。为观察金属树，许多研究者做出了探索和尝试，但仍然存在局限性。

1 研究现状

目前，为观察金属树所做的可视化改进主要有以下3个方面。

1.1 改变反应载体

一些研究者选用滤纸为载体制作金属树。以铜树为例，在浸有氯化铜（或硫酸铜）溶液的滤纸上放一片锌片（或锌粒），几分钟后就能用肉眼观察到树状铜金属以辐射状生成[2， 3]。用类似的方法，还可以在同样具有毛细现象的粉笔上完成类似的实验[4]。

笔者尝试了该实验，在浸有0.5mol/L硫酸铜、硝酸银、乙酸铅溶液的滤纸上分别放置一片锌片，静置待其反应。30min后观察现象，金属树分别生长，但银树、铅树由于枝干较细、颜色过淡，均难以辨别，效果不佳。铜树生长效果较好，但如果用放大镜观察，可以发现铜树枝干与滤纸纤维纠缠在一起，铜树生长受到滤纸干扰，铜树

枝晶细节模糊不清。

所以，改变反应载体的做法只适合观察精度要求不高的趣味实验（只能观察到铜树的整体形态），且观察银树、铅树的效果不佳。

1.2 改变反应介質

有研究者用凝胶代替水作为反应介质制作金属树。以铜树为例，将混有氯化铜的热琼脂倒入培养皿中，冷却后形成凝胶，在培养皿中插入弯曲的铝片，可以凭借肉眼观察到铜树的生长[5]。但这种做法不太适合用显微镜观察： 大量铜树枝干在不同的竖直高度同时生长，在显微镜下显得密密麻麻、相互交错，上下之间相互干扰，造成铜树枝干细节难以辨别。所以，仅改变反应介质的做法依然只能观察到铜树整体形态，而不能观察到铜树枝晶的细节部分。

1.3 改变观察方式

还有研究者用高清摄像机拍摄金属树。以铜树为例，在硫酸铜溶液中放置锌片，用装有微距镜头的高清摄像机直接拍摄[6]。这种技术放大了实验现象，可以清晰地观察到铜树生长的细节，甚至可以直接看出单棵铜树树枝状的形态。但是，装有微距镜头的摄像机的焦距范围很窄，由于铜树生长的方向不能确定，因此要反复调试才能恰好拍到不失焦的视频。而且高清摄像机和微距镜头价格昂贵，一般学校难以配备。所以，用高清摄像机拍摄现象的做法成本高、操作难、耗时长、不确定性大，虽然能清晰拍摄到金属树，但难以在中学推广。

2 改进思路

现有的金属树实验存在的问题、解决方法与预期效果概括如表1所示。

笔者采用压缩反应空间（将置换反应的空间压缩成薄薄一层）和改变观察方式（采用显微摄影等技术观察）的思路，设计了一种可以形成单独金属树并保存较长时间的装置——金属树玻片标本。

3 金属树标本的制作

以锌片分别与硫酸铜、硝酸银、乙酸铅的置换反应为例，铜树、银树、铅树玻片标本的制作方法如下。用同样的方法还可以制作其他金属的置换反应。

3.1 制作材料

试剂： 锌片、0.5mol/L硫酸铜溶液、0.5mol/L硝酸银溶液、0.5mol/L乙酸铅溶液

仪器： 24mm×75mm载玻片、24mm×60mm矩形盖玻片、滴管

材料： 小木夹、0.1mm厚塑料纸、双面胶、剪刀

3.2 制作步骤

（1） 从塑料纸上剪出2片11mm×60mm的长方形，用双面胶分别粘贴在载玻片上方和下方（图1稀疏阴影部分）。然后再剪2片8mm×24mm的长方形，粘贴在左右两侧（图1密集阴影部分），覆盖一部分横向塑料纸。

（2） 从锌片上剪下15mm×1.5mm的锌条，放入横向2张塑料纸中间。

（3） 在锌条上滴加3～4滴硫酸铜溶液，迅速用盖玻片覆盖，并用木夹夹住盖玻片的四个角（恰好夹在纵向塑料纸上）。

（4） 将硫酸铜替换成硝酸银、乙酸铅，重复步骤（1）～（3）。

3.3 制作效果

盐溶液充满了盖玻片与塑料纸的间隙，在图1稀疏阴影部分形成了薄薄一层“溶液膜”。反应时，金属树扎根于锌片，不断向外围生长，仅需几分钟就能观察到树状金属单质生成。三种金属树中，银树枝干最细生长最快，铜树枝干最粗生长最慢，其形态各不相同。1小时后，反应基本结束，金属树分散分布于图1稀疏阴影的全部空间。

4 金属树标本的观察

4.1 光学显微镜

光学显微镜是中学生物实验室常见的仪器，可以大胆地应用于微型化学实验[7]。模仿生物玻片标本的观察方法，将金属树标本放置于显微镜载物台上，调节粗细准焦螺旋即可观察。利用配套手机夹将手机固定在目镜上，可以随时拍摄照片。

笔者拍摄的金属树见图2，第1～3行分别是铜树、银树、铅树，左列是放大40倍的效果，右列是放大100倍的效果。由此可见，金属树标本在显微镜下的成像非常清晰，各种金属树枝晶结构的差异一目了然。但是，光学显微镜的光线是由下向上照射的，不透光物体都呈现黑色，因此无法呈现金属树原本的颜色。

4.2 数码体视镜

数码体视镜（解剖镜）的光线由上至下照射，物镜接收的是反射光，因此可以显示颜色。将金属树标本放在载物台上，体视镜自动将图像传输至计算机。调节焦距后，金属树微观结构就清晰地显示在计算机屏幕上，实验者可以直接截图保存。

图3是笔者拍摄的放大50倍的图像（局部），a、 b、 c分别代表铜树、银树、铅树。除观察到金属树枝晶结构形态外，还可以发现铜树顶端（新生成的铜单质）呈红色，而根部（生成时间较长的铜单质）已经被溶液中溶解的氧气氧化成黑色[8]。

4.3 手机微距镜

对于少数没有配备显微镜的学校，还可以用微距摄影的方法代替。在手机后置摄像头上安装手机微距镜，对准金属树标本即可拍摄。虽然放大的倍数不是很高，但依然可以观察到金属树生长的基本形态（铜树效果见图4）。

5 实验用途

本实验具有成本低、易操作、效果明显、趣味性强等优点，适合在中学推广。建议本实验可以用于以下情况。（1）课堂引入： 在讲解金属活动性顺序前演示本实验，激发学生兴趣；（2）拓展实验： 指导学生分组完成实验，拓展原电池知识，理解铁置换铜的反应不能为铁件镀铜的原因[9]；（3）家庭实验： 本实验材料易得、安全性高，学生可在家完成标本制作，然后带至学校观察；（4）课外探究： 引导学生进一步探究温度、溶液浓度、金属种类、有无催化剂（氯离子）等因素对金属树生长情况（速度、形态）的影响，亦可将不同溶液（例如硫酸铜和硝酸银）混合后反应，观察金属树种类，比较反应先后顺序。

参考文献：

[1]吴孙富. “铜树”的生长原理[J]. 中学化学， 2011， （2）： 17.

[2]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.

[3]徐春芸. 2个趣味实验在初中化学教学中的应用[J]. 化学教育， 2017， 38（23）： 47～49.

[4]陈凯， 陈昌云， 张丽娜. 制作“金属树”的微型趣味實验[J]. 中学化学教学参考， 2008， （4）： 44.

[5]许骋艺， 顾伊宁， 王德明等. 琼脂凝胶中的铜-铝置换反应[J]. 化学教育， 2017， 38（9）： 52～54.

[6]梁琰. 美丽的化学反应[M]. 北京： 清华大学出版社， 2016.

[7]陈凯. 基于显微技术的微型化学实验——介绍一种新兴化学实验方法[J]. 化学教学， 2008， （5）： 16～18.

[8]章伟光， 晏军. 锌与硫酸铜的置换反应中氧化铜生成原因探讨[J]. 化学教学， 1993， （5）： 39～39.

[9]邹月娥. 铁置换铜反应能否用于钢铁件镀铜[J]. 化学教学， 1997， （5）： 36.