金属置换反应实验的审美化改进

王振 严业安 胡志刚 凌一洲

摘要： 以可视化技术改进初中化学教材中的金属置换反应实验，使其更具审美价值。改进铜和硝酸银溶液、铝和硫酸铜溶液在试管中发生的置换反应，以宣纸为反应载体，置换出的“银树”和“铜树”呈现明显的树枝晶，仅凭肉眼即可清晰观察。改变实验材料等因素，使“金属树”呈现不同的造型，兼具美感和创意，给实验者留下探索和创作的空间。结合金属活动性顺序表提出制作“金属树”实验的最佳方案。实验适合作为课外拓展实验，结合数码相机或手机拍摄可视化视频，展现科学与艺术的融合，培养学生动手实践、创新精神等核心素养。

关键词： 置换反应; 金属树; 实验改进; 可视化; 化学美育

文章编号： 10056629（2020）01005505

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

义务教育课程标准[1]在“身边的化学物质”章节明确提出：“用五彩缤纷的化学物质和丰富多彩的化学变化，让学生体验化学美”。在陈慧媛等[2]的调查中，专家组根据现实需求和自身经验，补充了“生活化学与美丽化学”的核心素养。

国内许多教育工作者和科研人员也在积极探索化学美育的落地方式——化学实验的审美化改进，例如凌一洲等[3]用显微镜、微距镜等设备将实验的现象、过程等进行艺术化的图像呈现……都给化学美找到了一种全新的呈现形式，但受制于价格高昂的设备、繁琐的操作或专业的拍摄技巧等限制，不太容易在初中实验中进行实验再现。

九年级人教版教材中展示了铝和硫酸铜、铜和硝酸银在试管中发生的置换反应图片，虽然现象明显，但通过肉眼只能看到在铝线的表面覆盖一层红色的物质，铜线的表面覆盖一层灰白色的物质，置换出的金属在溶液中呈蓬松状，不美观。有研究者尝试在琼脂中进行铜和硝酸银[4]、铝铜置换反应实验[5]可以呈现出美丽的金属晶体，但仍需要先制作琼脂，操作相对较繁琐，而且无法完整呈现置换出的金属晶体细节的美。

以宣纸为载体的置换反应实验[6]，把相对活泼金属放到浸有不活泼金属化合物溶液的纸上，置换出来的金属晶体沿着纸张表面像树枝一样逐渐生长，可不借助任何仪器凭肉眼就能清晰地观察到置换出的美丽金属枝晶。不仅药品用量少、操作简单，而且现象明显、美观。为了便于区分，笔者把在纸上置换出的金屬晶体统称为“金属树”，以此类推，由铜形成的晶体花纹称为“铜树”，由银形成的晶体花纹称为“银树”。

1 “银树”： 铜与硝酸银溶液的置换反应

1.1 教材实验改进

教材中，铜丝浸入硝酸银溶液中，置换出的银呈灰白色附着在铜丝的表面，不太美观。硝酸银价格比较昂贵，在试管中进行铜和硝酸银溶液的反应，不仅药品用量大，而且置换出的银是灰白色的，与学生认知中银白色的银相差甚远。黄秀铿等[7]为了更清晰地观察银晶体析出的形态，以琼脂和水为介质进行探究实验，得出在琼脂中产生的银晶体为树枝状，溶液中为团簇状。这类改在琼脂表面的实验，能在实验中感受美丽的银晶体的形成，但需要先制作琼脂，再将其置于硝酸银溶液中，制得硝酸银琼脂凝胶，然后再进行置换反应实验，操作比较麻烦，而且琼脂内部置换出的银也无法观察。

直接用平放在培养皿上的黑色宣纸作为反应的载体改进铜与硝酸银溶液的实验，也取得了很好的效果。如锌粒放到用硝酸银溶液润湿的黑色宣纸上，置换出来的银晶体以锌粒为原点，沿着纸张表面像树枝一样逐渐生长（见图1），“银树”惊艳的美纤毫毕现。本实验能让学生切身体会到化学中的艺术，感受科学与艺术的结合。

1.2 创意拓展实验

同样地，把铜丝折成一定形状放到浸有硝酸银溶液的黑色宣纸上，就会在铜丝与宣纸接触的地方为基点，沿着纸张表面逐渐长成一个个银白色的“银树”，恰似要随风飞舞的蒲公英（见图2）。

把铜丝改成铜片也可以制出“银树”，如把剪切成三角形的铜片放置成正方形，放置在浸有硝酸银的黑色宣纸上，制出的“银树”像一颗黑色的宝石，光芒四射（见图3）。如果把铜换成其他的较活泼金属也能制出相应的“银树”，学生是独立的个体，每个人都有自己的想法，可以大胆地鼓励他们去尝试探索，也许会得到意外的惊喜。

2 “铜树”： 铝与硫酸铜溶液的置换反应

2.1 教材实验改进

教材中，铝丝浸入硫酸铜溶液中，在铝丝的表面附着一层蓬松的、紫红色的铜，现象明显，但会有气泡产生，美观性不足。产生的气泡是硫酸铜水解产生的硫酸与铝发生置换反应生成的氢气。许骋艺等[8]改成在含铜离子的琼脂凝胶中进行铜铝置换反应，铝片（箔）做成波浪长条将反应产生的气泡集中在弯曲凹处，不干扰铜结晶的连续生长，实验效果较好，可以清晰地观察到生成漂亮的铜结晶树枝状结构。这类改在琼脂表面的实验能让学生观察到常规试管中不易观察到的反应过程的细节，但仍需要先制作含铜离子的琼脂，然后再进行置换反应实验，操作比较麻烦，而且琼脂内部置换出的铜也无法观察。笔者仍直接用宣纸作为反应的载体改进实验，取得较好的效果。把锌粒放到用氯化铜溶液（或者硫酸铜和氯化铜溶液的混合物，氯离子效应可以加快反应速率）润湿的宣纸上，置换出来的铜晶体以锌粒为根基沿着纸张表面像树枝一样逐渐生长，形成紫红色的“铜树”（见图4），像苍劲有力的松枝。

2.2 创意拓展实验

把四颗锌粒放置在浸有氯化铜的宣纸上，由于四个铜枝生长速率相同[9]，制出的四个“铜树”间有个明显的十字分界线，像一朵花的四个花瓣（见图5）。

铁丝是生活中常见的一种金属，因铁丝具有延展性，可以裁剪折成不同形状，把置换出来的“铜树”摆成特定的造型，如极具创意的“LOVE铜树”（见图6），别具一番特色。

3 结果讨论

3.1 最佳“金属树”的选择

金属活动性顺序表是人们在进行了许多实验探究的基础上，经过去伪存真、由表及里的分析，归纳和总结出了金属在溶液中的活动性顺序。在金属活动性顺序表里，位于前面的金属能把位于后面的金属从它们的化合物溶液中置换出来。但是在实践中，并非所有金属都适合完成“金属树”的实验。

铂和金位于金属活动性顺序表的末位，理论上可以制出“铂树”和“金树”，但铂和金属于贵重金属，其化合物价格昂贵，故不是最佳选择。金属汞是常温下唯一呈现液态的金属，置换反应生成的汞呈液态，易挥发、有毒，故不建议中学生制“汞树”。钾、钙、钠三种金属位于金属活动性顺序表的前三位，化学性质非常活泼，当把它们放入金属化合物溶液中，它们是先和水发生反应，因而无法制作相应的“金属树”。因为“镁树”“铝树”“锌树”“铁树”比较活泼，所以实验效果也不太理想。

故实验室中制作“金属树”以“铜树”“锡树”“铅树”“银树”为最佳，较活泼金属以“锌、铁、铝、锡、铜”为最佳，详见图7。各种“金属树”的形态和颜色都有所不同，“铜树”呈现紫红色，“铅树”呈现银白色或灰黑色，“银树”和“锡树”都呈现银白色。在试管中置换反应无法展示的细节，在宣纸上置换出的“金属树”明显展示出不同的形态和色泽，其反应速率也不同。

笔者经过多次实验总结得出，二氯化锡溶液易水解故需在浓盐酸中配制，导致“锡树”宣纸和培养皿中间易形成气泡，但“锡树”是反应最快的;“银树”使用硝酸银溶液价格昂贵，且反应最慢，约一天时间才能完全成型，但“银树”因化学性质稳定能保存较久;“铜树”是性价比最高的，药品价格低廉，现象明显，因而制“铜树”可以开发成趣味科普实验[10]。该实验所需器材药品廉价易得、操作简单、现象美观，尤其是目前用量最大的铁在生活中随处可见，有些铁制品本身就有一定的几何造型，给实验的创新提供无限的可能。生活中很常见的铝质电线，使用之前需先除去表面致密的氧化膜，用来置换其他金属效果也不错。另外，五金店也为实验提供很多常见金属和有创意的灵感。

3.2 “金属树”实验的可视化探索

无论是试管溶液还是琼脂中的置换反应都是三维立体的，而在宣纸上的置换反应实验是二维的平面结构图，因而用数码相机或手机拍摄宣纸上的置换反应过程可以取得很好的效果。以铜和硝酸银溶液反应为例，详见图8。左图为在琼脂介质中的树枝状银，中图为水介质中析出的团簇状银，右图为黑色宣纸载体上析出的花纹式银，仅从置换出的银晶体结构就发现在宣纸上置换出的晶体更漂亮美观。

从立体空间角度看，用手机或数码相机拍二维平面画面要比在溶液和琼脂中的立体画面效果更好。多种多样的金属为学生实验探究提供了很多研究的切入点，况且金属可以制成各种形状，为可视化实验提供无限的创意灵感。开发“金属树”的可视化课程适合作为课外兴趣或拓展实验，不仅能用于日常教学培养学生的审美情趣，而且能用化学知识创造化学中的艺术，展现科学与艺术的融合。

在即将到来的5G时代，日益普及的手机拍摄性能越来越好，短小、有趣、精美的科学小视频或微视频越来越受到人们的推崇和喜爱，但目前数量和质量远远无法满足人们的需求。用手机（可加上微距摄像头观察）拍摄科学实验过程的细节之美，制作成的小视频或微视频，将有极大的探索空间和发展前景，也必将在5G时代大放异彩。

3.3 “金属树”实验疑问的释疑

有些实验者在烧杯或结晶皿中模仿本实验有时现象不明显，原因是宣纸上的溶液很容易变干，故建议用蒸发皿必须盖上盖子或者加一层塑料膜。在宣纸上置换出的“金属树”有些在宣纸上方，有些在宣纸下方（即宣纸和培养皿的间隙），大多数在宣纸的下方比较好看。笔者认为其原因可能是置换出的金属在培养皿底有利于金属原子堆积，沿着培养皿底呈现枝条清晰的花纹，而且置换出的金属隔了一层宣纸降低了被空气氧化的机会，颜色会更加的靓丽。

“银树”中的银枝条虽然很纤细，但化学性质相对稳定，可以不做任何处理放置半年后花纹依然靓丽如初。但其他“金属树”制成后几天，金属枝条花纹即被氧化衰败，因此像“铜树”“锡树”和“铅树”若要永久保存，制成后就要进行标本纸塑封或者用水晶滴胶封存。

如果用滤纸代替宣纸，也可以取得较好的效果。黑色宣纸的优势是吸水性好可以凸显银的银白色光泽，有时候还能遮挡一些不相关金属化合物造成的颜色干扰，如用铁制“铜树”可遮挡铁离子颜色的干扰。

4 結束语

天空中每一片雪花的生成路径和形成条件都不一样，因此“没有两片雪花是完全一样的”[11]。同样，由于宣纸不同的纤维结构、金属和浸有金属化合物溶液的宣纸不同的接触面积、润湿的宣纸是否紧贴培养皿，甚至“金属树”的每一次沉积和分枝都存在不确定因素，因此每个“金属树”也不会完全相同。这也给实验者留下了创作的空间，每一位师生都可以发挥创意，改变实验的各种因素和条件，创造最具审美价值的“金属树”。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2011版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2012： 18.

[2]陈慧媛， 杨水金. 基于中学化学课程的化学核心素养实证研究[J]. 化学教育， 2019， （7）： 57～62.

[3]凌一洲， 施伟东， 王国余等. 置换反应中金属枝晶结构的观察[J]. 化学教学， 2018， （6）： 79～82.

[4][7]黄秀铿， 丁伟， 王祖浩. 铜与硝酸银置换反应的条件及机理探究[J]. 化学教育， 2018， （9）： 74～76.

[5][8]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， （9）： 52～54.

[6]王振， 胡志刚. “金属树”趣味实验及其教学应用[J]. 化学教学， 2018， （7）： 86～89.

[9]Xu X， Wu M， Wang X， et al. Experimenting with a Visible CopperAluminum Displacement Reaction in Agar Gel and Observing Copper Crystal Growth Patterns To Engage Student Interest and Inquiry [J]. Journal of Chemical Education， 2016， （9）： 1612～1615.

[10]王振. 制作最美的“铜树”[N]. 青少年科技报， 20190321.

[11]肯尼思·利布莱希特著. 王燕平， 张超译. 雪花的答案： 冰冻艺术中的科学[M]. 北京： 电子工业出版社， 2017： 106.