“銀樹鍍銅”微科技項目的設計與教學

凌一洲 陳靜 陳鵬文 程鵬

摘要： 江蘇省微科技課程基地開展的創新實踐項目，具有小切口、低成本、易開發、有價值的特點，指向化學核心素養的培育，適合更普遍的中學生。在“銀樹鍍銅”項目探究中，以“銀樹鍍銅”現象為選題，多次提出假設并設計實驗驗證，確定了生成物的成分，解釋了異常現象產生的原因，構建了反應的原電池模型，化解了認知沖突。

關鍵詞： 核心素養; 微科技項目; 原電池; 銀樹鍍銅; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）11-0070-03中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

2013年，江蘇省南菁高級中學開始微科技課程的探索實踐;2017年，學校被省教育廳命名為江蘇省微科技課程基地。依托基地開展的微科技項目，是指在教師指導下，由學生完成的小切口、低成本、易開發、有價值的創新實踐項目。

化學微科技項目主要以實驗為選題，指向化學學科核心素養的培育。項目不照搬陳舊的選題，而是從現實中直接發現和提出;沒有現成的實驗方案，要根據探究目的自行設計并優化;無法提前預知結論，要學生提出可能的假設，在實驗中收集證據、解釋證據。筆者以“銀樹鍍銅”實驗項目為例，原汁原味地展示微科技項目層層深入的探究過程。

1 項目選題

以下是一個趣味實驗： 在浸有硫酸銅溶液的濾紙上放一片鋅片，可發生置換反應，生成向四周擴散的樹枝狀的銅單質（銅樹）[1]。

筆者用類似的方法制作銀樹： 在浸有0.5mol/L硝酸銀溶液的濾紙上放一片銅片，再在濾紙表面覆蓋一層塑料膜（防止溶液蒸發）并避光保存。反應幾分鐘后，濾紙上生成銀白色樹枝狀物質（銀樹），且銀樹周圍溶液變藍。

實驗結束后，筆者將反應裝置留下，過了兩三天再來處理，卻有了意外發現： 見圖1，銅片上生長出的銀樹從銀白色變成了紅色（圖1左圖），在顯微鏡放大下更為明顯（圖1右圖）。

這與筆者的預期不符，是個異常現象。筆者重做了實驗，發現現象可以重復，而非偶然。雖然檢索了文獻，但未發現相關報道。出于好奇，筆者將其作為微科技項目的選題，做了如下探究。

2 項目探究一

2.1 探究目的

探究濾紙上生成的紅色樹枝狀物質的成分。

2.2 探究過程

分析： 由顏色判斷，樹枝狀物質表面是銅，但內部物質無法確定。

猜測： （1）樹枝狀物質可能是實心銅樹;（2）樹枝狀物質可能是銀樹鍍銅。

驗證： 樹枝狀物質內部成分決定了整體形狀，因此筆者分別在濾紙上制作了銅樹和銀樹，然后在顯微鏡下觀察形狀，并與未知樹枝狀物質對比。

結果： 未知樹枝狀物質的形狀與銀樹一致。

2.3 探究結論

濾紙上生成的紅色樹枝狀物質的成分是銀樹鍍銅。

3 項目探究二

3.1 探究目的

探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

3.2 探究過程

分析： 按照常規的理解，銅與硝酸銀反應只生成銀和硝酸銅，生成的銀單質表面不會再生成銅。這個異常現象可能是受雜質干擾造成的。

猜測： 銅片含有鐵等（更活潑的金屬）雜質，與硝酸銅反應生成銅單質。

驗證： 剪下一小塊銅片和鐵片，用膠帶粘連，放入硝酸銀溶液中，觀察現象。

結果： 銅片和鐵片上同時生成銀單質，且鐵片上生成銀單質的速率快。

3.3 探究結論

即使銅片含有鐵等雜質，也應該是雜質先與硝酸銀反應，不會形成銀樹鍍銅的現象，故猜測不成立。探究目的沒有達到。

4 項目探究三

4.1 探究目的

改變猜想，重新驗證，繼續探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

4.2 探究過程

分析： 原反應體系中存在銅、銀、硝酸銅、硝酸銀等物質，但不一定都參與了鍍銅的反應。如果能排除多余條件的干擾，就更容易探究反應的本質。

猜測： 只有銅、銀、硝酸銅（銅離子）才與鍍銅反應有關。

驗證： 剪下長條狀的銅片，將其一半浸入硝酸銀溶液中約5分鐘，使銅片一半鍍銀。取出銅片后，先在蒸餾水中洗去硝酸銀殘留，再放入0.5mol/L硝酸銅溶液中，觀察銀鍍層表面現象。

結果： 銅片鍍銀時，銀鍍層呈灰黑色。浸入硝酸銅（或硫酸銅）溶液后，銀鍍層表面沒有紅色物質生成。

4.3 探究結論

銀鍍層顏色發黑說明本身就比較粗糙，所以即使生成了銅鍍層，其顏色也可能是黑色的。本次實驗既無法驗證猜測，也無法推翻猜測，探究的目的沒有達到。

5 項目探究四

5.1 探究目的

重新設計方案，再次驗證“項目探究三”中的猜想，繼續探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

5.2 探究過程

分析： 將反應過程繼續抽象，可以把銀鍍層直接換成表面光滑平整的銀片。

驗證： 剪下一小塊銅片和銀片，用膠帶粘連，完全浸沒在0.5mol/L硝酸銅溶液中，觀察現象（由于常溫下反應較慢，可以用電磁爐加熱至約80℃）。

結果： 如果不加熱，1小時后銀片邊緣會微微泛紅，銅片表面失去光澤。如果加熱，15min后銀片表面就會變紅。

5.3 探究結論

由于銅片、銀片、硝酸銅（銅離子）兩兩之間都無法反應，所以鍍銅的反應是三者共同作用的結果。銅片與銀片相互接觸時，可以與硝酸銅溶液反應，在銀片上生成銅鍍層（與原本的異常現象吻合）。

6 項目探究五

6.1 探究目的

構建銅片、銀片、硝酸銅（銅離子）三者共同存在時發生反應的模型。

6.2 探究過程

分析： 反應經過“項目探究五”的簡化，已經排除了其他多余條件。剩下的反應在形式上符合原電池的特征。

建模： 銀樹與銅片在硝酸銅環境中構成了如圖2所示的原電池（-）Cu（s）|Cu（NO3）2（aq）|Ag（s）（+），銅片相當于負極，銀樹相當于正極，硝酸銅溶液相當于電解質。反應時，銅電極上的銅原子變為銅離子進入溶液，溶液中的銅離子再變為銅原子沉積在銀電極表面。

解釋： 負極上，銅單質表面的銅原子失去電子，變成銅離子進入溶液，發生電極反應：

正極上，溶液中的銅離子得到電子，變成銅原子附著在銀片上，發生電極反應：

總反應是：

負極上，銅原子從銅片表面脫離時，發生了金屬鍵的斷裂;正極上，銅原子附著在銀片表面時，銅原子插入金屬銀的晶格，形成新的金屬鍵。由于舊的金屬鍵鍵能小，新的金屬鍵鍵能大，所以造成了2個電極的電勢差，在熱力學上表現為自發反應。當銀片表面鍍了一層銅后，反應即停止。

7 認知沖突的化解

7.1 化解與常規習題的沖突

絕大多數中學生一開始都認為這個反應不可能發生，甚至一些習題也認為同類反應（例如以銅片、鋅片為電極，硫酸鋅為電解質）不能構成原電池，理由是： 不能發生氧化還原反應，沒有化學能轉化為電能。

但實際上，這個實驗發生了氧化還原反應，而且反應前后有化學鍵（金屬鍵）能量的差異。造成認知沖突的關鍵在于，中學生通常把合金看作混合物，把銅原子從銅片轉移到銀片表面視為物理變化，沒有考慮金屬鍵的斷裂與生成[2]。

7.2 化解與傳統實驗的沖突

傳統的銅絲與硝酸銀反應的實驗現象只是銅絲表面變白，不會有銀樹鍍銅的現象，與本實驗的異常現象不符。推測可能有以下原因： 一是試管中的硝酸銀通常來不及被反應完，而且生成的銀樹容易受到重力和人為擾動而被破壞，總之來不及等到銅鍍層生成。二是因為試管中生成的銀樹表面相對粗糙，即使生成銅，也可能呈黑色，不便于觀察。

8 結束語

通過對異常現象的不斷探究，筆者最終解釋了該現象。在此過程中，實驗者加深了對電勢差的理解： 產生電勢差的原因是多樣的，除了常規化學反應前后的能量差和溫度差、濃度差，甚至銅原子存在于2片電極上的金屬鍵鍵能差也能造成電勢差。

化學微科技項目在目標定位上注重化學核心

素養的培育。如表1所示，在完成項目的過程中，多種核心素養得到了體現。

如今，許多中學生都參與了課外科研項目，各種高精尖（高級、精密、尖端）的化學項目在科技競賽上屢見不鮮[4]。但筆者認為，高精尖項目只適合極少數的拔尖人才，各中學不應該盲目追求。對廣大的中學生來說，小低易（小切口、低成本、易開發）的微科技項目同樣具有研究價值和育人價值，值得推廣應用。

參考文獻：

[1]許燕紅，楊吉祥，姚茜蕓等.影響銅樹生長因素的探究[J].化學教育， 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，程鵬.有價值的異常現象“微科技”課題的教學實施[J].化學教學， 2018，（3）： 34～37.

[4]中國科協青少年科技中心.第三十一屆全國青少年科技創新大賽獲獎作品集[M].北京： 科學普及出版社， 2016.