置換反應(yīng)中金屬枝晶結(jié)構(gòu)的觀察

凌一洲　施偉東　王國(guó)余　程鵬

摘要： 置換反應(yīng)生成的金屬單質(zhì)呈樹枝狀，可稱之為“金屬樹”。為取得更好的“金屬樹”可視化效果，采用壓縮反應(yīng)空間和改變觀察方式的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。將置換反應(yīng)制成玻片標(biāo)本，將反應(yīng)空間壓縮至薄層以防止“金屬樹”重疊干擾。用光學(xué)顯微鏡、數(shù)碼體視鏡、手機(jī)微距鏡等設(shè)備觀察金屬樹標(biāo)本，可清晰地觀察到金屬樹枝晶的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。該實(shí)驗(yàn)可作為課堂實(shí)驗(yàn)、家庭實(shí)驗(yàn)或課外探究等教學(xué)活動(dòng)，適合在中學(xué)推廣。

關(guān)鍵詞： 金屬置換反應(yīng)； 金屬樹； 顯微鏡； 可視化； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）6-0079-04 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在金屬的置換反應(yīng)中，由于原電池的存在，新生成的金屬單質(zhì)形狀呈樹枝狀[1]。因此，可以形象地稱之為“金屬樹”，包括銅樹、銀樹、鉛樹等。常規(guī)的置換反應(yīng)在試管中進(jìn)行，將金屬絲放入溶液中即可觀察到現(xiàn)象。但是這種觀察是非常粗略的，只能看清生成物的顏色，而無(wú)法觀察生成物的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和生成過(guò)程。為觀察金屬樹，許多研究者做出了探索和嘗試，但仍然存在局限性。

1 研究現(xiàn)狀

目前，為觀察金屬樹所做的可視化改進(jìn)主要有以下3個(gè)方面。

1.1 改變反應(yīng)載體

一些研究者選用濾紙為載體制作金屬樹。以銅樹為例，在浸有氯化銅（或硫酸銅）溶液的濾紙上放一片鋅片（或鋅粒），幾分鐘后就能用肉眼觀察到樹狀銅金屬以輻射狀生成[2， 3]。用類似的方法，還可以在同樣具有毛細(xì)現(xiàn)象的粉筆上完成類似的實(shí)驗(yàn)[4]。

筆者嘗試了該實(shí)驗(yàn)，在浸有0.5mol/L硫酸銅、硝酸銀、乙酸鉛溶液的濾紙上分別放置一片鋅片，靜置待其反應(yīng)。30min后觀察現(xiàn)象，金屬樹分別生長(zhǎng)，但銀樹、鉛樹由于枝干較細(xì)、顏色過(guò)淡，均難以辨別，效果不佳。銅樹生長(zhǎng)效果較好，但如果用放大鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)銅樹枝干與濾紙纖維糾纏在一起，銅樹生長(zhǎng)受到濾紙干擾，銅樹

枝晶細(xì)節(jié)模糊不清。

所以，改變反應(yīng)載體的做法只適合觀察精度要求不高的趣味實(shí)驗(yàn)（只能觀察到銅樹的整體形態(tài)），且觀察銀樹、鉛樹的效果不佳。

1.2 改變反應(yīng)介質(zhì)

有研究者用凝膠代替水作為反應(yīng)介質(zhì)制作金屬樹。以銅樹為例，將混有氯化銅的熱瓊脂倒入培養(yǎng)皿中，冷卻后形成凝膠，在培養(yǎng)皿中插入彎曲的鋁片，可以憑借肉眼觀察到銅樹的生長(zhǎng)[5]。但這種做法不太適合用顯微鏡觀察： 大量銅樹枝干在不同的豎直高度同時(shí)生長(zhǎng)，在顯微鏡下顯得密密麻麻、相互交錯(cuò)，上下之間相互干擾，造成銅樹枝干細(xì)節(jié)難以辨別。所以，僅改變反應(yīng)介質(zhì)的做法依然只能觀察到銅樹整體形態(tài)，而不能觀察到銅樹枝晶的細(xì)節(jié)部分。

1.3 改變觀察方式

還有研究者用高清攝像機(jī)拍攝金屬樹。以銅樹為例，在硫酸銅溶液中放置鋅片，用裝有微距鏡頭的高清攝像機(jī)直接拍攝[6]。這種技術(shù)放大了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以清晰地觀察到銅樹生長(zhǎng)的細(xì)節(jié)，甚至可以直接看出單棵銅樹樹枝狀的形態(tài)。但是，裝有微距鏡頭的攝像機(jī)的焦距范圍很窄，由于銅樹生長(zhǎng)的方向不能確定，因此要反復(fù)調(diào)試才能恰好拍到不失焦的視頻。而且高清攝像機(jī)和微距鏡頭價(jià)格昂貴，一般學(xué)校難以配備。所以，用高清攝像機(jī)拍攝現(xiàn)象的做法成本高、操作難、耗時(shí)長(zhǎng)、不確定性大，雖然能清晰拍攝到金屬樹，但難以在中學(xué)推廣。

2 改進(jìn)思路

現(xiàn)有的金屬樹實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題、解決方法與預(yù)期效果概括如表1所示。

筆者采用壓縮反應(yīng)空間（將置換反應(yīng)的空間壓縮成薄薄一層）和改變觀察方式（采用顯微攝影等技術(shù)觀察）的思路，設(shè)計(jì)了一種可以形成單獨(dú)金屬樹并保存較長(zhǎng)時(shí)間的裝置——金屬樹玻片標(biāo)本。

3 金屬樹標(biāo)本的制作

以鋅片分別與硫酸銅、硝酸銀、乙酸鉛的置換反應(yīng)為例，銅樹、銀樹、鉛樹玻片標(biāo)本的制作方法如下。用同樣的方法還可以制作其他金屬的置換反應(yīng)。

3.1 制作材料

試劑： 鋅片、0.5mol/L硫酸銅溶液、0.5mol/L硝酸銀溶液、0.5mol/L乙酸鉛溶液

儀器： 24mm×75mm載玻片、24mm×60mm矩形蓋玻片、滴管

材料： 小木夾、0.1mm厚塑料紙、雙面膠、剪刀

3.2 制作步驟

（1） 從塑料紙上剪出2片11mm×60mm的長(zhǎng)方形，用雙面膠分別粘貼在載玻片上方和下方（圖1稀疏陰影部分）。然后再剪2片8mm×24mm的長(zhǎng)方形，粘貼在左右兩側(cè)（圖1密集陰影部分），覆蓋一部分橫向塑料紙。

（2） 從鋅片上剪下15mm×1.5mm的鋅條，放入橫向2張塑料紙中間。

（3） 在鋅條上滴加3～4滴硫酸銅溶液，迅速用蓋玻片覆蓋，并用木夾夾住蓋玻片的四個(gè)角（恰好夾在縱向塑料紙上）。

（4） 將硫酸銅替換成硝酸銀、乙酸鉛，重復(fù)步驟（1）～（3）。

3.3 制作效果

鹽溶液充滿了蓋玻片與塑料紙的間隙，在圖1稀疏陰影部分形成了薄薄一層“溶液膜”。反應(yīng)時(shí)，金屬樹扎根于鋅片，不斷向外圍生長(zhǎng)，僅需幾分鐘就能觀察到樹狀金屬單質(zhì)生成。三種金屬樹中，銀樹枝干最細(xì)生長(zhǎng)最快，銅樹枝干最粗生長(zhǎng)最慢，其形態(tài)各不相同。1小時(shí)后，反應(yīng)基本結(jié)束，金屬樹分散分布于圖1稀疏陰影的全部空間。

4 金屬樹標(biāo)本的觀察

4.1 光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡是中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)室常見的儀器，可以大膽地應(yīng)用于微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)[7]。模仿生物玻片標(biāo)本的觀察方法，將金屬樹標(biāo)本放置于顯微鏡載物臺(tái)上，調(diào)節(jié)粗細(xì)準(zhǔn)焦螺旋即可觀察。利用配套手機(jī)夾將手機(jī)固定在目鏡上，可以隨時(shí)拍攝照片。

筆者拍攝的金屬樹見圖2，第1～3行分別是銅樹、銀樹、鉛樹，左列是放大40倍的效果，右列是放大100倍的效果。由此可見，金屬樹標(biāo)本在顯微鏡下的成像非常清晰，各種金屬樹枝晶結(jié)構(gòu)的差異一目了然。但是，光學(xué)顯微鏡的光線是由下向上照射的，不透光物體都呈現(xiàn)黑色，因此無(wú)法呈現(xiàn)金屬樹原本的顏色。

4.2 數(shù)碼體視鏡

數(shù)碼體視鏡（解剖鏡）的光線由上至下照射，物鏡接收的是反射光，因此可以顯示顏色。將金屬樹標(biāo)本放在載物臺(tái)上，體視鏡自動(dòng)將圖像傳輸至計(jì)算機(jī)。調(diào)節(jié)焦距后，金屬樹微觀結(jié)構(gòu)就清晰地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，實(shí)驗(yàn)者可以直接截圖保存。

圖3是筆者拍攝的放大50倍的圖像（局部），a、 b、 c分別代表銅樹、銀樹、鉛樹。除觀察到金屬樹枝晶結(jié)構(gòu)形態(tài)外，還可以發(fā)現(xiàn)銅樹頂端（新生成的銅單質(zhì)）呈紅色，而根部（生成時(shí)間較長(zhǎng)的銅單質(zhì)）已經(jīng)被溶液中溶解的氧氣氧化成黑色[8]。

4.3 手機(jī)微距鏡

對(duì)于少數(shù)沒(méi)有配備顯微鏡的學(xué)校，還可以用微距攝影的方法代替。在手機(jī)后置攝像頭上安裝手機(jī)微距鏡，對(duì)準(zhǔn)金屬樹標(biāo)本即可拍攝。雖然放大的倍數(shù)不是很高，但依然可以觀察到金屬樹生長(zhǎng)的基本形態(tài)（銅樹效果見圖4）。

5 實(shí)驗(yàn)用途

本實(shí)驗(yàn)具有成本低、易操作、效果明顯、趣味性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合在中學(xué)推廣。建議本實(shí)驗(yàn)可以用于以下情況。（1）課堂引入： 在講解金屬活動(dòng)性順序前演示本實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生興趣；（2）拓展實(shí)驗(yàn)： 指導(dǎo)學(xué)生分組完成實(shí)驗(yàn)，拓展原電池知識(shí)，理解鐵置換銅的反應(yīng)不能為鐵件鍍銅的原因[9]；（3）家庭實(shí)驗(yàn)： 本實(shí)驗(yàn)材料易得、安全性高，學(xué)生可在家完成標(biāo)本制作，然后帶至學(xué)校觀察；（4）課外探究： 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究溫度、溶液濃度、金屬種類、有無(wú)催化劑（氯離子）等因素對(duì)金屬樹生長(zhǎng)情況（速度、形態(tài)）的影響，亦可將不同溶液（例如硫酸銅和硝酸銀）混合后反應(yīng)，觀察金屬樹種類，比較反應(yīng)先后順序。

參考文獻(xiàn)：

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[9]鄒月娥. 鐵置換銅反應(yīng)能否用于鋼鐵件鍍銅[J]. 化學(xué)教學(xué)， 1997， （5）： 36.