電解反應中金屬枝晶結構的觀察

凌一洲 顏曉紅

摘要： 樹枝狀金屬枝晶結構（金屬樹）廣泛存在于生成金屬的電解反應中。在化學教學領域，傳統電解實驗難以觀察到金屬樹，需要做壓縮反應空間和觀察方式的可視化改進。

改進后可觀察到金屬樹的細節結構和生長過程，

且不同種類的金屬樹生長速率和形態具有很大差異。將本實驗應用于化學教學，可以培育學生宏微結合、模型認知、實驗探究、創新意識等核心素養。

關鍵詞： 電解反應; 可視化; 金屬枝晶結構; 金屬樹

文章編號： 10056629（2019）1005205 ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ?文獻標識碼： B

樹枝狀金屬枝晶結構（可稱之為金屬樹）廣泛存在于生成金屬的原電池反應、電解池反應或金屬冷卻結晶過程中。在傳統的生成金屬的置換反應（原電池反應）和電解反應（電解池反應）中，實驗者通常只能觀察到生成金屬的顏色，如果要看清其細節結構和生長過程，則需對實驗做可視化改進。筆者在《化學教學》2018年第6期介紹了置換反應中金屬枝晶結構的觀察方法[1]，本文將介紹電解反應中金屬枝晶結構的觀察方法。

1 研究背景

1.1 材料科學領域

金屬樹具有形式上的對稱性和實質上難以理解的復雜性[2]，吸引了材料科學研究者深入的研究，包括生長條件（電壓、電流、溫度、空間等）對金屬樹生長狀態的影響[3～4]、金屬樹生長模型構建和計算機模擬[5～7]等。但是，這種研究較為復雜，成本高（一般用掃描電鏡觀察），周期長，不適合在中學推廣。

1.2 科技傳播領域

在科技傳播領域，“美麗科學”團隊與中國化學會合作，用顯微攝影技術拍攝了《電沉積》影片，主要包括了銅樹（圖1a）、銀樹（圖1b）、鉛樹（圖1c）、鋅樹（圖1d）等5種金屬樹，向公眾傳播化學反應的現象之美，引起了廣泛關注。

但是，這種實驗方法技巧性較強（可能要拍攝多次才能清晰對焦），而且需要用數碼體視鏡拍攝（中學很少配備），因此不便在中學直接操作。

1.3 化學教學領域

化學教學領域的金屬樹實驗可以在趣味實驗、演示實驗、家庭實驗等教學活動中得到應用，對激發學生興趣、培養科學素養和提高教學質量有積極作用[8]。目前，這種金屬樹實驗多由金屬與鹽溶液置換反應產生，即原電池產生的金屬樹[9]。其實，電解反應產生的金屬樹與置換反應相比，周期更短，現象更明顯，趣味性更強，值得進一步開發，成為有價值的實驗素材。

2 實驗原理

以電解精煉銅為例，通電后，陽極銅原子失去電子，變為銅離子進入溶液中，溶液中的銅離子在陰極得到電子，變為銅原子沉積在陰極表面。先生成的金屬銅與陰極連為一體，組成新的陰極。后生成的金屬銅可以在先生成的金屬銅上生成，使金屬銅不斷延伸、分枝、迭代，與樹的生長過程和形態相似。

3 實驗思路

3.1 反應空間平面化

常規的電解實驗在燒杯（三維空間）中進行，金屬樹生長的方向不確定，難以定位觀察。因此在進行可視化改進時，要把反應空間壓縮成薄薄一層（近似平面）。

3.2 減少金屬樹數量

常規的電解實驗用金屬棒或平行金屬片作電極，大量金屬樹在一個面上同時生長，生長速度緩慢且相互重疊交錯干擾。因此在進行可視化改進時，只能讓金屬樹在一條線或一個點上生長，在減少金屬樹數量的同時提高其生長速率。

3.3 制成玻片標本

常規實驗生成的金屬樹在受到輕微擾動后極易被破壞，或因受到重力而自行脫落。因此在進行可視化改進時，可以把金屬樹制作成玻片標本，便于移動和短期保存。

3.4 用微距攝影觀察

常規實驗僅用肉眼粗略地觀察，實驗者很難看清細節，更難前后對比。因此在進行可視化改進時，可以用帶有微距鏡頭的智能手機拍攝反應過程，達到放大現象、記錄過程的效果。

4 金屬樹標本的制作

4.1 制作材料

薄金屬片（銅片、銀片、鉛片、鋅片等）、含有金屬離子的鹽溶液（硫酸銅、硝酸銀、乙酸鉛、硫酸鋅、氯化鈷等溶液）;載玻片、剪刀、雙面膠、單面膠、滴管、9V電池（或穩壓直流電源）、導線、開關

4.2 制作方法

（1） 見圖2a，從金屬片上剪下2片圖示形狀的金屬片電極（寬約2mm，下方尖角為高2mm的等邊三角形），用雙面膠把2片金屬片粘貼在載玻片上（間距約10mm）。

（2） 見圖2b，在2片金屬片電極上覆蓋一片載玻片，用力捏緊2片載玻片同時用單面膠捆緊。

（3） 見圖2c，將標本翻轉180°，用滴管在加液處緩慢滴加含有對應金屬離子的鹽溶液，溶液會滲入2片載玻片的間隙，使2片金屬片電極之間充滿電解質溶液。

（4） 將標本再次翻轉180°（如圖2b狀態），用導線將上下電極分別連接在9V電池的正負極。

（5） 接通電源后，陰極尖角處會逐漸生長出金屬樹，待金屬樹枝尖剛剛觸碰到陽極時，斷開電源。

4.3 其他說明

各種電解質溶液用固體加水直接配制，不要額外加酸，否則在電解時容易產生氣泡。建議電解質溶液現配現用。

如果金屬片材料不易獲得（例如鈷片），可以選用其他常見金屬片（例如鋅片）代替，在添加電解質溶液后迅速接通電源，減少置換反應的消耗。

如果在加液處添加電解質溶液時，不小心在2片載玻片之間產生了阻礙金屬樹生長的小氣泡，可以用濾紙吸干溶液后重新滴加。如果仍然無法消除氣泡，則可能是單面膠捆綁不夠緊，需再次加固。

5 金屬樹標本的觀察

金屬樹標本反應的空間范圍不到1cm2，雖然肉眼可以辨別，但依然無法看清細節和過程，因此筆者采用微距攝影的可視化技術[10～12]增強玻片標本的可觀察性。

5.1 實驗材料

金屬樹玻片標本（通電前）、鐵架臺、木夾、手機或平板電腦（前置攝像頭像素≥500萬）、微距鏡頭、升降臺、白色卡紙、補光燈。

5.2 實驗步驟

（1） 用木夾夾持金屬樹玻片標本中間偏左部位，把木夾固定在鐵架臺上。

（2） 在手機前置攝像頭上安裝微距鏡頭，把手機平放在升降臺上。上下調節升降臺高度和手機前后左右的位置，使金屬樹玻片標本的電極（尤其是尖角部位）清晰地呈現在手機屏幕中央。

（3） 把白色卡紙固定在玻片標本上方約15cm處，作為白色背景。如果室內燈光不足，可以用補光燈從側面補光。

（4） 點擊視頻錄像按鈕，拍攝5s后接通電源，通過手機屏幕觀察放大了的實驗現象。斷開電源，反應停止后結束錄像，回看視頻并截取中間過程圖像。

5.3 觀察效果

陰極尖角到陽極的實際距離（金屬樹最大高度）約為8mm，在微距鏡頭的放大下，手機屏幕上顯示的電極距離（金屬樹最大高度）約為40mm，細節部位也能清晰地觀察到。

反應結束后，拖動錄像的進度條，可以把金屬樹從開始生長到觸碰到陽極的全過程（通常在1min以上）在幾秒鐘內呈現，直觀地感受到金屬樹生長的變化過程，似乎有一種如臨其境的感覺。

6 實驗現象與解釋

表1是筆者用手機（iphone 6s plus）前置攝像頭（500萬像素）配合微距鏡頭（焦距約15mm）拍攝的銅樹、銀樹、鉛樹、鋅樹、鈷樹、錫樹。反應時間從接通電源時開始計算。

剛通電時，陰極尖角處首先生成微小的團狀金屬（看不出樹枝狀結構）。這是因為剛剛通電時，分布在陰極周圍的金屬離子首先轉移到陰極表面，還原成金屬原子沉積下來，其他金屬離子受到電場和濃度差作用也朝向陰極移動，還原并沉積。此時金屬晶核大量生成，不易生長枝晶，所以生成的金屬呈團狀。

通電一段時間后，陰極尖角處生成樹狀金屬枝晶，扎根尖角頂端并不斷向四周延伸（總體而言朝向陽極延伸），在2片載玻片之間的扁平空間形成肉眼可見的金屬樹。這是由于電極形狀差異、金屬離子濃度差異、場強分布差異等的存在和不斷變化，金屬離子更容易沉積在陰極的某些“活性點”上，形成樹枝狀結構[13]。隨著電解反應的進行，金屬樹上可能會形成新的“活性點”，導致金屬樹枝晶改變方向。

隨著反應的進行，金屬樹生長速率逐漸加快。這是由于生成的金屬樹與原有的陰極金屬片組成了新的陰極，隨著金屬樹的不斷生長，金屬樹前端到陽極的距離不斷減小，電場強度增大，陰極對金屬離子的吸引力增大，導致金屬沉積的速率不斷加快。

不同種類的金屬樹生長速率和形態具有很大差異。從生長速率看，錫樹生長最快，從開始生長到觸碰到陽極僅需約5s，現象非常明顯。銅樹生長最慢，從開始生長到觸碰到陽極耗時約5min，用肉眼直接觀察時很難看出動態變化過程。不同金屬樹生長速率快慢大致為： 錫樹>銀樹>鉛樹>鋅樹>鈷樹>銅樹。從生長形態看，各種金屬樹的形態各異，一般生長速率快的金屬樹枝晶較細。其原因可能包括金屬晶體結構差異等，較為復雜，本文不展開敘述。

7 教學應用

7.1 應用范圍

趣味實驗。在介紹電解池原理前完成本實驗，激發學生興趣。如果在金屬樹生長了一半時調換電源正負極，還會出現原本的金屬樹溶解、另一極又生長出金屬樹的有趣現象。

演示實驗。在介紹電解精煉銅時演示本實驗，陰極生成金屬的現象比傳統實驗明顯。實驗時，可以把金屬樹實時投影到屏幕，便于后排學生觀察。

探究實驗。引導學生進一步探究電壓、電流、溫度、電解質濃度、電極形狀、電極間距等因素對金屬樹生長速率和形態的影響，有條件的學校可以用數碼顯微鏡進一步觀察其微觀結構。

7.2 應用價值

對傳統的電解反應做了可視化改進，生成了大小合適的枝晶，形成了便于觀察的圖像。整個實驗具有微型小巧、易于操作、現象明顯、重復性好等優點。

較之傳統的電解實驗的粗略觀察（僅觀察金屬電極的顏色變化），本實驗對金屬枝晶結構的觀察更為精細，觀察的尺度介于肉眼宏觀與顯微鏡微觀之間。因此，實驗者可以觀察到團狀金屬、樹枝狀金屬、金屬樹生長速率變化和形態差異等更多的宏觀現象，并從微觀層面一一解釋現象，形成“結構決定性質”的觀念。對中學生來說，金屬樹是難得一見的現象，在獲得新奇的感性體驗的同時，還可進一步思考其產生的原因，構建模型描述和解釋金屬樹的現象，以及查找文獻或設計實驗驗證自己的猜想。另外，影響金屬樹生長的因素有很多，也為學生留下了繼續探究的空間。教師可以利用本實驗為載體，培養學生宏微結合、模型認知、實驗探究、創新意識等核心素養。

參考文獻：

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