金屬置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的審美化改進(jìn)

王振 嚴(yán)業(yè)安 胡志剛 凌一洲

摘要： 以可視化技術(shù)改進(jìn)初中化學(xué)教材中的金屬置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，使其更具審美價值。改進(jìn)銅和硝酸銀溶液、鋁和硫酸銅溶液在試管中發(fā)生的置換反應(yīng)，以宣紙為反應(yīng)載體，置換出的“銀樹”和“銅樹”呈現(xiàn)明顯的樹枝晶，僅憑肉眼即可清晰觀察。改變實(shí)驗(yàn)材料等因素，使“金屬樹”呈現(xiàn)不同的造型，兼具美感和創(chuàng)意，給實(shí)驗(yàn)者留下探索和創(chuàng)作的空間。結(jié)合金屬活動性順序表提出制作“金屬樹”實(shí)驗(yàn)的最佳方案。實(shí)驗(yàn)適合作為課外拓展實(shí)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)拍攝可視化視頻，展現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)的融合，培養(yǎng)學(xué)生動手實(shí)踐、創(chuàng)新精神等核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 置換反應(yīng); 金屬樹; 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 可視化; 化學(xué)美育

文章編號： 10056629（2020）01005505

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)[1]在“身邊的化學(xué)物質(zhì)”章節(jié)明確提出：“用五彩繽紛的化學(xué)物質(zhì)和豐富多彩的化學(xué)變化，讓學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)美”。在陳慧媛等[2]的調(diào)查中，專家組根據(jù)現(xiàn)實(shí)需求和自身經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)充了“生活化學(xué)與美麗化學(xué)”的核心素養(yǎng)。

國內(nèi)許多教育工作者和科研人員也在積極探索化學(xué)美育的落地方式——化學(xué)實(shí)驗(yàn)的審美化改進(jìn)，例如凌一洲等[3]用顯微鏡、微距鏡等設(shè)備將實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、過程等進(jìn)行藝術(shù)化的圖像呈現(xiàn)……都給化學(xué)美找到了一種全新的呈現(xiàn)形式，但受制于價格高昂的設(shè)備、繁瑣的操作或?qū)I(yè)的拍攝技巧等限制，不太容易在初中實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。

九年級人教版教材中展示了鋁和硫酸銅、銅和硝酸銀在試管中發(fā)生的置換反應(yīng)圖片，雖然現(xiàn)象明顯，但通過肉眼只能看到在鋁線的表面覆蓋一層紅色的物質(zhì)，銅線的表面覆蓋一層灰白色的物質(zhì)，置換出的金屬在溶液中呈蓬松狀，不美觀。有研究者嘗試在瓊脂中進(jìn)行銅和硝酸銀[4]、鋁銅置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[5]可以呈現(xiàn)出美麗的金屬晶體，但仍需要先制作瓊脂，操作相對較繁瑣，而且無法完整呈現(xiàn)置換出的金屬晶體細(xì)節(jié)的美。

以宣紙為載體的置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)[6]，把相對活潑金屬放到浸有不活潑金屬化合物溶液的紙上，置換出來的金屬晶體沿著紙張表面像樹枝一樣逐漸生長，可不借助任何儀器憑肉眼就能清晰地觀察到置換出的美麗金屬枝晶。不僅藥品用量少、操作簡單，而且現(xiàn)象明顯、美觀。為了便于區(qū)分，筆者把在紙上置換出的金屬晶體統(tǒng)稱為“金屬樹”，以此類推，由銅形成的晶體花紋稱為“銅樹”，由銀形成的晶體花紋稱為“銀樹”。

1 “銀樹”： 銅與硝酸銀溶液的置換反應(yīng)

1.1 教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

教材中，銅絲浸入硝酸銀溶液中，置換出的銀呈灰白色附著在銅絲的表面，不太美觀。硝酸銀價格比較昂貴，在試管中進(jìn)行銅和硝酸銀溶液的反應(yīng)，不僅藥品用量大，而且置換出的銀是灰白色的，與學(xué)生認(rèn)知中銀白色的銀相差甚遠(yuǎn)。黃秀鏗等[7]為了更清晰地觀察銀晶體析出的形態(tài)，以瓊脂和水為介質(zhì)進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，得出在瓊脂中產(chǎn)生的銀晶體為樹枝狀，溶液中為團(tuán)簇狀。這類改在瓊脂表面的實(shí)驗(yàn)，能在實(shí)驗(yàn)中感受美麗的銀晶體的形成，但需要先制作瓊脂，再將其置于硝酸銀溶液中，制得硝酸銀瓊脂凝膠，然后再進(jìn)行置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，操作比較麻煩，而且瓊脂內(nèi)部置換出的銀也無法觀察。

直接用平放在培養(yǎng)皿上的黑色宣紙作為反應(yīng)的載體改進(jìn)銅與硝酸銀溶液的實(shí)驗(yàn)，也取得了很好的效果。如鋅粒放到用硝酸銀溶液潤濕的黑色宣紙上，置換出來的銀晶體以鋅粒為原點(diǎn)，沿著紙張表面像樹枝一樣逐漸生長（見圖1），“銀樹”驚艷的美纖毫畢現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生切身體會到化學(xué)中的藝術(shù)，感受科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合。

1.2 創(chuàng)意拓展實(shí)驗(yàn)

同樣地，把銅絲折成一定形狀放到浸有硝酸銀溶液的黑色宣紙上，就會在銅絲與宣紙接觸的地方為基點(diǎn)，沿著紙張表面逐漸長成一個個銀白色的“銀樹”，恰似要隨風(fēng)飛舞的蒲公英（見圖2）。

把銅絲改成銅片也可以制出“銀樹”，如把剪切成三角形的銅片放置成正方形，放置在浸有硝酸銀的黑色宣紙上，制出的“銀樹”像一顆黑色的寶石，光芒四射（見圖3）。如果把銅換成其他的較活潑金屬也能制出相應(yīng)的“銀樹”，學(xué)生是獨(dú)立的個體，每個人都有自己的想法，可以大膽地鼓勵他們?nèi)L試探索，也許會得到意外的驚喜。

2 “銅樹”： 鋁與硫酸銅溶液的置換反應(yīng)

2.1 教材實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

教材中，鋁絲浸入硫酸銅溶液中，在鋁絲的表面附著一層蓬松的、紫紅色的銅，現(xiàn)象明顯，但會有氣泡產(chǎn)生，美觀性不足。產(chǎn)生的氣泡是硫酸銅水解產(chǎn)生的硫酸與鋁發(fā)生置換反應(yīng)生成的氫氣。許騁藝等[8]改成在含銅離子的瓊脂凝膠中進(jìn)行銅鋁置換反應(yīng)，鋁片（箔）做成波浪長條將反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡集中在彎曲凹處，不干擾銅結(jié)晶的連續(xù)生長，實(shí)驗(yàn)效果較好，可以清晰地觀察到生成漂亮的銅結(jié)晶樹枝狀結(jié)構(gòu)。這類改在瓊脂表面的實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生觀察到常規(guī)試管中不易觀察到的反應(yīng)過程的細(xì)節(jié)，但仍需要先制作含銅離子的瓊脂，然后再進(jìn)行置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，操作比較麻煩，而且瓊脂內(nèi)部置換出的銅也無法觀察。筆者仍直接用宣紙作為反應(yīng)的載體改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，取得較好的效果。把鋅粒放到用氯化銅溶液（或者硫酸銅和氯化銅溶液的混合物，氯離子效應(yīng)可以加快反應(yīng)速率）潤濕的宣紙上，置換出來的銅晶體以鋅粒為根基沿著紙張表面像樹枝一樣逐漸生長，形成紫紅色的“銅樹”（見圖4），像蒼勁有力的松枝。

2.2 創(chuàng)意拓展實(shí)驗(yàn)

把四顆鋅粒放置在浸有氯化銅的宣紙上，由于四個銅枝生長速率相同[9]，制出的四個“銅樹”間有個明顯的十字分界線，像一朵花的四個花瓣（見圖5）。

鐵絲是生活中常見的一種金屬，因鐵絲具有延展性，可以裁剪折成不同形狀，把置換出來的“銅樹”擺成特定的造型，如極具創(chuàng)意的“LOVE銅樹”（見圖6），別具一番特色。

3 結(jié)果討論

3.1 最佳“金屬樹”的選擇

金屬活動性順序表是人們在進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)探究的基礎(chǔ)上，經(jīng)過去偽存真、由表及里的分析，歸納和總結(jié)出了金屬在溶液中的活動性順序。在金屬活動性順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬從它們的化合物溶液中置換出來。但是在實(shí)踐中，并非所有金屬都適合完成“金屬樹”的實(shí)驗(yàn)。

鉑和金位于金屬活動性順序表的末位，理論上可以制出“鉑樹”和“金樹”，但鉑和金屬于貴重金屬，其化合物價格昂貴，故不是最佳選擇。金屬汞是常溫下唯一呈現(xiàn)液態(tài)的金屬，置換反應(yīng)生成的汞呈液態(tài)，易揮發(fā)、有毒，故不建議中學(xué)生制“汞樹”。鉀、鈣、鈉三種金屬位于金屬活動性順序表的前三位，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，當(dāng)把它們放入金屬化合物溶液中，它們是先和水發(fā)生反應(yīng)，因而無法制作相應(yīng)的“金屬樹”。因?yàn)椤版V樹”“鋁樹”“鋅樹”“鐵樹”比較活潑，所以實(shí)驗(yàn)效果也不太理想。

故實(shí)驗(yàn)室中制作“金屬樹”以“銅樹”“錫樹”“鉛樹”“銀樹”為最佳，較活潑金屬以“鋅、鐵、鋁、錫、銅”為最佳，詳見圖7。各種“金屬樹”的形態(tài)和顏色都有所不同，“銅樹”呈現(xiàn)紫紅色，“鉛樹”呈現(xiàn)銀白色或灰黑色，“銀樹”和“錫樹”都呈現(xiàn)銀白色。在試管中置換反應(yīng)無法展示的細(xì)節(jié)，在宣紙上置換出的“金屬樹”明顯展示出不同的形態(tài)和色澤，其反應(yīng)速率也不同。

筆者經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)總結(jié)得出，二氯化錫溶液易水解故需在濃鹽酸中配制，導(dǎo)致“錫樹”宣紙和培養(yǎng)皿中間易形成氣泡，但“錫樹”是反應(yīng)最快的;“銀樹”使用硝酸銀溶液價格昂貴，且反應(yīng)最慢，約一天時間才能完全成型，但“銀樹”因化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定能保存較久;“銅樹”是性價比最高的，藥品價格低廉，現(xiàn)象明顯，因而制“銅樹”可以開發(fā)成趣味科普實(shí)驗(yàn)[10]。該實(shí)驗(yàn)所需器材藥品廉價易得、操作簡單、現(xiàn)象美觀，尤其是目前用量最大的鐵在生活中隨處可見，有些鐵制品本身就有一定的幾何造型，給實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新提供無限的可能。生活中很常見的鋁質(zhì)電線，使用之前需先除去表面致密的氧化膜，用來置換其他金屬效果也不錯。另外，五金店也為實(shí)驗(yàn)提供很多常見金屬和有創(chuàng)意的靈感。

3.2 “金屬樹”實(shí)驗(yàn)的可視化探索

無論是試管溶液還是瓊脂中的置換反應(yīng)都是三維立體的，而在宣紙上的置換反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是二維的平面結(jié)構(gòu)圖，因而用數(shù)碼相機(jī)或手機(jī)拍攝宣紙上的置換反應(yīng)過程可以取得很好的效果。以銅和硝酸銀溶液反應(yīng)為例，詳見圖8。左圖為在瓊脂介質(zhì)中的樹枝狀銀，中圖為水介質(zhì)中析出的團(tuán)簇狀銀，右圖為黑色宣紙載體上析出的花紋式銀，僅從置換出的銀晶體結(jié)構(gòu)就發(fā)現(xiàn)在宣紙上置換出的晶體更漂亮美觀。

從立體空間角度看，用手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)拍二維平面畫面要比在溶液和瓊脂中的立體畫面效果更好。多種多樣的金屬為學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究提供了很多研究的切入點(diǎn)，況且金屬可以制成各種形狀，為可視化實(shí)驗(yàn)提供無限的創(chuàng)意靈感。開發(fā)“金屬樹”的可視化課程適合作為課外興趣或拓展實(shí)驗(yàn)，不僅能用于日常教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的審美情趣，而且能用化學(xué)知識創(chuàng)造化學(xué)中的藝術(shù)，展現(xiàn)科學(xué)與藝術(shù)的融合。

在即將到來的5G時代，日益普及的手機(jī)拍攝性能越來越好，短小、有趣、精美的科學(xué)小視頻或微視頻越來越受到人們的推崇和喜愛，但目前數(shù)量和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足人們的需求。用手機(jī)（可加上微距攝像頭觀察）拍攝科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的細(xì)節(jié)之美，制作成的小視頻或微視頻，將有極大的探索空間和發(fā)展前景，也必將在5G時代大放異彩。

3.3 “金屬樹”實(shí)驗(yàn)疑問的釋疑

有些實(shí)驗(yàn)者在燒杯或結(jié)晶皿中模仿本實(shí)驗(yàn)有時現(xiàn)象不明顯，原因是宣紙上的溶液很容易變干，故建議用蒸發(fā)皿必須蓋上蓋子或者加一層塑料膜。在宣紙上置換出的“金屬樹”有些在宣紙上方，有些在宣紙下方（即宣紙和培養(yǎng)皿的間隙），大多數(shù)在宣紙的下方比較好看。筆者認(rèn)為其原因可能是置換出的金屬在培養(yǎng)皿底有利于金屬原子堆積，沿著培養(yǎng)皿底呈現(xiàn)枝條清晰的花紋，而且置換出的金屬隔了一層宣紙降低了被空氣氧化的機(jī)會，顏色會更加的靚麗。

“銀樹”中的銀枝條雖然很纖細(xì)，但化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，可以不做任何處理放置半年后花紋依然靚麗如初。但其他“金屬樹”制成后幾天，金屬枝條花紋即被氧化衰敗，因此像“銅樹”“錫樹”和“鉛樹”若要永久保存，制成后就要進(jìn)行標(biāo)本紙塑封或者用水晶滴膠封存。

如果用濾紙代替宣紙，也可以取得較好的效果。黑色宣紙的優(yōu)勢是吸水性好可以凸顯銀的銀白色光澤，有時候還能遮擋一些不相關(guān)金屬化合物造成的顏色干擾，如用鐵制“銅樹”可遮擋鐵離子顏色的干擾。

4 結(jié)束語

天空中每一片雪花的生成路徑和形成條件都不一樣，因此“沒有兩片雪花是完全一樣的”[11]。同樣，由于宣紙不同的纖維結(jié)構(gòu)、金屬和浸有金屬化合物溶液的宣紙不同的接觸面積、潤濕的宣紙是否緊貼培養(yǎng)皿，甚至“金屬樹”的每一次沉積和分枝都存在不確定因素，因此每個“金屬樹”也不會完全相同。這也給實(shí)驗(yàn)者留下了創(chuàng)作的空間，每一位師生都可以發(fā)揮創(chuàng)意，改變實(shí)驗(yàn)的各種因素和條件，創(chuàng)造最具審美價值的“金屬樹”。

參考文獻(xiàn)：

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

[11]肯尼思·利布萊希特著. 王燕平， 張超譯. 雪花的答案： 冰凍藝術(shù)中的科學(xué)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社， 2017： 106.