置換反應中金屬枝晶結(jié)構(gòu)的觀察

凌一洲　施偉東　王國余　程鵬

摘要： 置換反應生成的金屬單質(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，采用壓縮反應空間和改變觀察方式的思路進行實驗探究。將置換反應制成玻片標本，將反應空間壓縮至薄層以防止“金屬樹”重疊干擾。用光學顯微鏡、數(shù)碼體視鏡、手機微距鏡等設備觀察金屬樹標本，可清晰地觀察到金屬樹枝晶的細節(jié)結(jié)構(gòu)。該實驗可作為課堂實驗、家庭實驗或課外探究等教學活動，適合在中學推廣。

關鍵詞： 金屬置換反應； 金屬樹； 顯微鏡； 可視化； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2018）6-0079-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

在金屬的置換反應中，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)的置換反應在試管中進行，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，而無法觀察生成物的細節(jié)結(jié)構(gòu)和生成過程。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主要有以下3個方面。

1.1 改變反應載體

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現(xiàn)象的粉筆上完成類似的實驗[4]。

筆者嘗試了該實驗，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。30min后觀察現(xiàn)象，金屬樹分別生長，但銀樹、鉛樹由于枝干較細、顏色過淡，均難以辨別，效果不佳。銅樹生長效果較好，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，銅樹生長受到濾紙干擾，銅樹

枝晶細節(jié)模糊不清。

所以，改變反應載體的做法只適合觀察精度要求不高的趣味實驗（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 改變反應介質(zhì)

有研究者用凝膠代替水作為反應介質(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[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生長，在顯微鏡下顯得密密麻麻、相互交錯，上下之間相互干擾，造成銅樹枝干細節(jié)難以辨別。所以，僅改變反應介質(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節(jié)部分。

1.3 改變觀察方式

還有研究者用高清攝像機拍攝金屬樹。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直接拍攝[6]。這種技術放大了實驗現(xiàn)象，可以清晰地觀察到銅樹生長的細節(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的焦距范圍很窄，由于銅樹生長的方向不能確定，因此要反復調(diào)試才能恰好拍到不失焦的視頻。而且高清攝像機和微距鏡頭價格昂貴，一般學校難以配備。所以，用高清攝像機拍攝現(xiàn)象的做法成本高、操作難、耗時長、不確定性大，雖然能清晰拍攝到金屬樹，但難以在中學推廣。

2 改進思路

現(xiàn)有的金屬樹實驗存在的問題、解決方法與預期效果概括如表1所示。

筆者采用壓縮反應空間（將置換反應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觀察）的思路，設計了一種可以形成單獨金屬樹并保存較長時間的裝置——金屬樹玻片標本。

3 金屬樹標本的制作

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

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”。反應時，金屬樹扎根于鋅片，不斷向外圍生長，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，銀樹枝干最細生長最快，銅樹枝干最粗生長最慢，其形態(tài)各不相同。1小時后，反應基本結(jié)束，金屬樹分散分布于圖1稀疏陰影的全部空間。

4 金屬樹標本的觀察

4.1 光學顯微鏡

光學顯微鏡是中學生物實驗室常見的儀器，可以大膽地應用于微型化學實驗[7]。模仿生物玻片標本的觀察方法，將金屬樹標本放置于顯微鏡載物臺上，調(diào)節(jié)粗細準焦螺旋即可觀察。利用配套手機夾將手機固定在目鏡上，可以隨時拍攝照片。

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。將金屬樹標本放在載物臺上，體視鏡自動將圖像傳輸至計算機。調(diào)節(jié)焦距后，金屬樹微觀結(jié)構(gòu)就清晰地顯示在計算機屏幕上，實驗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（生成時間較長的銅單質(zhì)）已經(jīng)被溶液中溶解的氧氣氧化成黑色[8]。

4.3 手機微距鏡

對于少數(shù)沒有配備顯微鏡的學校，還可以用微距攝影的方法代替。在手機后置攝像頭上安裝手機微距鏡，對準金屬樹標本即可拍攝。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的基本形態(tài)（銅樹效果見圖4）。

5 實驗用途

本實驗具有成本低、易操作、效果明顯、趣味性強等優(yōu)點，適合在中學推廣。建議本實驗可以用于以下情況。（1）課堂引入： 在講解金屬活動性順序前演示本實驗，激發(fā)學生興趣；（2）拓展實驗： 指導學生分組完成實驗，拓展原電池知識，理解鐵置換銅的反應不能為鐵件鍍銅的原因[9]；（3）家庭實驗： 本實驗材料易得、安全性高，學生可在家完成標本制作，然后帶至學校觀察；（4）課外探究： 引導學生進一步探究溫度、溶液濃度、金屬種類、有無催化劑（氯離子）等因素對金屬樹生長情況（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，觀察金屬樹種類，比較反應先后順序。

參考文獻：

[1]吳孫富. “銅樹”的生長原理[J]. 中學化學， 2011， （2）： 17.

[2]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.

[3]徐春蕓. 2個趣味實驗在初中化學教學中的應用[J]. 化學教育， 2017， 38（23）： 47～49.

[4]陳凱， 陳昌云， 張麗娜. 制作“金屬樹”的微型趣味實驗[J]. 中學化學教學參考， 2008， （4）： 44.

[5]許騁藝， 顧伊寧， 王德明等. 瓊脂凝膠中的銅-鋁置換反應[J]. 化學教育， 2017， 38（9）： 52～54.

[6]梁琰. 美麗的化學反應[M]. 北京： 清華大學出版社， 2016.

[7]陳凱. 基于顯微技術的微型化學實驗——介紹一種新興化學實驗方法[J]. 化學教學， 2008， （5）： 16～18.

[8]章偉光， 晏軍. 鋅與硫酸銅的置換反應中氧化銅生成原因探討[J]. 化學教學， 1993， （5）： 39～39.

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