金屬活動(dòng)性順序之銅與硝酸銀溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

湖北省宜昌市金東方初中(443000) 梁宏宇

金屬活動(dòng)性順序是通過置換反應(yīng)概念以及一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上歸納得出的，比如鋁絲浸入硫酸銅溶液中、銅絲浸入硝酸銀溶液中以及銅絲浸入硫酸鋁溶液中。教師在演示銅絲浸入硝酸銀溶液中的實(shí)驗(yàn)時(shí)，從理論的角度分析，應(yīng)該看到銅絲表面有銀白色的固體物質(zhì)生成，溶液由無色變?yōu)樗{(lán)色，但在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，把銅絲浸入硝酸銀溶液后發(fā)現(xiàn)銅絲表面立刻出現(xiàn)黑色固體物質(zhì)，并不像想象的那樣生成銀白色固體物質(zhì)，如圖1所示。且經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才從黑色固體物質(zhì)上長(zhǎng)出銀白色的固體 (銀)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)很長(zhǎng)時(shí)間后

教學(xué)中這個(gè)問題的出現(xiàn)，讓教師花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間來演示該實(shí)驗(yàn)，而且也顛覆了學(xué)生的認(rèn)知，怎么生成的銀是黑色的，無疑給本節(jié)課的內(nèi)容增設(shè)了不少疑問。

那么為什么把銅絲浸入硝酸銀溶液中后發(fā)現(xiàn)銅絲表面立刻出現(xiàn)黑色固體物質(zhì)?又怎樣做才能避免這種情況的發(fā)生呢?對(duì)于產(chǎn)生的黑色物質(zhì)，有學(xué)者認(rèn)為銅與硝酸銀溶液反應(yīng)后生成的銀是粉末狀，由于漫反射的原因，銀應(yīng)具有的銀白色金屬光澤就不能很好的體現(xiàn)，可事實(shí)上，鐵粉的顏色也不是這般黑色而是灰色。也有學(xué)者說到，可能是銅發(fā)生了硫化反應(yīng)而產(chǎn)生了大量的黑色物質(zhì)，可是在銅與硝酸銀溶液反應(yīng)時(shí)，溶液中并沒有含硫元素的物質(zhì)，但空氣中可能會(huì)混有二氧化硫，同時(shí)溶解在水中或與水反應(yīng)。還有學(xué)者說到，銅絲與硝酸銀溶液反應(yīng)生成的銀不易附著在銅絲表面形成致密鍍層，而是形成一層淺灰色易脫落的疏松狀固體 (銀部分被氧化)，但事實(shí)上氧化銀是灰色的。還是沒能解釋開始時(shí)生成的黑色固體物質(zhì)是什么，學(xué)者們的研究中都只停留在研究銅和硝酸銀兩種反應(yīng)物反應(yīng)后如何優(yōu)化工藝得到純銀的問題上，并沒有考慮到銅與硝酸銀溶液反應(yīng)的環(huán)境因素。溶液中還溶有空氣成分，其中氧氣的氧化性不容忽視，在銅與硝酸銀溶液反應(yīng)的過程中，開始生成的黑色物質(zhì)，很有可能就是溶于水中的氧氣將銅氧化成氧化銅的。針對(duì)出現(xiàn)的問題，結(jié)合學(xué)者們的相關(guān)實(shí)驗(yàn)成果以及筆者的一些猜想，將實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下改進(jìn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 將銅與硝酸銀溶液混合制備銀

首先取2份等體積等濃度的硝酸銀溶液于2支試管中，將其放在試管架上，并備好經(jīng)打磨至光亮、數(shù)目及粗細(xì)程度相同的2扎銅絲。將其中1支裝有硝酸銀溶液的試管在酒精燈火焰上進(jìn)行加熱，使硝酸銀溶液達(dá)到沸騰，然后再將試管移開酒精燈火焰，防止液體濺出。這樣反復(fù)操作一段時(shí)間后，將其放回試管架上，立即將準(zhǔn)備好的2扎銅絲同時(shí)伸入2支試管中，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)、實(shí)驗(yàn)10min后、實(shí)驗(yàn)20min后分別觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

1.2 檢驗(yàn)開始時(shí)生成的黑色或灰色物質(zhì)是否為氧化銅

重復(fù)此實(shí)驗(yàn)，并將開始時(shí)2扎銅絲表面生成的灰色和黑色固體物質(zhì)收集起來，洗滌、過濾后分別放于另外2支試管中，并向其中各加入一定量等濃度的稀硫酸。為加快反應(yīng)速率，可分別將2支試管在酒精燈的火焰上進(jìn)行加熱。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 將銅與硝酸銀溶液混合制備銀

將2扎數(shù)目及粗細(xì)相同的銅絲伸入2支試管時(shí)，觀察到煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面立刻產(chǎn)生灰色固體物質(zhì)，仔細(xì)觀察細(xì)小的顆粒有銀白色金屬光澤。而未經(jīng)煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面立刻產(chǎn)生黑色固體物質(zhì)，仔細(xì)觀察細(xì)小的顆粒并無銀白色金屬光澤。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3、圖4所示。

圖3 銅與煮沸的硝酸銀溶液反應(yīng)現(xiàn)

圖4 銅與未煮沸的硝酸銀溶液反應(yīng)現(xiàn)象

10min以后，觀察到2支試管中銅絲表面都長(zhǎng)出了銀白色的固體物質(zhì)，但經(jīng)煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面開始長(zhǎng)出絨毛晶體，如圖5所示。20min分鐘后，觀察到2支試管中的銅絲表面都有銀白色固體生成，而且長(zhǎng)成了樹枝晶，但煮沸的硝酸銀溶液中樹枝晶最長(zhǎng)，而且長(zhǎng)出了幾條平行的樹枝晶，如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)10min后的現(xiàn)象

2.1.2 檢驗(yàn)開始時(shí)生成的黑色或灰色物質(zhì)是否為氧化銅

一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，裝有灰色固體物質(zhì)的試管中無明顯變化，而裝有黑色固體物質(zhì)的試管中黑色固體物質(zhì)消失，溶液顏色也發(fā)生了改變，表現(xiàn)為淡藍(lán)色。

圖6 實(shí)驗(yàn)20min后的現(xiàn)象

2.2 分析討論

實(shí)驗(yàn)中采用了對(duì)比試驗(yàn)的方法，在其他因素相同的情況下，只探究了硝酸銀溶液在煮沸和未煮沸的情況下與金屬銅反應(yīng)情況是否相同。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，可以明顯看出兩種處理的硝酸銀溶液對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。把銅絲伸入未經(jīng)煮沸的硝酸銀溶液中立即變黑，很有可能是水中溶有氧氣的因素影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具體表現(xiàn)在氧氣與已經(jīng)被活化的金屬銅發(fā)生了反應(yīng)生成氧化銅，所以變黑。而因?yàn)檠鯕獾娜芙舛入S溫度的升高而減小，所以將硝酸銀溶液幾次煮沸后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在很大程度上排除了氧氣與金屬銅反應(yīng)的可能，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果2.1.2中就有很好的表征。

但把銅絲伸入經(jīng)煮沸的硝酸銀溶液中，先看到銅絲表面有灰色固體生成，而后才慢慢看到銀白色的固體生成并慢慢長(zhǎng)成樹枝晶，這是因?yàn)榉磻?yīng)生成的銀是粉末狀，出現(xiàn)漫反射的緣故，而后才慢慢長(zhǎng)成樹枝晶。事實(shí)上，銅與硝酸銀溶液反應(yīng)生成金屬銀的過程可表現(xiàn)為銀的沉積過程，分為3個(gè)階段：外延生長(zhǎng)階段、過渡生長(zhǎng)階段、枝晶生長(zhǎng)階段。在沉積初期金屬銅表面吸附了銀原子而呈現(xiàn)外延生長(zhǎng)，并且以二維方式沿金屬銅表面鋪展；之后在局部才慢慢長(zhǎng)出枝晶，表現(xiàn)為過渡生長(zhǎng)；最后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，幾處樹枝狀的晶體逐漸長(zhǎng)大并平行生長(zhǎng)。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合一些學(xué)者相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，可以得出：教師在講授金屬活動(dòng)性順序內(nèi)容時(shí)，演示金屬銅與硝酸銀溶液的反應(yīng)前應(yīng)先將硝酸銀溶液裝入試管中反復(fù)煮沸，并用橡皮塞塞緊，或者授課時(shí)用酒精燈加熱煮沸硝酸銀溶液后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但前者效率更高、時(shí)間更短一些。同時(shí)，為了實(shí)驗(yàn)效果好，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象美觀，防止長(zhǎng)成的樹枝晶脫落，可取多根銅絲并做成一定形狀后再伸入硝酸銀溶液中進(jìn)行反應(yīng)。