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(jià)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(dòng)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(dòng)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(hào)： 10056629（2020）01005505

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)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(jià)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(jí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(jiǎn)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(jià)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(rùn)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(zhǎng)（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(huì)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(huì)在銅絲與宣紙接觸的地方為基點(diǎn)，沿著紙張表面逐漸長(zhǎng)成一個(gè)個(gè)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(gè)體，每個(gè)人都有自己的想法，可以大膽地鼓勵(lì)他們?nèi)L試探索，也許會(huì)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(huì)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(zhǎng)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(zhǎng)，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(rùn)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(zhǎng)，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(gè)銅枝生長(zhǎng)速率相同[9]，制出的四個(gè)“銅樹”間有個(gè)明顯的十字分界線，像一朵花的四個(gè)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(dòng)性順序表是人們?cè)谶M(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(dòng)性順序。在金屬活動(dòng)性順序表里，位于前面的金屬能把位于后面的金屬?gòu)乃鼈兊幕衔锶芤褐兄脫Q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(dòng)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(jià)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(dòng)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(jià)格昂貴，且反應(yīng)最慢，約一天時(shí)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(jià)比最高的，藥品價(jià)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(jià)易得、操作簡(jiǎn)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(cuò)。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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(huì)，顏色會(huì)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(duì)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(shì)是吸水性好可以凸顯銀的銀白色光澤，有時(shí)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(rùn)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(gè)“金屬樹”也不會(huì)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(jià)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(bào)， 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.