“銀樹鍍銅”微科技項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與教學(xué)

凌一洲 陳靜 陳鵬文 程鵬

摘要： 江蘇省微科技課程基地開展的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目，具有小切口、低成本、易開發(fā)、有價(jià)值的特點(diǎn)，指向化學(xué)核心素養(yǎng)的培育，適合更普遍的中學(xué)生。在“銀樹鍍銅”項(xiàng)目探究中，以“銀樹鍍銅”現(xiàn)象為選題，多次提出假設(shè)并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了生成物的成分，解釋了異常現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，構(gòu)建了反應(yīng)的原電池模型，化解了認(rèn)知沖突。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng); 微科技項(xiàng)目; 原電池; 銀樹鍍銅; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2018）11-0070-03中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

2013年，江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)開始微科技課程的探索實(shí)踐;2017年，學(xué)校被省教育廳命名為江蘇省微科技課程基地。依托基地開展的微科技項(xiàng)目，是指在教師指導(dǎo)下，由學(xué)生完成的小切口、低成本、易開發(fā)、有價(jià)值的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。

化學(xué)微科技項(xiàng)目主要以實(shí)驗(yàn)為選題，指向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。項(xiàng)目不照搬陳舊的選題，而是從現(xiàn)實(shí)中直接發(fā)現(xiàn)和提出;沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，要根據(jù)探究目的自行設(shè)計(jì)并優(yōu)化;無(wú)法提前預(yù)知結(jié)論，要學(xué)生提出可能的假設(shè)，在實(shí)驗(yàn)中收集證據(jù)、解釋證據(jù)。筆者以“銀樹鍍銅”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為例，原汁原味地展示微科技項(xiàng)目層層深入的探究過(guò)程。

1 項(xiàng)目選題

以下是一個(gè)趣味實(shí)驗(yàn)： 在浸有硫酸銅溶液的濾紙上放一片鋅片，可發(fā)生置換反應(yīng)，生成向四周擴(kuò)散的樹枝狀的銅單質(zhì)（銅樹）[1]。

筆者用類似的方法制作銀樹： 在浸有0.5mol/L硝酸銀溶液的濾紙上放一片銅片，再在濾紙表面覆蓋一層塑料膜（防止溶液蒸發(fā)）并避光保存。反應(yīng)幾分鐘后，濾紙上生成銀白色樹枝狀物質(zhì)（銀樹），且銀樹周圍溶液變藍(lán)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，筆者將反應(yīng)裝置留下，過(guò)了兩三天再來(lái)處理，卻有了意外發(fā)現(xiàn)： 見(jiàn)圖1，銅片上生長(zhǎng)出的銀樹從銀白色變成了紅色（圖1左圖），在顯微鏡放大下更為明顯（圖1右圖）。

這與筆者的預(yù)期不符，是個(gè)異常現(xiàn)象。筆者重做了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象可以重復(fù)，而非偶然。雖然檢索了文獻(xiàn)，但未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。出于好奇，筆者將其作為微科技項(xiàng)目的選題，做了如下探究。

2 項(xiàng)目探究一

2.1 探究目的

探究濾紙上生成的紅色樹枝狀物質(zhì)的成分。

2.2 探究過(guò)程

分析： 由顏色判斷，樹枝狀物質(zhì)表面是銅，但內(nèi)部物質(zhì)無(wú)法確定。

猜測(cè)： （1）樹枝狀物質(zhì)可能是實(shí)心銅樹;（2）樹枝狀物質(zhì)可能是銀樹鍍銅。

驗(yàn)證： 樹枝狀物質(zhì)內(nèi)部成分決定了整體形狀，因此筆者分別在濾紙上制作了銅樹和銀樹，然后在顯微鏡下觀察形狀，并與未知樹枝狀物質(zhì)對(duì)比。

結(jié)果： 未知樹枝狀物質(zhì)的形狀與銀樹一致。

2.3 探究結(jié)論

濾紙上生成的紅色樹枝狀物質(zhì)的成分是銀樹鍍銅。

3 項(xiàng)目探究二

3.1 探究目的

探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

3.2 探究過(guò)程

分析： 按照常規(guī)的理解，銅與硝酸銀反應(yīng)只生成銀和硝酸銅，生成的銀單質(zhì)表面不會(huì)再生成銅。這個(gè)異常現(xiàn)象可能是受雜質(zhì)干擾造成的。

猜測(cè)： 銅片含有鐵等（更活潑的金屬）雜質(zhì)，與硝酸銅反應(yīng)生成銅單質(zhì)。

驗(yàn)證： 剪下一小塊銅片和鐵片，用膠帶粘連，放入硝酸銀溶液中，觀察現(xiàn)象。

結(jié)果： 銅片和鐵片上同時(shí)生成銀單質(zhì)，且鐵片上生成銀單質(zhì)的速率快。

3.3 探究結(jié)論

即使銅片含有鐵等雜質(zhì)，也應(yīng)該是雜質(zhì)先與硝酸銀反應(yīng)，不會(huì)形成銀樹鍍銅的現(xiàn)象，故猜測(cè)不成立。探究目的沒(méi)有達(dá)到。

4 項(xiàng)目探究三

4.1 探究目的

改變猜想，重新驗(yàn)證，繼續(xù)探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

4.2 探究過(guò)程

分析： 原反應(yīng)體系中存在銅、銀、硝酸銅、硝酸銀等物質(zhì)，但不一定都參與了鍍銅的反應(yīng)。如果能排除多余條件的干擾，就更容易探究反應(yīng)的本質(zhì)。

猜測(cè)： 只有銅、銀、硝酸銅（銅離子）才與鍍銅反應(yīng)有關(guān)。

驗(yàn)證： 剪下長(zhǎng)條狀的銅片，將其一半浸入硝酸銀溶液中約5分鐘，使銅片一半鍍銀。取出銅片后，先在蒸餾水中洗去硝酸銀殘留，再放入0.5mol/L硝酸銅溶液中，觀察銀鍍層表面現(xiàn)象。

結(jié)果： 銅片鍍銀時(shí)，銀鍍層呈灰黑色。浸入硝酸銅（或硫酸銅）溶液后，銀鍍層表面沒(méi)有紅色物質(zhì)生成。

4.3 探究結(jié)論

銀鍍層顏色發(fā)黑說(shuō)明本身就比較粗糙，所以即使生成了銅鍍層，其顏色也可能是黑色的。本次實(shí)驗(yàn)既無(wú)法驗(yàn)證猜測(cè)，也無(wú)法推翻猜測(cè)，探究的目的沒(méi)有達(dá)到。

5 項(xiàng)目探究四

5.1 探究目的

重新設(shè)計(jì)方案，再次驗(yàn)證“項(xiàng)目探究三”中的猜想，繼續(xù)探究銀樹上生成銅鍍層的原因。

5.2 探究過(guò)程

分析： 將反應(yīng)過(guò)程繼續(xù)抽象，可以把銀鍍層直接換成表面光滑平整的銀片。

驗(yàn)證： 剪下一小塊銅片和銀片，用膠帶粘連，完全浸沒(méi)在0.5mol/L硝酸銅溶液中，觀察現(xiàn)象（由于常溫下反應(yīng)較慢，可以用電磁爐加熱至約80℃）。

結(jié)果： 如果不加熱，1小時(shí)后銀片邊緣會(huì)微微泛紅，銅片表面失去光澤。如果加熱，15min后銀片表面就會(huì)變紅。

5.3 探究結(jié)論

由于銅片、銀片、硝酸銅（銅離子）兩兩之間都無(wú)法反應(yīng)，所以鍍銅的反應(yīng)是三者共同作用的結(jié)果。銅片與銀片相互接觸時(shí)，可以與硝酸銅溶液反應(yīng)，在銀片上生成銅鍍層（與原本的異常現(xiàn)象吻合）。

6 項(xiàng)目探究五

6.1 探究目的

構(gòu)建銅片、銀片、硝酸銅（銅離子）三者共同存在時(shí)發(fā)生反應(yīng)的模型。

6.2 探究過(guò)程

分析： 反應(yīng)經(jīng)過(guò)“項(xiàng)目探究五”的簡(jiǎn)化，已經(jīng)排除了其他多余條件。剩下的反應(yīng)在形式上符合原電池的特征。

建模： 銀樹與銅片在硝酸銅環(huán)境中構(gòu)成了如圖2所示的原電池（-）Cu（s）|Cu（NO3）2（aq）|Ag（s）（+），銅片相當(dāng)于負(fù)極，銀樹相當(dāng)于正極，硝酸銅溶液相當(dāng)于電解質(zhì)。反應(yīng)時(shí)，銅電極上的銅原子變?yōu)殂~離子進(jìn)入溶液，溶液中的銅離子再變?yōu)殂~原子沉積在銀電極表面。

解釋： 負(fù)極上，銅單質(zhì)表面的銅原子失去電子，變成銅離子進(jìn)入溶液，發(fā)生電極反應(yīng)：

正極上，溶液中的銅離子得到電子，變成銅原子附著在銀片上，發(fā)生電極反應(yīng)：

總反應(yīng)是：

負(fù)極上，銅原子從銅片表面脫離時(shí)，發(fā)生了金屬鍵的斷裂;正極上，銅原子附著在銀片表面時(shí)，銅原子插入金屬銀的晶格，形成新的金屬鍵。由于舊的金屬鍵鍵能小，新的金屬鍵鍵能大，所以造成了2個(gè)電極的電勢(shì)差，在熱力學(xué)上表現(xiàn)為自發(fā)反應(yīng)。當(dāng)銀片表面鍍了一層銅后，反應(yīng)即停止。

7 認(rèn)知沖突的化解

7.1 化解與常規(guī)習(xí)題的沖突

絕大多數(shù)中學(xué)生一開始都認(rèn)為這個(gè)反應(yīng)不可能發(fā)生，甚至一些習(xí)題也認(rèn)為同類反應(yīng)（例如以銅片、鋅片為電極，硫酸鋅為電解質(zhì)）不能構(gòu)成原電池，理由是： 不能發(fā)生氧化還原反應(yīng)，沒(méi)有化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

但實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)生了氧化還原反應(yīng)，而且反應(yīng)前后有化學(xué)鍵（金屬鍵）能量的差異。造成認(rèn)知沖突的關(guān)鍵在于，中學(xué)生通常把合金看作混合物，把銅原子從銅片轉(zhuǎn)移到銀片表面視為物理變化，沒(méi)有考慮金屬鍵的斷裂與生成[2]。

7.2 化解與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的沖突

傳統(tǒng)的銅絲與硝酸銀反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象只是銅絲表面變白，不會(huì)有銀樹鍍銅的現(xiàn)象，與本實(shí)驗(yàn)的異常現(xiàn)象不符。推測(cè)可能有以下原因： 一是試管中的硝酸銀通常來(lái)不及被反應(yīng)完，而且生成的銀樹容易受到重力和人為擾動(dòng)而被破壞，總之來(lái)不及等到銅鍍層生成。二是因?yàn)樵嚬苤猩傻你y樹表面相對(duì)粗糙，即使生成銅，也可能呈黑色，不便于觀察。

8 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)異常現(xiàn)象的不斷探究，筆者最終解釋了該現(xiàn)象。在此過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者加深了對(duì)電勢(shì)差的理解： 產(chǎn)生電勢(shì)差的原因是多樣的，除了常規(guī)化學(xué)反應(yīng)前后的能量差和溫度差、濃度差，甚至銅原子存在于2片電極上的金屬鍵鍵能差也能造成電勢(shì)差。

化學(xué)微科技項(xiàng)目在目標(biāo)定位上注重化學(xué)核心

素養(yǎng)的培育。如表1所示，在完成項(xiàng)目的過(guò)程中，多種核心素養(yǎng)得到了體現(xiàn)。

如今，許多中學(xué)生都參與了課外科研項(xiàng)目，各種高精尖（高級(jí)、精密、尖端）的化學(xué)項(xiàng)目在科技競(jìng)賽上屢見(jiàn)不鮮[4]。但筆者認(rèn)為，高精尖項(xiàng)目只適合極少數(shù)的拔尖人才，各中學(xué)不應(yīng)該盲目追求。對(duì)廣大的中學(xué)生來(lái)說(shuō)，小低易（小切口、低成本、易開發(fā)）的微科技項(xiàng)目同樣具有研究?jī)r(jià)值和育人價(jià)值，值得推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]許燕紅，楊吉祥，姚茜蕓等.影響銅樹生長(zhǎng)因素的探究[J].化學(xué)教育， 2015， 36（23）： 64～67.

[2]Bieron J.F. The “Golden Penny” Demonstration： An Explanation of the Old Experiment and the Rational Design of the New and Simpler Demonstration [J]. Journal of Chemical Education， 1995，72（5）： 386～388.

[3]凌一洲，程鵬.有價(jià)值的異常現(xiàn)象“微科技”課題的教學(xué)實(shí)施[J].化學(xué)教學(xué)， 2018，（3）： 34～37.

[4]中國(guó)科協(xié)青少年科技中心.第三十一屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽獲獎(jiǎng)作品集[M].北京： 科學(xué)普及出版社， 2016.