湖北省宜昌市金東方初中(443000) 梁宏宇

金屬活動性順序是通過置換反應概念以及一些實驗事實的基礎上歸納得出的，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驗時，從理論的角度分析，應該看到銅絲表面有銀白色的固體物質生成，溶液由無色變?yōu)樗{色，但在實際操作過程中發(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，并不像想象的那樣生成銀白色固體物質，如圖1所示。且經過很長時間才從黑色固體物質上長出銀白色的固體 (銀)，如圖2所示。

圖2 實驗很長時間后

教學中這個問題的出現(xiàn)，讓教師花費很長的時間來演示該實驗，而且也顛覆了學生的認知，怎么生成的銀是黑色的，無疑給本節(jié)課的內容增設了不少疑問。

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?又怎樣做才能避免這種情況的發(fā)生呢?對于產生的黑色物質，有學者認為銅與硝酸銀溶液反應后生成的銀是粉末狀，由于漫反射的原因，銀應具有的銀白色金屬光澤就不能很好的體現(xiàn)，可事實上，鐵粉的顏色也不是這般黑色而是灰色。也有學者說到，可能是銅發(fā)生了硫化反應而產生了大量的黑色物質，可是在銅與硝酸銀溶液反應時，溶液中并沒有含硫元素的物質，但空氣中可能會混有二氧化硫，同時溶解在水中或與水反應。還有學者說到，銅絲與硝酸銀溶液反應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)，但事實上氧化銀是灰色的。還是沒能解釋開始時生成的黑色固體物質是什么，學者們的研究中都只停留在研究銅和硝酸銀兩種反應物反應后如何優(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的過程中，開始生成的黑色物質，很有可能就是溶于水中的氧氣將銅氧化成氧化銅的。針對出現(xiàn)的問題，結合學者們的相關實驗成果以及筆者的一些猜想，將實驗進行了如下改進。

1 實驗部分

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，并備好經打磨至光亮、數(shù)目及粗細程度相同的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行加熱，使硝酸銀溶液達到沸騰，然后再將試管移開酒精燈火焰，防止液體濺出。這樣反復操作一段時間后，將其放回試管架上，立即將準備好的2扎銅絲同時伸入2支試管中，在實驗開始時、實驗10min后、實驗20min后分別觀察并記錄實驗現(xiàn)象。

1.2 檢驗開始時生成的黑色或灰色物質是否為氧化銅

重復此實驗，并將開始時2扎銅絲表面生成的灰色和黑色固體物質收集起來，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。為加快反應速率，可分別將2支試管在酒精燈的火焰上進行加熱。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

2.1.1 將銅與硝酸銀溶液混合制備銀

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

圖3 銅與煮沸的硝酸銀溶液反應現(xiàn)

圖4 銅與未煮沸的硝酸銀溶液反應現(xiàn)象

10min以后，觀察到2支試管中銅絲表面都長出了銀白色的固體物質，但經煮沸的硝酸銀溶液中銅絲表面開始長出絨毛晶體，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，而且長成了樹枝晶，但煮沸的硝酸銀溶液中樹枝晶最長，而且長出了幾條平行的樹枝晶，如圖6所示。

圖5 實驗10min后的現(xiàn)象

2.1.2 檢驗開始時生成的黑色或灰色物質是否為氧化銅

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

圖6 實驗20min后的現(xiàn)象

2.2 分析討論

實驗中采用了對比試驗的方法，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情況是否相同。從實驗結果中，可以明顯看出兩種處理的硝酸銀溶液對于實驗結果的影響。把銅絲伸入未經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驗結果，具體表現(xiàn)在氧氣與已經被活化的金屬銅發(fā)生了反應生成氧化銅，所以變黑。而因為氧氣的溶解度隨溫度的升高而減小，所以將硝酸銀溶液幾次煮沸后再進行實驗，在很大程度上排除了氧氣與金屬銅反應的可能，在實驗結果2.1.2中就有很好的表征。

但把銅絲伸入經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成樹枝晶，這是因為反應生成的銀是粉末狀，出現(xiàn)漫反射的緣故，而后才慢慢長成樹枝晶。事實上，銅與硝酸銀溶液反應生成金屬銀的過程可表現(xiàn)為銀的沉積過程，分為3個階段：外延生長階段、過渡生長階段、枝晶生長階段。在沉積初期金屬銅表面吸附了銀原子而呈現(xiàn)外延生長，并且以二維方式沿金屬銅表面鋪展；之后在局部才慢慢長出枝晶，表現(xiàn)為過渡生長；最后隨著時間的延長，幾處樹枝狀的晶體逐漸長大并平行生長。

3 結論

通過實驗并結合一些學者相關研究的基礎上，可以得出：教師在講授金屬活動性順序內容時，演示金屬銅與硝酸銀溶液的反應前應先將硝酸銀溶液裝入試管中反復煮沸，并用橡皮塞塞緊，或者授課時用酒精燈加熱煮沸硝酸銀溶液后再進行實驗，但前者效率更高、時間更短一些。同時，為了實驗效果好，實驗現(xiàn)象美觀，防止長成的樹枝晶脫落，可取多根銅絲并做成一定形狀后再伸入硝酸銀溶液中進行反應。