金属活动性顺序之铜与硝酸银溶液反应的实验改进

湖北省宜昌市金东方初中(443000) 梁宏宇

金属活动性顺序是通过置换反应概念以及一些实验事实的基础上归纳得出的，比如铝丝浸入硫酸铜溶液中、铜丝浸入硝酸银溶液中以及铜丝浸入硫酸铝溶液中。教师在演示铜丝浸入硝酸银溶液中的实验时，从理论的角度分析，应该看到铜丝表面有银白色的固体物质生成，溶液由无色变为蓝色，但在实际操作过程中发现，把铜丝浸入硝酸银溶液后发现铜丝表面立刻出现黑色固体物质，并不像想象的那样生成银白色固体物质，如图1所示。且经过很长时间才从黑色固体物质上长出银白色的固体 (银)，如图2所示。

图2 实验很长时间后

教学中这个问题的出现，让教师花费很长的时间来演示该实验，而且也颠覆了学生的认知，怎么生成的银是黑色的，无疑给本节课的内容增设了不少疑问。

那么为什么把铜丝浸入硝酸银溶液中后发现铜丝表面立刻出现黑色固体物质?又怎样做才能避免这种情况的发生呢?对于产生的黑色物质，有学者认为铜与硝酸银溶液反应后生成的银是粉末状，由于漫反射的原因，银应具有的银白色金属光泽就不能很好的体现，可事实上，铁粉的颜色也不是这般黑色而是灰色。也有学者说到，可能是铜发生了硫化反应而产生了大量的黑色物质，可是在铜与硝酸银溶液反应时，溶液中并没有含硫元素的物质，但空气中可能会混有二氧化硫，同时溶解在水中或与水反应。还有学者说到，铜丝与硝酸银溶液反应生成的银不易附着在铜丝表面形成致密镀层，而是形成一层浅灰色易脱落的疏松状固体 (银部分被氧化)，但事实上氧化银是灰色的。还是没能解释开始时生成的黑色固体物质是什么，学者们的研究中都只停留在研究铜和硝酸银两种反应物反应后如何优化工艺得到纯银的问题上，并没有考虑到铜与硝酸银溶液反应的环境因素。溶液中还溶有空气成分，其中氧气的氧化性不容忽视，在铜与硝酸银溶液反应的过程中，开始生成的黑色物质，很有可能就是溶于水中的氧气将铜氧化成氧化铜的。针对出现的问题，结合学者们的相关实验成果以及笔者的一些猜想，将实验进行了如下改进。

1 实验部分

1.1 将铜与硝酸银溶液混合制备银

首先取2份等体积等浓度的硝酸银溶液于2支试管中，将其放在试管架上，并备好经打磨至光亮、数目及粗细程度相同的2扎铜丝。将其中1支装有硝酸银溶液的试管在酒精灯火焰上进行加热，使硝酸银溶液达到沸腾，然后再将试管移开酒精灯火焰，防止液体溅出。这样反复操作一段时间后，将其放回试管架上，立即将准备好的2扎铜丝同时伸入2支试管中，在实验开始时、实验10min后、实验20min后分别观察并记录实验现象。

1.2 检验开始时生成的黑色或灰色物质是否为氧化铜

重复此实验，并将开始时2扎铜丝表面生成的灰色和黑色固体物质收集起来，洗涤、过滤后分别放于另外2支试管中，并向其中各加入一定量等浓度的稀硫酸。为加快反应速率，可分别将2支试管在酒精灯的火焰上进行加热。

2 结果与讨论

2.1 实验结果

2.1.1 将铜与硝酸银溶液混合制备银

将2扎数目及粗细相同的铜丝伸入2支试管时，观察到煮沸的硝酸银溶液中铜丝表面立刻产生灰色固体物质，仔细观察细小的颗粒有银白色金属光泽。而未经煮沸的硝酸银溶液中铜丝表面立刻产生黑色固体物质，仔细观察细小的颗粒并无银白色金属光泽。实验现象如图3、图4所示。

图3 铜与煮沸的硝酸银溶液反应现

图4 铜与未煮沸的硝酸银溶液反应现象

10min以后，观察到2支试管中铜丝表面都长出了银白色的固体物质，但经煮沸的硝酸银溶液中铜丝表面开始长出绒毛晶体，如图5所示。20min分钟后，观察到2支试管中的铜丝表面都有银白色固体生成，而且长成了树枝晶，但煮沸的硝酸银溶液中树枝晶最长，而且长出了几条平行的树枝晶，如图6所示。

图5 实验10min后的现象

2.1.2 检验开始时生成的黑色或灰色物质是否为氧化铜

一段时间后发现，装有灰色固体物质的试管中无明显变化，而装有黑色固体物质的试管中黑色固体物质消失，溶液颜色也发生了改变，表现为淡蓝色。

图6 实验20min后的现象

2.2 分析讨论

实验中采用了对比试验的方法，在其他因素相同的情况下，只探究了硝酸银溶液在煮沸和未煮沸的情况下与金属铜反应情况是否相同。从实验结果中，可以明显看出两种处理的硝酸银溶液对于实验结果的影响。把铜丝伸入未经煮沸的硝酸银溶液中立即变黑，很有可能是水中溶有氧气的因素影响了实验结果，具体表现在氧气与已经被活化的金属铜发生了反应生成氧化铜，所以变黑。而因为氧气的溶解度随温度的升高而减小，所以将硝酸银溶液几次煮沸后再进行实验，在很大程度上排除了氧气与金属铜反应的可能，在实验结果2.1.2中就有很好的表征。

但把铜丝伸入经煮沸的硝酸银溶液中，先看到铜丝表面有灰色固体生成，而后才慢慢看到银白色的固体生成并慢慢长成树枝晶，这是因为反应生成的银是粉末状，出现漫反射的缘故，而后才慢慢长成树枝晶。事实上，铜与硝酸银溶液反应生成金属银的过程可表现为银的沉积过程，分为3个阶段：外延生长阶段、过渡生长阶段、枝晶生长阶段。在沉积初期金属铜表面吸附了银原子而呈现外延生长，并且以二维方式沿金属铜表面铺展；之后在局部才慢慢长出枝晶，表现为过渡生长；最后随着时间的延长，几处树枝状的晶体逐渐长大并平行生长。

3 结论

通过实验并结合一些学者相关研究的基础上，可以得出：教师在讲授金属活动性顺序内容时，演示金属铜与硝酸银溶液的反应前应先将硝酸银溶液装入试管中反复煮沸，并用橡皮塞塞紧，或者授课时用酒精灯加热煮沸硝酸银溶液后再进行实验，但前者效率更高、时间更短一些。同时，为了实验效果好，实验现象美观，防止长成的树枝晶脱落，可取多根铜丝并做成一定形状后再伸入硝酸银溶液中进行反应。