电解反应中金属枝晶结构的观察-《化学教学》(2019年1期).docx

龙源版权所有 电解反应中金属枝晶结构的观察作者：凌一洲 颜晓红来源：《化学教学》2019年第01期 摘要： 树枝状金属枝晶结构（金属树）广泛存在于生成金属的电解反应中。在化学教学领域，传统电解实验难以观察到金属树，需要做压缩反应空间和观察方式的可视化改进。 改进后可观察到金属树的细节结构和生长过程， 且不同种类的金属树生长速率和形态具有很大差异。将本实验应用于化学教学，可以培育学生宏微结合、模型认知、实验探究、创新意识等核心素养。 关键词： 电解反应; 可视化; 金属枝晶结构; 金属树 文章编号：2019）1005205 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 树枝状金属枝晶结构（可称之为金属树）广泛存在于生成金属的原电池反应、电解池反应或金属冷却结晶过程中。在传统的生成金属的置换反应（原电池反应）和电解反应（电解池反应）中，实验者通常只能观察到生成金属的颜色，如果要看清其细节结构和生长过程，则需对实验做可视化改进。笔者在《化学教学》2018年第6期介绍了置换反应中金属枝晶结构的观察方法[1]，本文将介绍电解反应中金属枝晶结构的观察方法。 1 研究背景 1.1 材料科学领域 金属树具有形式上的对称性和实质上难以理解的复杂性[2]，吸引了材料科学研究者深入的研究，包括生长条件（电压、电流、温度、空间等）对金属树生长状态的影响[3～4]、金属树生长模型构建和计算机模拟[5～7]等。但是，这种研究较为复杂，成本高（一般用扫描电镜观察），周期长，不适合在中学推广。 1.2 科技传播领域 在科技传播领域，“美丽科学”团队与中国化学会合作，用显微摄影技术拍摄了《电沉积》影片，主要包括了铜树（图1a）、银树（图1b）、铅树（图1c）、锌树（图1d）等5种金属树，向公众传播化学反应的现象之美，引起了广泛关注。 但是，这种实验方法技巧性较强（可能要拍摄多次才能清晰对焦），而且需要用数码体视镜拍摄（中学很少配备），因此不便在中学直接操作。 1.3 化学教学领域 化学教学领域的金属树实验可以在趣味实验、演示实验、家庭实验等教学活动中得到应用，对激发学生兴趣、培养科学素养和提高教学质量有积极作用[8]。目前，这种金属树实验多由金属与盐溶液置换反应产生，即原电池产生的金属树[9]。其实，电解反应产生的金属树与置换反应相比，周期更短，现象更明显，趣味性更强，值得进一步开发，成为有价值的实验素材。 2 实验原理 以电解精炼铜为例，通电后，阳极铜原子失去电子，变为铜离子进入溶液中，溶液中的铜离子在阴极得到电子，变为铜原子沉积在阴极表面。先生成的金属铜与阴极连为一体，组成新的阴极。后生成的金属铜可以在先生成的金属铜上生成，使金属铜不断延伸、分枝、迭代，与树的生长过程和形态相似。 3 实验思路 3.1 反应空间平面化 常规的电解实验在烧杯（三维空间）中进行，金属树生长的方向不确定，难以定位观察。因此在进行可视化改进时，要把反应空间压缩成薄薄一层（近似平面）。 3.2 减少金属树数量 常规的电解实验用金属棒或平行金属片作电极，大量金属树在一个面上同时生长，生长速度缓慢且相互重叠交错干扰。因此在进行可视化改进时，只能让金属树在一条线或一个点上生长，在减少金属树数量的同时提高其生长速率。 3.3 制成玻片标本 常规实验生成的金属树在受到轻微扰动后极易被破坏，或因受到重力而自行脱落。因此在进行可视化改进时，可以把金属树制作成玻片标本，便于移动和短期保存。 3.4 用微距摄影观察 常规实验仅用肉眼粗略地观察，实验者很难看清细节，更难前后对比。因此在进行可视化改进时，可以用带有微距镜头的智能手机拍摄反应过程，达到···试读结束