铜跟硝酸银溶液置换反应实验及机理分析

铜跟硝酸银溶液置换反应实验及机理分析

李建生

用硝酸银溶液代替硝酸汞溶液做置换反应，无汞蒸气污染，在硝酸银溶液的浓度很低时，实验费用也不高，但是当将粗铜丝插入现配的或久置的硝酸银溶液后，粗铜丝上的沉积物均呈黑色，而不是白色的银，须经过2min～4min，才能在粗铜丝上看到少量海绵状灰白色的银，并且易脱落。为了既经济又快速的做好这个实验，笔者经过反复实验，探索出效果较佳的两种实验方法，现介绍如下。

一、实验方法

1．快速生成海绵状带金属晶体的银

在试管内加入2mL现配的0.125mol/L硝酸银溶液后，用滴管滴入1滴（约0.06mL）1︰10的稀硫酸（加入极少量稀硫酸的目的是为了抑制的水解，增强其氧化能力），振荡后，用2000号水砂纸将粗铜丝（ 2.2mm）磨光，在打磨过程中，要用力捏紧砂纸，使粗铜丝发热烫手，之后趁热将其插入已加热至96℃左右的上述加有药液的试管中（在一定范围内粗铜丝的温度越高，效果越好，但不能太烫，以粗铜丝插入后不产生微小气泡为准，药液不能沸腾），10s后在粗铜丝上被置换出的白色海绵状银间有星星点点闪光的晶体银出现，30s后有大量晶体银出现，银层不易自行脱落，在1min～1.5min取出粗铜丝可得到耀眼闪光的有相当厚度的白色晶体状银，随即将其插入加有蒸馏水的试管

中，可保持银的白色光泽长时间不变色。如不加热试管中的硝酸银溶液，实验时间有所延长，效果稍差。经过实验，以现配硝酸银溶液现做，效果最佳，久置后效果稍差，但几天内仍可使用。

2．用低浓度的硝酸银溶液在粗铜丝上置换出附着牢固致密且光亮的金属银

用1mL注射器将0.5mL 0.125mol/L的硝酸银溶液（现配的和久置的溶液均可）加入试管中，再加入2mL蒸馏水，然后用1mL注射器加入1滴（约0.01mL）1︰10的稀硫酸，振荡后，在酒精灯上加热至96℃左右（温度越高越好，不能沸腾），将粗铜丝打磨光亮，并摩擦至烫手，趁热将粗铜丝插入已加热的上述试管中，5s后取出粗铜丝，冷却后，用脱脂棉擦去粗铜丝表面的粉状银，便可看到粗铜丝上附着有非常牢固、致密且光亮的白色金属银。之后，如用脱脂棉代替砂纸进行摩擦，重复以上操作数次，能使银层变厚，但仍牢固光亮。

3．实验特点与注意事项

实验时间很短，效果良好，费用低廉是该实验的最大优点，需要指出的是，实验所用溶液均须用蒸馏水配制，试管等器皿材料要洁净，因环境污染，该实验用蒸馏水略带微酸性（pH＝6），实验时可根据情况，酌情调整加酸数量。添加的蒸馏水和稀硫酸应在实验时加入，不能配成溶液久置，因现加药液，可提高其活性，增大反应速度（经实验，采用该方法，将摩擦发烫的粗铁丝插入室温下的0.125mol/L的加酸硫

酸铜溶液中，5s后取出亦可得到致密光亮的紫红色铜的良好效果，但应注意，粗铁丝的温度不能过高，取出后应迅速降温）。该实验虽无汞蒸气污染，但在用砂纸摩擦带有金属银的粗铜丝时，有少量金属银造成的粉尘污染和对皮肤的沾染，应注意防护，置换出的银粉，应妥善处置。

二、分析与讨论

在第一种方法中，因硝酸银溶液的浓度较大，当将粗铜丝插入硝酸银溶液后，粗铜丝表面的大量铜原子失去电子成为铜离子而进入溶液，同时硝酸银溶液中亦有大量的银离子得到电子生成银原子而在粗铜丝表面沉积，很快在粗铜丝上形成了凹凸不平的粗糙表面（90倍立体显微镜和160倍显微镜下的镜观形态。本文中观察到的沉积物的部分细微形态为笔者通过一定方法提高了显微镜的放大倍数后的镜观形态。其放大方法因篇幅关系，不详述），因沉积速度过快，大量银离子得到电子生成银原子后，在一定时间内，在有限的和不平的粗铜丝表面，来不及作紧密堆积，致使在反应初期（2s～3s）少量银原子长大形成小颗粒晶体（镜观形态），而大量的银原子则聚集在粗铜丝表面形成许多极微小晶体。到了反应的中期，由于银原子的大量沉积，很快形成了似远处的柏树林状结构（镜观形态），这种结构使粗铜丝上的沉积物的表面积大量增加，后期形成的银原子便在“树林”状沉积物上沉积，而逐渐形成了树枝状和雪花状或刺形霜花状银晶体，因这种较大的银晶体对光的反射率比银原子在初期及中期堆积形成的极微小晶体构成的沉积物高，因此沉积物的颜色由黑而很快变灰直至变为白色，于是在粗铜丝表面形成

了疏松的海绵状晶体银。在第二种方法中，硝酸银溶液的浓度很稀，当将粗铜丝插入硝酸银溶液后，仅有适量的铜原子失去电子生成铜离子而进入溶液，同时也只有适量的银离子得到电子生成银原子在粗铜丝表面沉积，因生成的银原子数量适中，当银原子在粗铜丝表面生成晶核后，以后生成的银原子在晶核边紧贴粗铜丝表面迅速沉积，由晶核很快长大成大的晶体，并且晶体间紧密连结在一起，很快遮盖了整个粗铜丝表面（镜观形态），而形成面心立方紧堆晶格，所以置换出的银既牢固又光滑且光亮。

三、结论

实验表明，在硝酸银溶液中加入极少量的稀硫酸，通过给试管中的硝酸银溶液和粗铜丝加热（摩擦生热），增大了反应速度，使银原子在粗铜丝上的沉积加快，并采取增大和减小硝酸银溶液的浓度，可分别实现快速生成海绵状晶体银和附着牢固的金属银，从而使实验效果增强，实验时间大大缩短。

参考文献

［1］国家教委教学仪器研究所．初中化学实验大全．北京：电子工业出版社，1992

［2］朱洪法，朱玉霞．精细化工产品制造技术．北京：金盾出版社，2002

［3］李培森，尹敬执．无机化学（上册）．北京：人民教育出版社，1978

［4］姜培东．锌与硫酸铜溶液反应实验的改进．教学仪器与实验，2002．4

［5］赵忠．金属材料及热处理．北京：机械工业出版社，2002

（作者单位：四川绵阳市第九中学，621000）