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电解反应金属枝晶结构标本及其制作方法与流程

花匠小妙招
2024-12-17 22:37

本发明涉及一种金属枝晶结构标本及其制作的方法，尤其是涉及一种利用电解反应得到金属枝晶结构的标本的方法，属于教学实验技术领域。

背景技术：

树枝状金属枝晶结构（可称之为金属树,包括铜树、银树、铅树、锌树、钴树、锡树等）广泛存在于生成金属的原电池反应和电解池反应中；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，使金属铜不断变长、分枝、迭代，与树的生长过程和形态相似。

在中学传统的电解反应中，实验者通常只能观察到生成金属的颜色，无法看清金属的细节结构和生成过程。为观察金属树，多个领域的研究者都进行了研究，但都存在局限性，不便于在中学大范围推广。

比如：在材料科学领域，由于金属树具有形式上的对称性和实质上难以理解的复杂性，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、金属树生长模型构建和计算机模拟等。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。

如：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、银树、铅树、锌树等5种金属树，向公众传播化学反应的现象之美，引起广泛关注。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。

综上所述，亟需一种便于观察的标本结构便于教学观察。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种电解反应金属枝晶结构标本及其制作方法，其反应空间平面化、减少金属树数量、制成玻片标本、用微距摄影观察的思路，以生成稳定、可靠的电解反应金属树，便于实验者对其进行观察。

本发明的目的是这样实现的：

一种电解反应金属枝晶结构标本，所述标本包含有水平放置的玻璃底片，玻璃底片的上表面纵向粘贴有无色透明亚克力双面胶，亚克力双面胶上粘贴有金属阳极片和金属阴极片，所述金属阴极片朝向金属阳极片的一边凸起形成有金属阴极片尖角，金属阳极和金属阴极片上方盖有玻璃盖片，玻璃盖片与玻璃底片之间的间隙内填充有电解质溶液。

本发明一种电解反应金属枝晶结构标本，所述金属阳极和金属阴极片上分别夹有导电鳄鱼夹，导电鳄鱼夹通过导线与直流稳压电源相连。

本发明一种电解反应金属枝晶结构标本，所述金属阳极片和金属阴极片平行设置，金属阳极片和金属阴极片之间的间隔为10mm。

本发明一种电解反应金属枝晶结构标本，玻璃盖片与玻璃底片交错设置，即金属阳极和金属阴极片的左侧未覆盖在玻璃盖片下方。

本发明一种电解反应金属枝晶结构标本，所述玻璃盖片与玻璃底片上缠绕有透明胶带。

一种电解反应金属枝晶结构标本的制作方法，包含以下步骤：

步骤一，从金属片上剪下2～3mm宽的直条形金属阳极片、以及2～3mm宽的直条形且带有2mm高尖角的金属阴极片，用亚克力双面胶把金属阳极片和金属阴极片粘贴在玻璃底片上，金属阳极片和金属阴极片之间的间距为10mm；

步骤二，在金属阳极片和金属阴极片上覆盖玻璃盖片，挤压玻璃底片和玻璃盖片的同时用透明胶带捆紧；

步骤三，用滴管在玻璃底片和玻璃盖片错开的缝隙处缓慢滴加含有金属离子的电解质溶液，溶液会渗入玻璃底片和玻璃盖片的间隙，使金属阳极片和金属阴极片之间充满电解质溶液；

步骤四，在金属阳极片和金属阴极片的露出部分分别夹有导电鳄鱼夹，用导线将上下电极分别连接在直流稳压电源的正负极，金属阴极片尖角处会逐渐生长出金属树，待金属树枝尖刚刚触碰到金属阳极片时，断开电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明生成了合适大小的金属枝晶，形成了便于观察的图像，具有微型小巧、易于操作、现象明显、可重复性好等优点；较之传统电解实验的粗略观察（仅观察金属电极的颜色变化），本放对金属枝晶结构的观察更为精细，观察的尺度介于肉眼宏观与显微镜微观之间。因此，实验者可以观察到团状金属、树枝状金属、金属树生长速率变化和形态差异等更多的宏观现象，并从微观层面一一解释现象，形成“结构决定性质”的观念。

另外，本发明如果在化学教学中推广，可以使用于以下情况，①趣味实验，在介绍电解池原理前完成本实验，激发学生兴趣，如果在金属树生长了一半时调换电源正负极，还会出现原本的金属树溶解、另一极又生长出金属树的有趣现象；②演示实验，在介绍电解精炼铜时演示本实验，阴极生成金属的现象比传统实验明显。实验时，可以把金属树实时投影到屏幕，便于后排学生观察；③探究实验，引导学生进一步探究电压、电流、温度、电解质浓度、电极形状、电极间距等因素对金属树生长速率和形态的影响，有条件的学校可以用数码显微镜进一步观察其微观结构。

附图说明

图1为本发明一种电解反应金属枝晶结构标本的结构示意图。

图2为本发明一种电解反应金属枝晶结构标本的玻璃底片、亚克力双面胶、金属阳极和金属阴极片的结构示意图。

图3为本发明一种电解反应金属枝晶结构标本在金属阴极片尖角处生成铜树的观察效果示意图。

图4为本发明一种电解反应金属枝晶结构标本在金属阴极片尖角处生成各种金属树（从上至下，从左至右分别是铜树、铅树、钴树、锡树、锌树、银树）的观察效果示意图。

其中：

玻璃底片1、亚克力双面胶2、金属阳极3、金属阴极片4、金属阴极片尖角4.1、玻璃盖片5、透明胶带6、导电鳄鱼夹7、导线8、直流稳压电源9。

具体实施方式

参见图1~4，本发明涉及的一种电解反应金属枝晶结构标本，所述标本包含有水平放置的玻璃底片1，玻璃底片1的上表面约1/5处纵向粘贴有无色透明亚克力双面胶2，亚克力双面胶2上粘贴有金属阳极片3和金属阴极片4，所述金属阳极片3和金属阴极片4平行设置，金属阳极片3和金属阴极片4之间的间隔为10mm，所述金属阴极片4朝向金属阳极片3的一边凸起形成有金属阴极片尖角4.1，金属阳极3和金属阴极片4上方盖有玻璃盖片5，玻璃盖片5与玻璃底片1之间的间隙内填充有电解质溶液；

进一步的，所述金属阳极3和金属阴极片4上分别夹有导电鳄鱼夹7，导电鳄鱼夹7通过导线8与直流稳压电源9相连；

进一步的，玻璃盖片5与玻璃底片1交错设置，即金属阳极3和金属阴极片4的左侧未覆盖在玻璃盖片5下方；

进一步的，所述玻璃盖片5与玻璃底片1上缠绕有透明胶带6；

一种电解反应金属枝晶结构标本的制作方法，包含以下步骤。

步骤一，从金属片上剪下2～3mm宽的直条形金属阳极片3、以及2～3mm宽的直条形且带有2mm高尖角的金属阴极片4，用亚克力双面胶2把金属阳极片3和金属阴极片4粘贴在玻璃底片1上，金属阳极片3和金属阴极片4之间的间距为10mm；

步骤二，在金属阳极片3和金属阴极片4上覆盖玻璃盖片5，挤压玻璃底片1和玻璃盖片5的同时用透明胶带6捆紧；

步骤三，用滴管在玻璃底片1和玻璃盖片5错开的缝隙处缓慢滴加含有金属离子的电解质溶液，溶液会渗入玻璃底片1和玻璃盖片5的间隙，使金属阳极片3和金属阴极片4之间充满电解质溶液；

步骤四，在金属阳极片3和金属阴极片4的露出部分分别夹有导电鳄鱼夹，用导线8将上下电极分别连接在直流稳压电源9的正负极，金属阴极片尖角4.1处会逐渐生长出金属树，待金属树枝尖刚刚触碰到金属阳极片3时，断开电源。

具体的讲：

参见图3，刚通电时，阴极尖角处首先生成微小的团状金属（看不出树枝状结构）。这是因为刚刚通电时，分布在阴极周围的金属离子首先转移到阴极表面，还原成金属原子沉积下来，其他金属离子受到电场和浓度差作用也朝着阴极移动，还原并沉积。此时金属晶核大量生成，不易生长枝晶，所以生成的金属呈团状。

通电一段时间后，阴极尖角处生成树状金属枝晶，扎根尖角顶端并不断向四周延伸（总体而言朝着阳极延伸），在2片载玻片之间的扁平空间形成肉眼可见的金属树。这是由于电极形状差异、金属离子浓度差异、场强分布差异等的存在和不断变化，金属离子更容易沉积在在阴极的某些“活性点”上，形成树枝状结构。随着电解反应的进行，金属树上可能会形成新的“活性点”，导致金属枝晶改变方向。

随着反应的进行，金属树生长速率逐渐加快。这是由于生成的金属树与原有的阴极金属片组成了新的阴极，随着金属树的不断生长，金属树前端到阳极的距离不断减小，电场强度增大，阴极对金属离子的吸引力增大，导致金属沉积的速率不断加快。

参见图4，不同种类的金属树（从上至下，从左至右分别是铜树、铅树、钴树、锡树、锌树、银树）生长速率和形态具有很大差异。从生长速率看，锡树生长最快，从开始生长到触碰到阳极仅需约5s，现象非常明显。铜树生长最慢，从开始生长到触碰到阳极需要约5min，肉眼直接观察现象时很难看出动态变化过程。不同金属生长速率快慢大致为：锡树＞银树＞铅树＞锌树＞钴树＞铜树。从生长形态看，各种金属树的形态各异，一般生长速率快的金属树枝晶较细。

另外：需要注意的是，上述具体实施方式仅为本专利的一个优化方案，本领域的技术人员根据上述构思所做的任何改动或改进，均在本专利的保护范围之内。