《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》将“化学能转化成电能”“简单的电镀实验”“制作简单的氢氧燃料电池”列为高中化学课程学生必做实验
［1］，凸显电化学的学科价值和教学意义。一般来说，电化学的教学，主要从氧化还原反应原理和装置的角度建构原电池和电解池的原理模型，侧重从能量转化的角度建构能量转化模型，但忽视了从物质转化角度建构化学反应的转化模型。为此，笔者从物质转化的角度，以电化学原理为基础，开发趣味实验“铁片变变变”，可以作为趣味实验或校本课程，从而弥补这一缺憾。
“铁片变变变”是把铁片变“金片”的趣味实验，此处的“金片”实际上是在铁片上镀有一层金黄色的铜锌合金。铁片变成昂贵的“金片”，极易吸引学生的兴趣。故而，以目标为驱动（如何在铁片表面镀上铜和锌），以教材中的学生必做实验为原型，启发（铁钉镀铜
［2］和铁钉镀锌
［3］）、引导学生用电镀原理解决问题，将其逆向拆解为3个连续性的实验项目（铁片先镀铜，再镀锌，最后制成合金，
表1），以期引导学生从物质转化的角度感受电化学的学科价值，加深对原电池和电解池原理的学科理解。
1 铁片变“铜片”
1.1 实验原理
电镀是利用电解原理，在金属或其他材料制件表面镀上一层薄金属或合金的过程。利用电镀可以实现在铁片上镀铜，铜片作为阳极，铁片作为阴极，铜氨溶液作为电解液。电镀装置见
图1。电极反应式如下。
阳极：；
阴极：。
1.2 实验用品
（1） 仪器与器材：直流电源、鳄鱼夹导线2根；烧杯、玻璃棒、镊子。
（2） 试剂与材料：氢氧化钠溶液、稀盐酸、0.1 mol/L硫酸铜溶液、浓氨水、蒸馏水；铁片、铜片。
1.3 实验步骤
（1） 把铜片与铁片先放入碱性溶液中浸泡，除去油污，然后用镊子取出，用蒸馏水洗涤。
（2） 把除去油污的铜片与铁片浸泡到稀盐酸中，除去表面的锈迹，然后用镊子取出，用蒸馏水洗涤。
（3） 配制电镀液：向烧杯中加入100 mL 0.1 mol/L硫酸铜溶液，然后加入浓氨水，并用玻璃棒不断搅拌，直到蓝色沉淀全部溶解。
（4） 用鳄鱼夹导线把铜片连接到直流电源正极，再用鳄鱼夹导线把铁片连接到直流电源负极，固定在电解液中。把直流电源的电压调到4 V后，再打开电源开关，电解约10 min，观察铁片与铜片表面的实验现象。
1.4 实验现象
一段时间后，阴极铁片浸入电解液的表面出现致密红色固体，见
图2；阳极铜片浸入电解液的表面出现腐蚀痕迹。
1.5 注意事项
（1） 若将铁片镀铜作为课堂演示实验，建议控制条件为：硫酸铜浓度0.1 mol/L、pH=9、电镀时间60 s、电压4 V，可以较快地看到电镀效果
［5］，但铜镀层表面粗糙不光亮，影响到后续镀锌实验。
（2） 该实验需要在铁片上镀一层致密的铜，以便在铜镀层上继续镀锌。借鉴教材采用铜氨溶液作为电镀液，阳极金属铜失电子生成铜氨溶液，铜氨溶液在阴极得电子生成铜，溶液中铜氨溶液浓度相对稳定，有利于铜在镀件上缓慢析出，形成致密且均匀的铜。
（3） 电解液不能用氯化铜溶液，避免产生有毒的氯气；电解液也不能选用硫酸铜溶液，因为硫酸铜溶液水解显酸性，致使铁片部分被腐蚀，则电镀析出的铜镀层表面不均匀、不美观。另外，在电解过程中不要频繁取出电极，因为这不利于铁片表面均匀镀层的形成。
2 “铜片”变“银片”
2.1 实验原理
原电池原理：把锌粉与铜片两种活泼性不同的金属一起放在电解质溶液中会形成原电池，铜片为正极，锌粉为负极。加热约5 min，铜片表面即可沉积一层银白色金属锌，好似铜片变成了“银片”，反应原理见
表2。电解质溶液可选择硫酸锌溶液或氢氧化钠溶液，实验装置见
图3。
2.2 实验用品
（1） 仪器与器材：量筒、烧杯2个、三脚架、陶土网、酒精灯、镊子、打火机。
（2） 试剂与材料：1 mol/L硫酸锌溶液或6 mol/L氢氧化钠溶液；“铜片”、锌粒、锌粉。
2.3 实验步骤
（1） 向烧杯中加入一定量的1 mol/L硫酸锌溶液或6 mol/L氢氧化钠溶液、两药匙锌粉和锌粒。把“铜片”放入烧杯溶液中，要与锌粒接触。
（2） 在三脚架上放一个陶土网，把上述烧杯放置于陶土网上，然后点燃酒精灯给烧杯加热，直至“铜片”表面变成银白色，时间约5 min。
（3） 用镊子把变为银白色的“铜片”取出，放入盛有蒸馏水的另一只烧杯中轻轻冲洗，待冷却、晾干后备用。
2.4 实验现象
一段时间后，“铜片”浸入溶液的表面变为银白色，刻意保留部分铜镀层进行对比观察，最上层是未除铁锈的铁片，下边依次是除铁锈部位、镀铜层、镀锌层，见
图4。
2.5 注意事项
（1） 用镊子把变白的“铜片”取出，不要用手直接拿，容易烫伤手。
（2） 变白的“铜片”放入清水中清洗即可，不要用力揉搓，以免金属锌镀层剥落。
（3） 这里的“银片”并不是真正的银，而是表面镀了一层锌，故呈现银白色。
2.6 “铜片”镀锌自发性的机理
“铜片”变“银片”，实际上是“铜片”表面附着一层银白色的锌。如果深入思考，你可能会有疑问：总反应式为Zn（s）=Zn（s），一边是“铜片”上锌离子被还原形成金属锌，另一边是锌粒上金属锌被氧化变成锌离子，为什么会自发进行？合金比单纯组分金属能量更低更稳定，能量较高的金属锌有向能量较低的铜锌合金反应的趋势，加热和锌粉两个因素提高了该反应的可能性和速率。这个反应在铜的表面生成一层锌后就停止反应了，也就是说不能一直持续进行，因为锌在铜中的扩散很慢，随着反应的进行，表面的合金中锌比例会越来越高，近似地看成表面生成很薄的一层锌，“金属与合金势能差”消失，反应停止。实验中也发现：铁质镊子放到溶液中，镊子伸入溶液的部分也会变白，这也佐证了锌易生成合金。这种方式形成的锌层稳定性差，用纸巾用力擦即可除去表面的锌层，也不能久放，因为锌比较活泼易被氧化而脱落，因而实用性不大。但作为趣味性教学，实验效果非常好，操作简单，就是个加热装置，现象明显。若想长久保留锌镀层，可以用塑封膜塑封保存。
3 “银片”变“金片”
3.1 实验原理
将上面制作的“银片”（即镀锌“铜片”）置于火焰上加热至红热。此时，锌层熔化，利用高温下原子的热扩散实现锌与铜相互渗透，形成了能量更低、更稳定的金黄色铜锌合金。这就好似“银片”变成了“金片”，其本质是黄铜，在化学上常被称为“化学金”。
3.2 实验用品
酒精灯、镊子、打火机、镀锌的“铜片”。
3.3 实验步骤
（1） 用镊子把酒精灯灯芯往上提，然后点燃酒精灯，让火焰大一些。
（2） 用镊子夹住镀锌的“铜片”，镊子要夹在“铜片”的边缘，放在酒精灯外焰上左右来回均匀加热，约30 s即可使“铜片”表面变成金黄色。
3.4 实验现象
在酒精灯加热处能看到金黄色的铜锌合金。为更直观显示铁片变“铜片”，再变“银片”，最后变为“金片”的过程，笔者刻意保留部分镀层，便于对比观察，见
图5。
“银片”变“金片”只是定性变成铜锌合金，由于镀层厚度的不确定性，以及加热时间长短对合金成色也会有影响，合金颜色会有差异。“铁片变变变”实验也可以用老虎钳把铁片镀铜部位剪裁成“铜片”，整体放入硫酸锌或氢氧化钠溶液中加热，得到全部变成银白色的“银片”，然后用镊子平着夹住“银片”放在酒精灯上均匀加热制成“金片”。铁片变“铜片”，再变“银片”，最后变为“金片”的华丽蜕变，视觉形象直观，对比冲击力大，其宏观和微观示意图如
图6所示。
3.5 注意事项
（1） 给“银片”均匀加热时，用镊子尽量夹住“银片”边缘，在酒精灯火焰上左右来回移动，避免镊子夹住的部位受热少，导致颜色变化不明显，从而影响视觉效果。
（2） 用酒精灯加热后，“银片”转变为“金片”，当颜色由银白色转变为金黄色时，移开热源或放入清水中冷却即可。不可一直加热，否则表面金属会被氧化，颜色逐渐加深，直至黑化，无法得到闪亮的金片。
（3） 镊子上要保持干燥，因为有水也会影响合金的形成，导致色差大，影响视觉效果。
3.6 铜锌合金呈金黄色的机理
铜锌合金为什么会呈现金黄色？金属及其合金颜色的形成可以用能带理论来解释
［6］。金属的能带相邻轨道的能量相差极小，任何一种波长的光子进入金属表面都可以将电子激发到能带上部的空轨道。电子受激而跃迁到较高能态时，很快又将回到较低能态而释放出光子，且金属反射光的能力极强，这些反射光所产生的光泽，不仅使绝大多数金属为银白色，而且使金属表现出特有的金属光泽。铜的电子组态为3d
104s
1，它的3d轨道已满，而4s轨道仅有一个电子，铜在可见光区存在d→sp带间跃迁，对短波区域吸收较强，反射率随光子能量升高而降低。锌的电子组态为3d
104s
2，比铜多一个电子，与铜形成合金后，随着锌含量的增加，体系价电子浓度会升高，则费米能级相对d带顶上移，d带顶至费米能级附近的带间跃迁阈值能量随之改变，进而使合金对可见光不同波段的反射率发生变化。铜锌合金在光谱的紫端反射率比铜更低，对紫光的吸收更强。由于吸收了可见光中的紫色部分，其反射光呈现出紫色的补色——黄色，使表面形成的铜锌合金呈现的颜色特征为金黄色。
4 创意拓展
4.1 “铁币变变变”实验
有文献阐述利用旧版1分硬币（铝镁合金或铜锌材质）进行电镀实验
［7］，使学生更好地理解电镀原理。但需要注意，在现行流通人民币上操作涉嫌违反《中华人民共和国人民币管理条例》，严禁故意损毁人民币。该实验建议使用铜片或铜质代币替代。为此，笔者网购铁质游戏机币，学生用同样原理，制得“铜币”“银币”和“金币”，见
图7。
布置作业和延伸阅读：①常见的铜的合金有哪些？本实验中的“金币”是哪种合金？比例不同会有颜色上的差异吗？答：青铜（铜锡合金）、黄铜（铜锌合金）和白铜（铜镍合金）等。本实验所得的“金币”是一种锌铜合金的黄铜，若镀在“铜币”上的金属锌含量不同，则会改变锌与铜的比例，导致加热后的颜色不一样。②找到鉴别真金和假金的方法。（开放性作业）
4.2 “铜币变变”实验
若是针对低年级的科普实验，“铁片变变变”可以简化为“铜币变变”，直接选用铜片或铜质游戏币镀锌变“银币”，然后再变成“化学金”，现象明显、操作简单。铜片镀锌也不用镀层完全变银白色，肉眼能看到有白色镀层即可。用蒸馏水轻轻冲洗，洗后晾干，就可加热制作铜锌合金，呈现金黄色，与紫红色的铜片对比明显。
在笔者所在校校园开放日，面向入校参观的小学生开设化学实验室体验项目，取得了较好的反馈。根据以往实验室开放活动的经验，有些好的做法值得借鉴，如邀请在校生或优秀毕业生作为志愿者充当教师“小先生”，来指导小学生进行实验活动，让在校生由学生角色转变为“小先生”，强化校园主人翁意识，不仅能增进学生对实验原理的认识，确保实验安全，而且可减轻教师的工作压力。铜片可以裁剪成五角星、心形等特殊形状，制成“化学金”工艺品，实验结束允许学生当作工艺品带走留念。
5 实验拓展
“铁片变变变”趣味实验只是定性变成铜锌合金，电镀时间长短、电流大小、镀件电极间距离、温度等都会导致镀层铜和锌厚度的不确定，以及加热时间长短对合金成色也会有影响，导致很多学生做出来的合金颜色会有差异，但不影响实验效果和实验的趣味性。若针对高年级学生可作为探究性学习或研究性学习项目。
学生对金属镀层并不陌生，却不熟悉镀合金。这正是其最近发展区。抓住此时机，教师可引导学生对常见思路进行实证探究。例如：在铁片上镀铜，有学生提出用铁片浸入硫酸铜溶液中进行置换反应镀铜，教师可让学生亲自实践验证，由此发现置换的金属铜和铁片在电解质溶液中形成原电池，铁片逐渐失电子溶解，铜离子在铜上逐渐沉积形成蓬松的金属晶体，实用性不大，故不宜用置换法进行电镀。但置换法在演示金属活动性顺序方面却效果显著，置换出的金属晶体呈蓬松树枝状附着在金属表面，格外美丽，笔者就曾把相对活泼金属放到浸有不活泼金属化合物溶液的纸上，置换出了美丽的“铜树”“银树”等金属树
［8-9］，将其作为校本课程以培养学生高雅的审美情趣和良好的审美意识，使其在实验中感受美、鉴赏美、创造美。在铜片上镀锌，学生受教材中铁钉镀锌实验的启发，多提出采用电解法。教师也可让学生亲自实践验证效果，发现镀层受电流密度、电极间距等影响，导致镀层薄厚不匀，但用原电池原理和操作都更简单，可鼓励感兴趣的学生把“铁片变变变”趣味实验作为研究性学习或项目式学习，尝试用不同方案进行探究。
“铁片变变变”趣味实验巧妙地把电解原理和原电池原理融合在一起，作为课外实践活动的有益补充，有效地促进了学生对电解和原电池等电化学知识的理解和应用。简化版“铜片变变”趣味实验，去除了电解操作，适合作为低年级趣味实验，已应用于笔者所在校校园开放日活动，作为开放实验室实验吸引学生对化学的兴趣，为小学和中学衔接做出尝试。同时，笔者也在尝试中学和大学的课堂衔接，带学生走进大学实验室体验大学通用技术实训课程
［10］，其中钳工课程要求学生以铝板为原料，运用线锯、锉刀等工具，发挥天马行空的想象力，设计出个人专属的DIY钥匙扣。笔者在此基础上融入“铁片变变变”趣味实验，将该课程拓展为“黄金DIY钥匙扣”趣味实验，提升了课程的趣味性与综合育人价值。
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