陸方愔

[摘 要] 金屬和酸反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的熱點(diǎn)，已有研究表明，金屬和酸的反應(yīng)劇烈程度不僅與金屬的活動(dòng)性有關(guān)，還與酸的種類，酸的濃度等因素有關(guān)。本文通過(guò)正交試驗(yàn)法探究金屬和酸反應(yīng)的最佳條件，找出影響金屬和酸反應(yīng)劇烈程度的因素。

[關(guān)鍵詞] 正交試驗(yàn) 金屬和酸反應(yīng) 反應(yīng)劇烈程度

金屬與酸反應(yīng)是滬教版九年級(jí)第五單元的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)目的是通過(guò)金屬分別與稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)現(xiàn)象的劇烈程度作為依據(jù)來(lái)判斷金屬的活動(dòng)性。

滬教版九年級(jí)化學(xué)上學(xué)期教材中有這樣一句話“鎂、鐵與稀鹽酸反應(yīng)的劇烈程度不同，說(shuō)明兩種金屬的活動(dòng)性有差異”。已有的科學(xué)事實(shí)是：金屬活動(dòng)性越強(qiáng)的金屬越易置換出酸中的氫離子，反應(yīng)也就越劇烈。而在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作中，當(dāng)不同種金屬和不同種類的酸發(fā)生置換反應(yīng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)金屬活動(dòng)性較弱的金屬和酸的反應(yīng)現(xiàn)象更劇烈的情況，說(shuō)明影響金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度的因素不僅僅只有金屬的活動(dòng)性。酸的種類，酸的濃度，酸的體積，金屬的表面積，反應(yīng)溫度等都有可能影響金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度。而哪種因素影響較大，哪種因素影響較小，怎樣的因素水平組合可使反應(yīng)最劇烈則是本次探究要研究的內(nèi)容。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。影響金屬和酸反應(yīng)劇烈程度的因素有多個(gè)，且每個(gè)因素下面又會(huì)有多個(gè)水平，因此適合采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法來(lái)探究。

一、實(shí)驗(yàn)儀器與藥品

（一）實(shí)驗(yàn)儀器

試管、量筒、膠頭滴管、燒杯、鑷子

（二）實(shí)驗(yàn)藥品

鹽酸溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、硫酸溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、硝酸

溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、鋅、鐵、鐵

二、正交試驗(yàn)篩選

（一）試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)的指標(biāo)為金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度，劇烈程度的判斷以氣泡大小和產(chǎn)生

氣泡的速度為依據(jù)，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)觀察到的現(xiàn)象判斷反應(yīng)的劇烈程度。為了更好更直接地體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)的劇烈程度進(jìn)行賦值。具體如下：將現(xiàn)象最劇烈的那組賦值100，劇烈程度次之的那組賦值90，再次之的賦值80，依次遞減10，直至劇烈程度最差的賦值為10。

（二）因素水平

本實(shí)驗(yàn)的影響因素有很多，本文篩選出了以下4個(gè)因素：

A.酸的種類

B.酸的濃度（體積比）

C.金屬的種類

D.酸的體積（ml）

并將每個(gè)因素設(shè)計(jì)成三個(gè)不同水平，具體如表1所示。

（三）試驗(yàn)過(guò)程

正交試驗(yàn)的安排如表2所示，探究實(shí)驗(yàn)控制在同一溫度（室溫）下進(jìn)行，并

且金屬取用表面積幾乎相同的塊狀固體。由于本探究只需觀察金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度，所以采用裝置簡(jiǎn)單又能節(jié)約藥品的試管實(shí)驗(yàn)。

（四）試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

（五）試驗(yàn)結(jié)果分析

1.直觀比較指標(biāo)選出好實(shí)驗(yàn)方案

由表2可知這9個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中以3號(hào)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)象最劇烈，所以較好方案為3號(hào)實(shí)驗(yàn)，其水平組合為A3B1C3D3

2.計(jì)算選出較優(yōu)水平組合

表3中計(jì)算得各因素各水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果總和，即K1、K2、K3，同時(shí)求出了其指標(biāo)平均值k1、k2、k3及k的R值。比較k值，選出最好值k。本實(shí)驗(yàn)中最大的K值即為最好值，各平均結(jié)果K的最好值對(duì)應(yīng)的水平就是最好水平，把各因素的最好水平組合在一起，就是選出的較優(yōu)水平組合。因此，計(jì)算選出的較優(yōu)水平組合為A1B1C3D2

3.綜合分析設(shè)計(jì)較好新方案

根據(jù)表3中R值的大小可知，本實(shí)驗(yàn)因素顯著性順序，即主次關(guān)系次序?yàn)镃 B A D，R值越大因素的影響越顯著，優(yōu)水平組合為A1B1C3D1 ，分析表3中的數(shù)據(jù)可知C 的極差最大， B的極差其次， A、D極差最小。因而，因素C B均取優(yōu)水平，A、D因素的R值最小，是相對(duì)比較的不顯著因素，對(duì)反應(yīng)影響不大，允許隨機(jī)取任一水平，根據(jù)使實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)捷，易操作的原則，可以取A因素2水平，D因素2水平。經(jīng)過(guò)綜合分析，選出的較優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案為A2B1C3D2組合。

（六）驗(yàn)證試驗(yàn)

選出最優(yōu)方案：用從9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中直接比較選出的較好實(shí)驗(yàn)條件A3B1C3D3，和根據(jù)計(jì)算比較選出的優(yōu)水平組合A1B1C3D2，以及綜合分析得出的較優(yōu)新方案A2B1C3D2進(jìn)行新一批實(shí)驗(yàn)，從中選出指標(biāo)最好的方案。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：三組實(shí)驗(yàn)方案中反應(yīng)最劇烈的是A2B1C3D2，所以最好的方案是A2B1C3D2

三、試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)可知，金屬鎂與3ml體積比為1：2的硫酸溶液反應(yīng)最劇烈。本

實(shí)驗(yàn)探究的幾個(gè)因素中，相對(duì)較為顯著的因素是金屬種類，其次是酸的濃度，酸的種類和酸溶液的體積相對(duì)是不顯著的因素。

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