潘淇

摘要：由于中學(xué)教學(xué)中教師演示炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)時(shí)，只注重實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)象明顯等問(wèn)題，對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響因素并沒(méi)有進(jìn)行仔細(xì)的考慮。本文結(jié)合初中化學(xué)人教版中“木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)”，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理探究影響實(shí)驗(yàn)因素的條件，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件的過(guò)程。引發(fā)對(duì)中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考。

關(guān)鍵詞：正交實(shí)驗(yàn)法；炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程；思考

中圖分類(lèi)號(hào)：O652.1

隨著我國(guó)新課程改革的逐步推進(jìn)，化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中要求全面培養(yǎng)學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)已經(jīng)成為時(shí)代的主題。以往只是教師在課堂上講實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)今的教學(xué)，而且認(rèn)為實(shí)驗(yàn)只是為教學(xué)內(nèi)容服務(wù)，讓教師完全代替了學(xué)生，同時(shí)廣大教師在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，就只強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和現(xiàn)象，忽略了對(duì)實(shí)驗(yàn)影響因素的考慮，這些做法在教學(xué)中都是不合理的。為此，針對(duì)初中化學(xué)人教版中“木炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)”，通過(guò)實(shí)驗(yàn)原理探究影響實(shí)驗(yàn)因素的條件，運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件的探究過(guò)程。

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法最初應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的，是研究與處理多因素實(shí)驗(yàn)的一種科學(xué)方法。利用規(guī)格化的表格—正交表，科學(xué)地挑選實(shí)驗(yàn)條件，合理安排實(shí)驗(yàn)。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法最早由日本質(zhì)量管量專(zhuān)家田口玄一提出，稱(chēng)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)型正交試驗(yàn)法。我國(guó)工業(yè)企業(yè)特別是化工、紡織、醫(yī)藥、電子、機(jī)械行業(yè)，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的應(yīng)用也取得相當(dāng)?shù)某删?，中?guó)數(shù)學(xué)家張里千教授發(fā)明了中國(guó)型正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 。

正交設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)稱(chēng)正交法。它是一種研究多因素試驗(yàn)問(wèn)題的重要教學(xué)方法，即使用正交表Ln（t）c[L為正交表的代號(hào)，n為試驗(yàn)的次數(shù)，t為水平數(shù)，c為因素?cái)?shù)，例如L9（34）]，

一種數(shù)學(xué)上已設(shè)計(jì)好的特制表格來(lái)安排實(shí)驗(yàn)，并利用正交表的特點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算、分析，從而找出較優(yōu)實(shí)驗(yàn)方案的一種方法。它是根據(jù)正交性從全面實(shí)驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些有代表性的點(diǎn)具備了“均衡搭配，齊整可比”的特點(diǎn)。是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

正交實(shí)驗(yàn)法保持了全面比較法和簡(jiǎn)單比較法的優(yōu)點(diǎn)，克服它們各自的缺點(diǎn)，用較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，找到代表性較強(qiáng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件，雖然這個(gè)最佳實(shí)驗(yàn)條件并不一定會(huì)出現(xiàn)在正交表所安排的實(shí)驗(yàn)中，但是通過(guò)正交設(shè)計(jì)并對(duì)結(jié)果的分析我們可以計(jì)算出最佳條件。運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法安排方案的具體步驟為：（1）明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，確定實(shí)驗(yàn)指標(biāo)； （2）選好因素和水平；（3）選定正交表，安排實(shí)驗(yàn)計(jì)劃；（4）填表頭、填水平，完成實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)；（5）根據(jù)安排的計(jì)劃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并測(cè)定和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果；（6）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析?，F(xiàn)以炭還原氧化銅的最佳實(shí)驗(yàn)條件的探究為例來(lái)進(jìn)一步闡述。

現(xiàn)行初級(jí)化學(xué)教材《全日制普通初級(jí)中學(xué)教科書(shū)（必修）化學(xué)》人教版（全一冊(cè)）關(guān)于炭還原氧化銅反應(yīng)，教師在講課時(shí)，在課堂上只是給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)，只要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，然后就把實(shí)驗(yàn)的結(jié)果講授給學(xué)生，而忽略實(shí)驗(yàn)的影響因素等，造成學(xué)生知識(shí)理論基礎(chǔ)的不完善。為此，我們可運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)炭還原氧化銅的最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探究，讓學(xué)生真正的了解其中的原因。炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的原理是： C+2CuO Cu+CO2↑老師們自己在演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，只要實(shí)驗(yàn)演示能讓學(xué)生看到教材上所列的現(xiàn)象就夠了。而對(duì)實(shí)驗(yàn)藥品的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)需要的溫度，加入藥品的量，得到產(chǎn)物的純度等實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵影響因素，只字未提，可能導(dǎo)致學(xué)生在自己實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵因素不能很好的掌握而造成實(shí)驗(yàn)的失敗。

為了有效的探究本實(shí)驗(yàn)，那么我們就要對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)物、反應(yīng)條件、生成物等進(jìn)行探究。我們應(yīng)對(duì)本實(shí)驗(yàn)的各種影響因素運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中要求實(shí)驗(yàn)成功的標(biāo)志是（1）有CO2氣體生成（2）反應(yīng)放熱（呈燃燒狀、紅熱）（3）有塊狀或海綿狀的金屬銅生成。同時(shí)，要對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行確定，由于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種定量的研究方法，將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)。以便對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出最佳條件。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的不同采取評(píng)分的方式來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)值，其中確定為六個(gè)等級(jí)：（1）光亮塊狀銅4.5—5 （2）海綿銅4—4.4 （3） 銅珠3.5—3.9 （4）紅色粉末3—3.4（5）有紅熱、黑色粉末2.5—2.9（6）無(wú)紅熱、黑色粉末2.5以下。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法，在不同的實(shí)驗(yàn)因素下，分析實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的指標(biāo)分?jǐn)?shù)越高說(shuō)明生成的金屬銅的純度越好，實(shí)驗(yàn)效果就越好。最后，把每組實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)值進(jìn)行正交因素的計(jì)算分析。比較后得到本實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示：

影響炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否明顯的主要因素有：（1）火焰的溫度。該實(shí)驗(yàn)要求火焰的溫度要達(dá)到800度以上是實(shí)驗(yàn)成功的基本條件之一。在制作酒精燈時(shí)就要求燈芯的高度和燈罩要透氣性好，寬度大小適中等。（2）氧化銅和炭粉的干燥程度、研磨攪拌均勻的程度等。在實(shí)驗(yàn)前對(duì)氧化銅和炭顆粒進(jìn)行干燥再稱(chēng)取。干燥程度的好壞對(duì)實(shí)驗(yàn)影響很重要，它會(huì)影響實(shí)驗(yàn)所需的溫度。研磨均勻能增加混合物的面積等。（3）混合物堆積的方式。這也是增大木炭與氧化銅粉末間的接觸面使溫度迅速提高的條件。（4）反應(yīng)混合物的質(zhì)量比?；旌衔镔|(zhì)量比多的反應(yīng)的速度就快。所以，炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵因素主要有：一是引發(fā)反應(yīng)所需的溫度；二是對(duì)反應(yīng)物的選擇和處理，如粒度、比例、用量、干燥、堆積方式等。綜合考慮所有因素的最具代表性的水平，把各因素的用量限定如下表1所示。

本實(shí)驗(yàn)所用的儀器有：硬質(zhì)玻璃管（1支） 、玻璃導(dǎo)管、橡皮管，燒杯（1個(gè)）、帶孔膠塞、天平（1套）、研缽、電熱爐（1個(gè)）、自制帶燈罩的三芯酒精燈（1個(gè)）、止水夾（1個(gè)）、紙槽、玻棒。藥品有：木炭、活性炭、氧化銅、銅絲、 澄清石灰水，粉筆（若干）。實(shí)驗(yàn)具體的操作步驟為：（1）首先將試管洗刷干凈，并干燥備用；同時(shí)干燥一些粉筆備用。（2）按照實(shí)驗(yàn)裝置圖組裝實(shí)驗(yàn)儀器。使試管口向下，并進(jìn)行尾氣處理。（3）干燥氧化銅粉末和木炭，并把它們?cè)谘欣徖锓謩e研磨，再將它們混在同一研缽中研磨使其混合均勻。（4）按實(shí)驗(yàn)每組的要求稱(chēng)取氧化銅和炭的不同質(zhì)量比的混合物1.5g。用紙槽放入試管底部，使其平鋪在試管中，并用玻棒輕輕對(duì)其進(jìn)行擠壓，使其堆積好。（5）在堆積好混合物的試管內(nèi)部放上一支已經(jīng)干燥好的粉筆，防止反應(yīng)時(shí)混合物沖出和熱量的散失。（6）先對(duì)試管進(jìn)行預(yù)熱，再集中對(duì)混合物處進(jìn)行加熱，記下反應(yīng)時(shí)間，觀(guān)察反應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉止水夾，再把導(dǎo)管移出尾氣處理的液面。（7）待試管還原的物質(zhì)自然冷卻下來(lái)后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。（8）根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的指標(biāo)值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，找到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。（9）按實(shí)驗(yàn)方案表1確定的各因素水平搭配進(jìn)行三組12次試驗(yàn)，對(duì)三組實(shí)驗(yàn)指標(biāo)取平均值。

根據(jù)表1選擇三因素四水平正交表。這樣能充分保證混合正交表的“均衡搭配、整齊可比”的特點(diǎn)。其結(jié)果及分析如表2所示。

由于實(shí)驗(yàn)安排是均衡搭配的，因此通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算、分析就可以比較各因素的不同水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，找出最佳的實(shí)驗(yàn)條件。本實(shí)驗(yàn)采用直觀(guān)分析法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)K值和R值的大小比較得知實(shí)驗(yàn)最佳的條件組合是A1B2C1。即氧化銅和炭的質(zhì)量比10：1、木炭、不加銅的混合物。通過(guò)運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法找到炭還原氧化銅實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可知：從極差值的大小，可以判定各個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系。顯然，極差越大，它表示了該因素的不同水平所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的差異也就越大，說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果影響越大。因此，從極差值的大小一般可以判定各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響大小，找到實(shí)驗(yàn)的最佳條件。正交實(shí)驗(yàn)法有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，即通過(guò)較少實(shí)驗(yàn)便可分析出最佳實(shí)驗(yàn)條件。

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