由正交实验法探究炭还原氧化铜实验引发的思考

潘淇

摘要：由于中学教学中教师演示炭还原氧化铜实验时，只注重实验的结果和现象明显等问题，对实验的影响因素并没有进行仔细的考虑。本文结合初中化学人教版中“木炭还原氧化铜实验”，通过实验原理探究影响实验因素的条件，运用正交实验法找到最佳的实验条件的过程。引发对中学化学实验教学的思考。

关键词：正交实验法；炭还原氧化铜实验：实验探究过程；思考

中图分类号：O652.1

随着我国新课程改革的逐步推进，化学课程标准中要求全面培养学生的综合科学素养已经成为时代的主题。以往只是教师在课堂上讲实验，演示实验已经不能适应当今的教学，而且认为实验只是为教学内容服务，让教师完全代替了学生，同时广大教师在演示实验时，就只强调实验的结果和现象，忽略了对实验影响因素的考虑，这些做法在教学中都是不合理的。为此，针对初中化学人教版中“木炭还原氧化铜实验”，通过实验原理探究影响实验因素的条件，运用正交实验法找到最佳的实验条件的探究过程。

正交实验设计法最初应用在农业上的，是研究与处理多因素实验的一种科学方法。利用规格化的表格—正交表，科学地挑选实验条件，合理安排实验。正交实验设计法最早由日本质量管量专家田口玄一提出，称为国际标准型正交试验法。我国工业企业特别是化工、纺织、医药、电子、机械行业，正交实验设计法的应用也取得相当的成就，中国数学家张里千教授发明了中国型正交实验设计法 。

正交设计法简称正交法。它是一种研究多因素试验问题的重要教学方法，即使用正交表Ln（t）c[L为正交表的代号，n为试验的次数，t为水平数，c为因素数，例如L9（34）]，

一种数学上已设计好的特制表格来安排实验，并利用正交表的特点对实验结果进行计算、分析，从而找出较优实验方案的一种方法。它是根据正交性从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，这些有代表性的点具备了“均衡搭配，齐整可比”的特点。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

正交实验法保持了全面比较法和简单比较法的优点，克服它们各自的缺点，用较少的实验次数，找到代表性较强的最佳实验条件，虽然这个最佳实验条件并不一定会出现在正交表所安排的实验中，但是通过正交设计并对结果的分析我们可以计算出最佳条件。运用正交实验设计法安排方案的具体步骤为：（1）明确实验目的，确定实验指标； （2）选好因素和水平；（3）选定正交表，安排实验计划；（4）填表头、填水平，完成实验方案的设计；（5）根据安排的计划进行实验，并测定和记录实验结果；（6）对实验结果进行分析。现以炭还原氧化铜的最佳实验条件的探究为例来进一步阐述。

现行初级化学教材《全日制普通初级中学教科书（必修）化学》人教版（全一册）关于炭还原氧化铜反应，教师在讲课时，在课堂上只是给学生做演示实验，只要求实验现象明显，然后就把实验的结果讲授给学生，而忽略实验的影响因素等，造成学生知识理论基础的不完善。为此，我们可运用正交实验法对炭还原氧化銅的最佳实验条件进行探究，让学生真正的了解其中的原因。炭还原氧化铜实验的原理是： C+2CuO Cu+CO2↑老师们自己在演示实验时，只要实验演示能让学生看到教材上所列的现象就够了。而对实验药品的问题，实验需要的温度，加入药品的量，得到产物的纯度等实验的关键影响因素，只字未提，可能导致学生在自己实验时，对实验关键因素不能很好的掌握而造成实验的失败。

为了有效的探究本实验，那么我们就要对这个实验的反应物、反应条件、生成物等进行探究。我们应对本实验的各种影响因素运用正交实验法进行设计，其中要求实验成功的标志是（1）有CO2气体生成（2）反应放热（呈燃烧状、红热）（3）有块状或海绵状的金属铜生成。同时，要对实验指标进行确定，由于正交试验设计是一种定量的研究方法，将定性指标转化为定量指标。以便对实验结果进行分析，找出最佳条件。本实验通过实验产品的不同采取评分的方式来确定标准值，其中确定为六个等级：（1）光亮块状铜4.5—5 （2）海绵铜4—4.4 （3） 铜珠3.5—3.9 （4）红色粉末3—3.4（5）有红热、黑色粉末2.5—2.9（6）无红热、黑色粉末2.5以下。通过正交实验法，在不同的实验因素下，分析实验产物的指标分数越高说明生成的金属铜的纯度越好，实验效果就越好。最后，把每组实验的指标值进行正交因素的计算分析。比较后得到本实验的最佳实验条件。具体实验装置如图所示：

影响炭还原氧化铜实验现象是否明显的主要因素有：（1）火焰的温度。该实验要求火焰的温度要达到800度以上是实验成功的基本条件之一。在制作酒精灯时就要求灯芯的高度和灯罩要透气性好，宽度大小适中等。（2）氧化铜和炭粉的干燥程度、研磨搅拌均匀的程度等。在实验前对氧化铜和炭颗粒进行干燥再称取。干燥程度的好坏对实验影响很重要，它会影响实验所需的温度。研磨均匀能增加混合物的面积等。（3）混合物堆积的方式。这也是增大木炭与氧化铜粉末间的接触面使温度迅速提高的条件。（4）反应混合物的质量比。混合物质量比多的反应的速度就快。所以，炭还原氧化铜实验的关键因素主要有：一是引发反应所需的温度；二是对反应物的选择和处理，如粒度、比例、用量、干燥、堆积方式等。综合考虑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。

本实验所用的仪器有：硬质玻璃管（1支） 、玻璃导管、橡皮管，烧杯（1个）、带孔胶塞、天平（1套）、研钵、电热炉（1个）、自制带灯罩的三芯酒精灯（1个）、止水夹（1个）、纸槽、玻棒。药品有：木炭、活性炭、氧化铜、铜丝、 澄清石灰水，粉笔（若干）。实验具体的操作步骤为：（1）首先将试管洗刷干净，并干燥备用；同时干燥一些粉笔备用。（2）按照实验装置图组装实验仪器。使试管口向下，并进行尾气处理。（3）干燥氧化铜粉末和木炭，并把它们在研钵里分别研磨，再将它们混在同一研钵中研磨使其混合均匀。（4）按实验每组的要求称取氧化铜和炭的不同质量比的混合物1.5g。用纸槽放入试管底部，使其平铺在试管中，并用玻棒轻轻对其进行挤压，使其堆积好。（5）在堆积好混合物的试管内部放上一支已经干燥好的粉笔，防止反应时混合物冲出和热量的散失。（6）先对试管进行预热，再集中对混合物处进行加热，记下反应时间，观察反应现象，当反应结束时，应先关闭止水夹，再把导管移出尾气处理的液面。（7）待试管还原的物质自然冷却下来后，根据实验的指标进行评分。（8）根据实验得到的指标值进行数据分析和处理，找到最佳的实验条件。（9）按实验方案表1确定的各因素水平搭配进行三组12次试验，对三组实验指标取平均值。

根据表1选择三因素四水平正交表。这样能充分保证混合正交表的“均衡搭配、整齐可比”的特点。其结果及分析如表2所示。

由于实验安排是均衡搭配的，因此通过对实验结果的计算、分析就可以比较各因素的不同水平对实验结果的影响，找出最佳的实验条件。本实验采用直观分析法对数据进行分析，通过K值和R值的大小比较得知实验最佳的条件组合是A1B2C1。即氧化铜和炭的质量比10：1、木炭、不加铜的混合物。通过运用正交实验法找到炭还原氧化铜实验结果我们可知：从极差值的大小，可以判定各个因素对实验指标影响的主次关系。显然，极差越大，它表示了该因素的不同水平所对应的实验指标的差异也就越大，说明该因素对实验的结果影响越大。因此，从极差值的大小一般可以判定各因素对实验结果的影响大小，找到实验的最佳条件。正交实验法有着显著的优点，即通过较少实验便可分析出最佳实验条件。

参考文献：

[1]义务教育化学课程标准（实验稿）[M].北京师范大学出版社2002，3（3）：34

[2]化学[M] .九年义务教育三年制初级中学教科书（全一册）.人民教育出版社.2001，5（1）

[3]卢一卉.化学实验教学研究[讲义].西南大学化学化工学院，2005.

[4]林穗云. 木炭还原氧化铜实验方案的探讨[J] . 嘉应大学学报，2002.6