正交试验法探究葡萄糖还原氢氧化铜实验的最佳条件

2022-05-30郭梦琴姜建文黎泓波

化学教与学 2022年18期

关键词：正交试验

郭梦琴　姜建文　黎泓波

摘要：针对葡萄糖还原氢氧化铜实验存在的问题，利用正交试验法探究该实验的最佳条件。严格遵循设计过程，进行实验并收集数据，利用SPSS 26.0软件分析数据，获得最佳实验组合。

关键词：正交试验：葡萄糖检验：最佳条件

文章编号：1008-0546（ 2022 ）09x-0086-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.09x.023

一、问题的提出

葡萄糖还原氢氧化铜的实验是检验葡萄糖的验证性实验。验证性实验要求实验现象明显，如果实验现象错误或不尽如人意就会产生误导。2019年高中化学人教版、鲁科版、苏教版的必修二和选择性必修有机教材（以下简称人教版、鲁科版、苏教版）都有检验葡萄糖的实验，但各版本教材中的反应条件并不统一（如物质的质量分数、温度）。国内研究者对该实验的最佳条件做过系列研究，但在整理相关文献时发现，部分文献的最佳实验条件并不精确，可操作性有欠缺。如于洪超[1]、保志华[2]提出的物质的浓度取值范围，也无文献报道从正交试验以及数据分析的视角探究该实验的最佳条件。本文在文献研究的基础上，利用正交法收集数据，并用SPSS 26.0软件进行数据分析，以获得葡萄糖还原氢氧化铜实验的最佳条件。

二、反应原理

1.反应实质

多位研究者对葡萄糖还原Cu（OH）2的反应原理进行了深层次研究，认为其反应实质是在较强碱性环境下，由Cu（OH）2生成的[Cu（OH）4]2-氧化了葡萄糖的醛基，而不是Cu（OH）2氧化了葡萄糖的醛基。[3，4]张金才学者认为其反应机理和乙醛与新制氢氧化铜反应机理相似，H-进攻多羟基铜络离子，最终发生自身氧化还原反应，生成Cu2O沉淀。[5]根据实验原理，本实验应在较强的碱性环境中进行。

2.颜色变化

葡萄糖溶液为无色，碱性Cu（OH）2溶液呈蓝色，反应生成的Cu2O是砖红色沉淀，持续加热含葡萄糖的碱性Cu（OH）2溶液可能出现蓝、黄绿、黄、砖红、深棕和暗红等颜色变化。对于这一系列的复杂颜色变化，有以下三种观点：观点1：绿色是多羟基铜溶液在加热时反应生成的一种黄色物质与原溶液的蓝色复合而成。[5]观点2：是葡萄糖在碱性环境下，经系列反应生成5-羟甲基糠醛及其聚合的树脂状的有色物质，影响溶液颜色的变化。[6]观点3：封享华等学者通过X射线衍射物相分析证实，在温度较高时产生的黑色物质是单质Cu，并不存在CuO[6]。

三、正交试验设计

通过实验评价指标对各试验打分从而选择最优条件，重点在于指标要能准确判断实验结果并尽可能量化减少误差。选取实验因素和实验水平是整个试验的重要一环，本试验在综合其他研究结论的基础上选取实验因素和实验水平，减少试验的盲目性。记录试验药品和实验步骤、实验结果，设计正交表。

1.实验指标的确定

综合文献所述的实验原理，所得沉淀相对生成量和颜色是主要评价指标，同时由于副反应会生成黑色沉淀及其他有色物质，实验现象的直观程度（如能否清晰观察到Cu2O砖红色沉淀和溶液颜色现象）也是值得考量的因素。本研究综合沉淀相对生成量、沉淀颜色、实验现象的直观程度三指标进行赋分，总值100分。沉淀相对生成量赋值60分，沉淀颜色赋值20分，为清晰观察实验现象和避免有色物质的影响，将现象的直观程度赋值20分。

（1）沉淀相对生成量

沉淀相对生成量的判定具有一定主观性，参考王锦化[7]等学者的做法，先主观打分，然后再将主观打分转化为量化评定标准，制作沉淀生成量评分卡，根据正交预实验获得的沉淀，划分为四段分值区间，具体赋值情况见图1。评定指标时，可将干燥后的沉淀与评分卡比照，得出各试验所获分值。

（2）沉淀颜色

对实验产生沉淀进行观察，除温度较高（或加热时间过长）会产生黑色沉淀外，其余沉淀颜色都为砖红色。因此将获得的沉淀全部为砖红色赋值为20分，砖红色沉淀中带有部分黑色物质赋值为10分，沉淀为全黑或者无沉淀为0分。

（3）现象的直观程度

是否清晰看见砖红色沉淀和溶液颜色等判定具有一定主观性，因此也采取制作评分卡方式，先根据正交预实验出现的不同程度的反应现象，划分为四段分值区间，见图2所示。实验后，立即将获得的溶液颜色与评分卡比照，得出该溶液颜色所获分值。

2.实验因素与实验水平的选取

（1）实验因素的选取

根据文献研究和试验前预实验，葡萄糖还原氢氧化铜反应较为复杂，受多种因素影响。教材与学者们主要说明和探讨的因素包括：NaOH溶液的浓度与体积、CuSO4溶液的浓度与体积、葡萄糖溶液的浓度与体积、反应温度和加热方式。本试验探究前四个主要因素对实验的影响。

（2）实验水平的选取

第一，NaOH溶液的浓度和体积。人教版、鲁科版、苏教版都提出，实验采用2 mL 10%NaOH溶液，王霞和封享华也持有该观点，随'明而于洪超和保志华得出2 mL 8%-10% NaOH溶液为最佳条件。[1，2]最终本试验将NaOH溶液的质量分数分别设为6%、8%、10%、12%四個水平，溶液体积统一为2 mL。

第二，CuSO。溶液的浓度和体积。教材和学者们对浓度和体积有很多不同的观点，其中包括4滴3%-5%或5%-7%、5滴5%或3%-5%、4-5滴5%、5-6滴2%CuSO4溶液。本试验选取Cu（OH）2溶液质量分数分别为2%、4%、5%、7%四个水平，溶液体积统一为5滴。

第三，葡萄糖溶液的浓度和体积。人教版、苏教版和保志华采用的葡萄糖溶液的体积和质量分数为2 mL 10%，[2]于洪超在实验探究中获得的最佳葡萄糖溶液的体积和质量分数为2 mL 8%-10%，[1]王霞经实验证明最佳葡萄糖溶液的体积和质量分数为2滴5%;[8]本试验选取葡萄糖溶液的质量分数分别为4%、8%、10%、12%四个水平，溶液体积统一为2 mL。

第四，反应温度和加热方式。人教版和鲁科版只说明加热，苏教版提出用酒精灯加热至沸腾。另有学者提倡水浴加热，[2，9，10]封享华的实验表明Cu2O的生成在50℃时就已基本完成，并且温度越高，有色副产物就越多。[9]最终本试验将反应温度分别设为30℃、40 ℃、50℃、60 ℃四个水平，加热方式统一为水浴加热。

本实验的因素水平见表1：

3.实验实施

（1）实验药品与仪器

药品：硫酸铜粉末、氢氧化钠固体、无水葡萄糖、蒸馏水。

仪器：电子天平、烧杯、量筒、小试管、胶头滴管、玻璃棒、药匙、滴瓶、恒温水槽、温度计。

（2）实验步骤

首先是准备（配制所需溶液，试管贴标签），其次是实验环节，按照正交表依次实验。

实验步骤为：①设置恒温水槽温度，②用量筒分别量取2 mL NaOH溶液和葡萄糖溶液，③向试管中滴加5滴CuSO4溶液，随即倒入量取的NaOH溶液充分振荡，使蓝色氢氧化铜固体完全溶解，④倒入量取的葡萄糖溶液，充分振荡后放入恒温水槽内开始实验，⑤当溶液颜色趋于稳定时记下反应时间，立即取出试管用“颜色识别器”软件识别颜色并拍照，⑥随后将试管放入超声波仪帮助固体沉淀在溶液底部，静置1小时后缓慢倒出清液，将沉淀用乙醇溶液冲洗后，使其晾干观察沉淀的量与颜色。

进行赋分，赋分包括三部分：①实验现象的直观程度分值，通过识别产物颜色后拍摄的照片与图2比较获得;②沉淀晾干后，将含沉淀的试管与图1进行比较后打分，获得沉淀相对生成量分值;③沉淀颜色分值是通过识别颜色和观察晾干后有无黑色物质确定。以上实验除所用溶液质量分数和反应温度不同，其余实验步骤和使用的仪器等均保持一致，同时重复三次实验取平均值。

4.正交试验表的设计

本实验设计是由4个实验因素（代号：A、B、C、D）的4个实验水平（编号：1、2、3、4）组成（见表1），故按照L16 （44）正交表开展实验。为提高分析的可靠性，减小实验误差，每组实验重复3次，取3次测量平均值为指标数据。利用SPSS 26.0软件设计正交试验表：数据一正交设计一生成。在“生成正交设计”窗口，完成“因子名称”（因素）与“因子标签”（水平）的设置。获得正交试验表如表2所示。每项实验固定各因素用量：NaOH溶液的体积为2mL，CuSO4溶液的体积为5滴，葡萄糖溶液的体积为2 mL。

四、SPSS 26.0软件对实验结果的统计学分析

对结果进行的统计学分析方式有多种，常见的有极差法与方差法。这两种方式均能比较出因素的主次程度与最佳实验条件，但方差法能深入分析某因素在显著性水平上是否显著，也就是该因素对试验的影响程度，越显著说明影响程度越大。[11]本试验借助SPSS 26.0软件进行实验结果的统计学分析。

利用SPSS 26.0软件获得单因素統计和方差分析的具体操作步骤包括3步：第1步选择因变量和固定因子（在主界面点击分析一-般线性模型一单变量，出现主对话框，因变量为各实验总得分，固定因子为四因素）;第2步建立分析模型（在主对话框中点击模型，弹出“模型”对话框，其中“构建项”的类型勾选主效应，并将4因子分别单独转移至“模型”框中，平方和选择Ⅲ类，点击继续）;第3步勾选平均值（在主对话框中点击平均值，再将4因子移至“显示下列各项的平均值”框中，并勾选下方的“比较主效应”，点击继续）。其他照系统默认，最后点击确定，可获得单因素统计与方差分析的结果。

1.单因素统计分析结果

单因素统计分析用于对实验结果进行直观分析，以确定各水平的优劣，从而对比出最优实验组合。各因素的单因素统计量表见表3。

表3给出了每个因素4个水平的均值、标准差和95%的置信区间。均值越大说明该因素水平的实验效果越好。由表3中的均值分析可知，因素A应选水平2（8%），因素B应选水平4（7%），因素C应选水平2（8%），因素D应选水平3（50℃）。即通过以上统计学分析获得的最佳实验组合为A2B4C2D3。

2.方差分析

通过直观分析获得最佳实验组合，借助方差分析比较实验的各因素影响实验结果的程度，判断其是否具有统计学意义。

表4对实验中的4个因素进行了方差分析，阐明了六个相关要素，包括方差来源、平方和、自由度、均方、F值及显著值。从表4可以看出B的显著值为0.001< 0.01，有极显著性影响。A的显著值为0.055，C的显著值为0.132，D的显著值为0.273，因此三因素P> 0.05，都不具备统计学意义。说明因素B对实验指标有极显著影响，因素A、因素C和因素D对实验结果的影响不显著，且影响次序依次为：B>A>C>D。

五、结果与讨论

下面就本研究的实验验证、实验注意事项和本实验的优点进行讨论与说明。

1.实验验证

最佳实验组合分为表内水平组合和表外水平组合。表内水平组合是正交表内列出的试验，且其指标数据是各试验中的最大值;表外水平组合由统计学分析中各因素最佳水平组合获得。[12]本实验的试验8为表内水平组合A1B4C4D3（组合1），表外水平组合为A2B4C2D3（组合2），人教版实验组合为A383C3（组合3）。

以上共获得三组最佳实验组合，下面通过验证性实验进一步对比，选择更优组合（三组反应都采用50 ℃水浴加热进行），每次对比实验重复三次。生成沉淀的量对比见图3，直观现象的对比见图4，三组沉淀颜色均未出现黑色。经验证性实验，组合2在三大指标中表现最佳，该实验的最佳实验条件为2 mL 8%的氢氧化钠溶液、5滴7%的硫酸铜溶液、2 mL 8%的葡萄糖溶液和50℃水浴加热。

2.实验注意事项

首先在正交试验设计方面，实验时必须严格按照正交试验的设计过程，尤其注意明确试验指标，指标应具可操作性、科学性，能准确判定最佳实验组合，同时尽可能地量化减少相关误差，在确定试验指标后察觉不适用也应及时调整。如，本试验最初拟定取静置时间相同、离试管液面同一高度的溶液，用浊度传感器测量的浊度作为评价沉淀生成量的数值，但发现多项沉淀较多的实验中浊度并不可观，因此还是采用先主观后量化的方式赋分。

其次在葡萄糖还原氢氧化铜实验中，加热时间不宜过长，否则会使溶液颜色加深且沉淀变黑。实验总结时发现实验完成时间受温度的影响最大，30℃、40℃、50 ℃、60 ℃时，所需时间分别约10分钟、6分钟、2分半钟、1分半钟。此外为控制加热时间，避免加热时间过长产生副反应，本试验最初拟采用的方案为：用pH传感器检测溶液pH的变化，精确判断反应是否完成。但实验数次后发现溶液的pH并未发生明显变化，此方法不可行。

3.试验的优点

保证研究结果的科学性，是科学工作者开展科学研究的应有之义。首先过程具有科学性，本试验基于麦裕华学者对正交试验设计过程的研究，严格遵循相关步骤要求进行试验;其次结论具有说服力，结合SPSS 26.0软件，从量化的角度明确了该实验四项影响因素的最优组合，及其对实验结果影响的大小。最后实验绿色化，在2 mL NaOH溶液、5滴CuSO。溶液、2 mL葡萄糖溶液的条件下，较之教材与其他研究组合，减少了所使用的氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，节约了药品，实验现象也更明显。

参考文献

[1] 于洪超，葡萄糖检验的最佳方案实验探究[J].化学教与學，2011（02）：76，22.

[2]保志华，葡萄糖的检验中试剂用量及相关探讨[J].云南医药，2014，35（03）：382-384.

[3]杨晓东.新制氢氧化铜若干问题的探究[J].化学教学，2012（09）：53-56.

[4] 陆燕海.也谈葡萄糖与氢氧化铜反应的变色现象[J].中学化学教学参考，2013（21）：34-35.

[5]张金才.葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验的问题探究[J].实验教学与仪器，2010，27（04）：27-28.

[6]封享华，丁世敏，马霈.葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验两个疑难问题探究[J].化学教学，2020（09）：73-75.

[7]王锦化，贵华鹏，周朗.超微量银镜反应实验研究[J].化学教育，2012，33（01）：67-68，72.

[8]王霞.葡萄糖的检验中试剂用量及相关探讨[J].化学教与学，2012（06）：97，70.

[9]封享华，丁世敏，马霈，陈园.葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验改进[J].化学教学，2020（04）：58-60.

[10]陈贵新，林洪.对葡萄糖两个还原性实验条件的探究[J].化学教与学，2018（04）：94-95.

[11]唐佳丽，徐章韬.正交试验中的极差分析与方差分析[J].中学数学，2017（09）：31-34.