正交试验法对黑面包试验最佳条件的研究

正交实验法对“黑面包实验”最佳条件的研究摘要：运用正交实验法，找出浓硫酸和蔗糖脱水碳化 的最佳实验条件。关键词：正交实验；浓硫酸和蔗糖；脱水碳化；最佳条件文章编号： 1008-0546（ 2015）10-0083-02 中图分类号： G632.41 文献标识码： Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.029化学必修 1 专题四第一单元“含硫化合物的性质和应用” 中硫酸的制备和性质实验 2 浓硫酸和蔗糖的反应（俗称黑面 包实验）（人教版化学必修一第四章第四节“硫酸、硝酸和 氨”中浓硫酸和蔗糖的反应）是高一化学中的一个重要实验 （如图 1）。该实验反应现象为蔗糖变黑、放热、形成疏松多 孔的黑色面包状物质。用此反应来验证浓硫酸的脱水性。实 验中水量未标明，且实际教学时室温在10 度左右反应温度太低，因此极易失败；同时实验在敞口容器中进行对环境及 学生均有一定的影响。在苏教版 2012 年 6 月第 7 次印刷的 教材中把实验进行了改进（如图 2），2克蔗糖与 5 毫升浓硫 酸混合后迅速搅拌。这样改进的优点是可以验证浓硫酸的脱 水性、强氧化性；可以兼顾二氧化硫的尾气吸收较环保；缺点是搅拌操作不仅实施不便还存在一定的安全隐患，不搅拌在10 c温度下反应缓慢且极易失败。在知网上查阅 1990 年至 2015 的期刊，有关浓硫酸与蔗 糖（俗称黑面包实验）反应相关的文献共 3 篇。均是对实验 产生的二氧化硫的性质的检验和尾气处理等进行的实验改 进。本文探究影响实验成功的因素，影响黑面包实验成功的 因素有多方面， 如： 反应物的用量、 实验加水量、 反应温度、 糖的颗粒大小等。从影响该实验的几个主要因素出发，通过 正交实验法研究该实验的最佳实验条件，从而确保实验的成 功，实验现象的明显。一、实验指标的确定 本文从实验成功的特征现象出发，选取黑面包高度，膨 胀时间。二、实验方案设计1. 因素的确定 在实验中，对实验指标发生影响的原因称为因素。本文 在控制蔗糖的颗粒大小的基础上通过对影响程度的对比、筛 选，采用 3 个因素加以分析比较以便好中选优。这 3 个因素 分别是： 反应物用量、水的用量、反应温度。2. 水平的确定 在实验中，由于因素所处的状态和条件的不同，可能引 起指标的变化，因素的这些状态的条件称为水平。根据教材及可操作性在本实验的正交设计中，对反应物用量、水的用 量、反应温度（考虑反应温度过低实验不易成功故在原实验 装置上加上水浴加热如图 3，通过对比试验温度过高反应太 快太剧烈存在危险） 。分别选择三种水平，见表1。本实验为三因素三水平的实验， 可以选用 L9（ 34）正交 表，并对相应的数字用实验值进行代换，形成完整的实验方 案。该实验设计的正交表，见表2。注： 本实验中使用蔗糖均为普通白砂糖质量 2 克，胶 头滴管每一滴为 0.05 毫升。三、实验操作，实验现象及实验记录根据表 2 按顺序逐一完成实验。每个实验做 3 次，取其 平均值，并记录好各个实验的结果。每次实验中黑面包的高 度以蔗糖的高度为起点，反应时间以加入浓硫酸后开始计时 开始剧烈膨胀结束。实验现象见表3，实验记录见表 4。四、实验数据的分析及验证1. 实验数据分析根据表 4 中 R 值的大小可知本实验因素显著性顺序为： C、A、B（R 值越大因素的影响越显著） ，即反应温度对实 验影响最为显著，反应物浓硫酸与蔗糖的用量次之，加水量 再次之。根据实验的数据分析，本实验的最佳条件是A3B3C1。即m蔗糖（克）：v浓硫酸（毫升）的质量比为2: 6;加水量为10滴；反应温度为20 C，实验效果最好。2. 验证实验选出最佳条件由于该最佳条件不是在 9 次实验中产生的，而是通过正交实验分析得出的结论，因此还要追加一组验证性实验（见表 5 ）。经实验： 实验现象为迅速变黄变黑， 黑面包均匀无断层， 底部有液体剩余， 故 A3B3C1 为本文探究所得实验的最佳条 件。条件允许可以更深入的研究。五、几点说明1. 实验装置：18x 18mm试管，单孔塞及导管，电子天平（精确到 0.001g ），称量纸，药匙， 10mL 量筒（精确到 0.1mL ），品红溶液，氢氧化钠溶液，铁架台，标签，15 厘米直尺，秒表。2.实验试剂：南通威尔特化工厂试剂有限公司500mL（920g）分析纯（A.R ）硫酸；天津市科密欧化学试剂有限 公司500g分析纯（A.R）蔗糖，1.00mol/L氢氧化钠溶液， 品红溶液，均直接应用，没有再做处理。参考文献1 沈理明 . 化学实验教学与研究 M. 贵阳：贵州教育出版社， 2004， 72 王海琴， 谢云英 . 浓硫酸脱水实验的改进 J. 中国校 外教育杂志教学方法， 2008，（ 1 ）3 斯琴毕力格，双和尔，哈申高娃 . 浓硫酸与蔗糖的反 应及产物的检验 J. 内蒙古民族大学学报， 2009，（ 7）：4-154 冀向飞 .浅谈浓硫酸与蔗糖反应试验中忽视的问题及 实验改进 J. 中国校外教育上旬刊 课堂教学， 2012，（ 10）： 53