鐵與硫酸銅反應(yīng)最佳實(shí)驗(yàn)條件的探討

封超燕

【摘要】采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法探討初中化學(xué)教材中鐵與硫酸銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)硫酸銅溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、鐵的形狀為鐵片、不加煤油密封及加入0.01g的氯化鈉時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象最為明顯。

【關(guān)鍵詞】鐵 硫酸銅溶液 最佳實(shí)驗(yàn)條件 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法

“鐵與硫酸銅的反應(yīng)”是人教版義務(wù)教育上冊(cè)第五單元課題1質(zhì)量守恒定律中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)。有文獻(xiàn)及其實(shí)驗(yàn)為證，很多一線(xiàn)教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溶液顏色和鐵釘表面發(fā)生的現(xiàn)象變化與教材圖示不相同，有的溶液沒(méi)有變成淺綠色，鐵釘表面出現(xiàn)黑色物質(zhì)，而不是紅色。這些影響著實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，影響學(xué)生獲得知識(shí)的過(guò)程。有的一線(xiàn)教師在沒(méi)做出與教材圖示相符的現(xiàn)象時(shí)，甚至讓學(xué)生直接機(jī)械記憶正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)考試。這不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，不利于學(xué)生的全面發(fā)展。為此，筆者將對(duì)該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行探討，以期得到該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

一、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確定

根據(jù)教材的描述，實(shí)驗(yàn)的正?，F(xiàn)象為溶液顏色變?yōu)闇\綠色，鐵釘上有紅色物質(zhì)析出。把溶液的顏色變化，鐵釘表面上析出物質(zhì)的顏色變化作為定性的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。鐵表面析出顏色的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：亮紅色（90～100分）、紅色（80～90分）、暗紅色（70～80分）、紅色帶有少量黑色（60～70分），黑色（60分以下），溶液顏色變化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：淺綠色（90～100分）、淺藍(lán)綠色（80～90分）、藍(lán)綠色（70～80分）、淺黃綠色（60～70分）、藍(lán)色（60分以下）。另外，由相關(guān)資料知，反應(yīng)時(shí)間的不同，溶液的顏色也會(huì)不同。本實(shí)驗(yàn)將反應(yīng)時(shí)間作為定量的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，考慮到課堂教學(xué)的時(shí)間限制，大多實(shí)驗(yàn)用時(shí)不超過(guò)5分鐘。反應(yīng)時(shí)間的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：1min以?xún)?nèi)（90～100分）、1.min～2min（80～90分）、2min～3min（70～80分）、3min～4min（60～70分）、4min～5min（60分以下）。把前兩個(gè)定性指標(biāo)作為主要的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，反應(yīng)時(shí)間這個(gè)定量指標(biāo)次之。

二、實(shí)驗(yàn)因素、水平的確定

影響實(shí)驗(yàn)的因素主要有CuSO4溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鐵的形狀、體系密封與否、加入氯化鈉的量等條件。

丁吉念探討了硫酸銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)效果的影響，他用3根鐵釘與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸銅反應(yīng)，結(jié)果得出CuSO4溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果，并且CuSO4溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%～6.02%時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象效果明顯。姜跟華也探討了硫酸銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)該實(shí)驗(yàn)效果的影響，他用3根鐵絲與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸銅反應(yīng)。結(jié)果得出當(dāng)3g無(wú)水硫酸銅加入到70毫升水中時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。前期實(shí)驗(yàn)確定CuSO4溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 、4%、5%、6%四個(gè)水平，但發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，更改硫酸銅溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%。

眾所周知，反應(yīng)物之間的接觸面積不同會(huì)影響反應(yīng)速率。所以，本實(shí)驗(yàn)把鐵的形狀作為實(shí)驗(yàn)因素之一，水平為鐵釘、鐵絲、鐵片三個(gè)水平。

姜跟華探討了加入少量氯化鈉對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響，認(rèn)為加入少量的氯化鈉能加快化學(xué)反應(yīng)速率，并且反應(yīng)效果很好。同時(shí)姜跟華提出加入過(guò)量的氯化鈉，氯化鈉和硫酸銅會(huì)發(fā)生反應(yīng)生成Na2[CuCl4]，其為黃色，會(huì)干擾溶液顏色的觀察，從而影響實(shí)驗(yàn)效果，但其沒(méi)有探究加入氯化鈉的具體用量。實(shí)驗(yàn)之初采用優(yōu)選法來(lái)確定氯化鈉的最佳用量，0～1克，分為十個(gè)水平。根據(jù)黃金分割點(diǎn)法實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)溶液總是會(huì)生成黃綠色溶液，分析推測(cè)加入氯化鈉的量多了，生成Na2[CuCl4]，影響了實(shí)驗(yàn)效果。所以，減少氯化鈉的量，確定氯化鈉的量為：0g、0.01g、0.05g三個(gè)水平。張先未在鐵與硫酸銅的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，認(rèn)為鐵的用量最好為3～5根，本實(shí)驗(yàn)選擇4根。本實(shí)驗(yàn)的因素水平表如表1所示。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

1、用1mol/L的稀硫酸處理鐵釘、鐵絲、鐵片。

2、用電子天平稱(chēng)取一定量的無(wú)水硫酸銅，并將稱(chēng)取好的硫酸銅加入到裝有10毫升水的燒杯中，配制成一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸銅溶液，再加入一定量的氯化鈉，攪拌均勻。

3、將剛配好的溶液加入到事先準(zhǔn)備好的干凈試管中，再放入4根一定形狀的鐵，開(kāi)始用秒表計(jì)時(shí)，觀察溶液顏色的變化，鐵表面生成物質(zhì)的顏色，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4、根據(jù)表2安排實(shí)驗(yàn)。

5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析是采用綜合評(píng)分法，將多指標(biāo)的情況轉(zhuǎn)化為單指標(biāo)，再用每次實(shí)驗(yàn)得分來(lái)代表實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？紤]到本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的地位不一樣，對(duì)指標(biāo)賦予一定的權(quán)重。本實(shí)驗(yàn)鐵表面析出物質(zhì)的顏色都為紅色，都是立即析出，無(wú)區(qū)別，故分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，對(duì)其不考慮。剩下兩個(gè)指標(biāo)中溶液的顏色變化更為重要。所以，在綜合平衡下，決定兩者的權(quán)重比為7：3，指標(biāo)溶液顏色變化的權(quán)重為70%，反應(yīng)時(shí)間為30%。

四、實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直觀分析

本實(shí)驗(yàn)由3個(gè)三水平因素和一個(gè)兩水平因素構(gòu)成，如采用最簡(jiǎn)單混合型正交表L18（2×37），也需要做18次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)較多，浪費(fèi)藥品。本實(shí)驗(yàn)采用擬水平法，使因素C（體系密封與否）在形式上變成三水平，這樣就可以使用三因素正交表L9（34），只需做9次實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)操作更加簡(jiǎn)便。本實(shí)驗(yàn)將不加煤油密封作為因素C的擬水平，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表2所示。

五、結(jié)論

從上述分析結(jié)果中不難看到：

第一，影響實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的主次因素為：

主 次

[CuSO4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)] [鐵的形狀] [NaCl的質(zhì)量] [體系密封]

第二，本實(shí)驗(yàn)最佳配比為A1B3C2D2 ，即硫酸銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，鐵的形狀為鐵片，不加煤油密封，加0.01g的氯化鈉，現(xiàn)象最明顯。

【參考文獻(xiàn)】

[1]丁吉念.一則質(zhì)量守恒定律實(shí)驗(yàn)最佳效果研究[J].化學(xué)教育，2012，（11）：98-101

[2]姜跟華.對(duì)鐵與硫酸銅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究[J].化學(xué)教與學(xué)，2013（3）：93-94

[3]張先未.加速顯現(xiàn)“Fe與CuSO4反應(yīng)”現(xiàn)象的新方法[J].河北理科教學(xué)研究，2005，（3）：50