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    正交試驗(yàn)法探究葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件

    2022-05-30 10:48:04郭夢(mèng)琴姜建文黎泓波
    化學(xué)教與學(xué) 2022年18期
    關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn)

    郭夢(mèng)琴 姜建文 黎泓波

    摘要:針對(duì)葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題,利用正交試驗(yàn)法探究該實(shí)驗(yàn)的最佳條件。嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)過(guò)程,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù),利用SPSS 26.0軟件分析數(shù)據(jù),獲得最佳實(shí)驗(yàn)組合。

    關(guān)鍵詞:正交試驗(yàn):葡萄糖檢驗(yàn):最佳條件

    文章編號(hào):1008-0546( 2022 )09x-0086-05 中圖分類號(hào):G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

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

    一、問(wèn)題的提出

    葡萄糖還原氫氧化銅的實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)葡萄糖的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象錯(cuò)誤或不盡如人意就會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。2019年高中化學(xué)人教版、魯科版、蘇教版的必修二和選擇性必修有機(jī)教材(以下簡(jiǎn)稱人教版、魯科版、蘇教版)都有檢驗(yàn)葡萄糖的實(shí)驗(yàn),但各版本教材中的反應(yīng)條件并不統(tǒng)一(如物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度)。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)該實(shí)驗(yàn)的最佳條件做過(guò)系列研究,但在整理相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),部分文獻(xiàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件并不精確,可操作性有欠缺。如于洪超[1]、保志華[2]提出的物質(zhì)的濃度取值范圍,也無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道從正交試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析的視角探究該實(shí)驗(yàn)的最佳條件。本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上,利用正交法收集數(shù)據(jù),并用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以獲得葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件。

    二、反應(yīng)原理

    1.反應(yīng)實(shí)質(zhì)

    多位研究者對(duì)葡萄糖還原Cu(OH)2的反應(yīng)原理進(jìn)行了深層次研究,認(rèn)為其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是在較強(qiáng)堿性環(huán)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]張金才學(xué)者認(rèn)為其反應(yīng)機(jī)理和乙醛與新制氫氧化銅反應(yīng)機(jī)理相似,H-進(jìn)攻多羥基銅絡(luò)離子,最終發(fā)生自身氧化還原反應(yīng),生成Cu2O沉淀。[5]根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理,本實(shí)驗(yàn)應(yīng)在較強(qiáng)的堿性環(huán)境中進(jìn)行。

    2.顏色變化

    葡萄糖溶液為無(wú)色,堿性Cu(OH)2溶液呈藍(lán)色,反應(yīng)生成的Cu2O是磚紅色沉淀,持續(xù)加熱含葡萄糖的堿性Cu(OH)2溶液可能出現(xiàn)藍(lán)、黃綠、黃、磚紅、深棕和暗紅等顏色變化。對(duì)于這一系列的復(fù)雜顏色變化,有以下三種觀點(diǎn):觀點(diǎn)1:綠色是多羥基銅溶液在加熱時(shí)反應(yīng)生成的一種黃色物質(zhì)與原溶液的藍(lán)色復(fù)合而成。[5]觀點(diǎn)2:是葡萄糖在堿性環(huán)境下,經(jīng)系列反應(yīng)生成5-羥甲基糠醛及其聚合的樹(shù)脂狀的有色物質(zhì),影響溶液顏色的變化。[6]觀點(diǎn)3:封享華等學(xué)者通過(guò)X射線衍射物相分析證實(shí),在溫度較高時(shí)產(chǎn)生的黑色物質(zhì)是單質(zhì)Cu,并不存在CuO[6]。

    三、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各試驗(yàn)打分從而選擇最優(yōu)條件,重點(diǎn)在于指標(biāo)要能準(zhǔn)確判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果并盡可能量化減少誤差。選取實(shí)驗(yàn)因素和實(shí)驗(yàn)水平是整個(gè)試驗(yàn)的重要一環(huán),本試驗(yàn)在綜合其他研究結(jié)論的基礎(chǔ)上選取實(shí)驗(yàn)因素和實(shí)驗(yàn)水平,減少試驗(yàn)的盲目性。記錄試驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)正交表。

    1.實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確定

    綜合文獻(xiàn)所述的實(shí)驗(yàn)原理,所得沉淀相對(duì)生成量和顏色是主要評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)由于副反應(yīng)會(huì)生成黑色沉淀及其他有色物質(zhì),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀程度(如能否清晰觀察到Cu2O磚紅色沉淀和溶液顏色現(xiàn)象)也是值得考量的因素。本研究綜合沉淀相對(duì)生成量、沉淀顏色、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀程度三指標(biāo)進(jìn)行賦分,總值100分。沉淀相對(duì)生成量賦值60分,沉淀顏色賦值20分,為清晰觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和避免有色物質(zhì)的影響,將現(xiàn)象的直觀程度賦值20分。

    (1)沉淀相對(duì)生成量

    沉淀相對(duì)生成量的判定具有一定主觀性,參考王錦化[7]等學(xué)者的做法,先主觀打分,然后再將主觀打分轉(zhuǎn)化為量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),制作沉淀生成量評(píng)分卡,根據(jù)正交預(yù)實(shí)驗(yàn)獲得的沉淀,劃分為四段分值區(qū)間,具體賦值情況見(jiàn)圖1。評(píng)定指標(biāo)時(shí),可將干燥后的沉淀與評(píng)分卡比照,得出各試驗(yàn)所獲分值。

    (2)沉淀顏色

    對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生沉淀進(jìn)行觀察,除溫度較高(或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng))會(huì)產(chǎn)生黑色沉淀外,其余沉淀顏色都為磚紅色。因此將獲得的沉淀全部為磚紅色賦值為20分,磚紅色沉淀中帶有部分黑色物質(zhì)賦值為10分,沉淀為全黑或者無(wú)沉淀為0分。

    (3)現(xiàn)象的直觀程度

    是否清晰看見(jiàn)磚紅色沉淀和溶液顏色等判定具有一定主觀性,因此也采取制作評(píng)分卡方式,先根據(jù)正交預(yù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的不同程度的反應(yīng)現(xiàn)象,劃分為四段分值區(qū)間,見(jiàn)圖2所示。實(shí)驗(yàn)后,立即將獲得的溶液顏色與評(píng)分卡比照,得出該溶液顏色所獲分值。

    2.實(shí)驗(yàn)因素與實(shí)驗(yàn)水平的選取

    (1)實(shí)驗(yàn)因素的選取

    根據(jù)文獻(xiàn)研究和試驗(yàn)前預(yù)實(shí)驗(yàn),葡萄糖還原氫氧化銅反應(yīng)較為復(fù)雜,受多種因素影響。教材與學(xué)者們主要說(shuō)明和探討的因素包括:NaOH溶液的濃度與體積、CuSO4溶液的濃度與體積、葡萄糖溶液的濃度與體積、反應(yīng)溫度和加熱方式。本試驗(yàn)探究前四個(gè)主要因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

    (2)實(shí)驗(yàn)水平的選取

    第一,NaOH溶液的濃度和體積。人教版、魯科版、蘇教版都提出,實(shí)驗(yàn)采用2 mL 10%NaOH溶液,王霞和封享華也持有該觀點(diǎn),隨'明而于洪超和保志華得出2 mL 8%-10% NaOH溶液為最佳條件。[1,2]最終本試驗(yàn)將NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為6%、8%、10%、12%四個(gè)水平,溶液體積統(tǒng)一為2 mL。

    第二,CuSO。溶液的濃度和體積。教材和學(xué)者們對(duì)濃度和體積有很多不同的觀點(diǎn),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。本試驗(yàn)選取Cu(OH)2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、5%、7%四個(gè)水平,溶液體積統(tǒng)一為5滴。

    第三,葡萄糖溶液的濃度和體積。人教版、蘇教版和保志華采用的葡萄糖溶液的體積和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mL 10%,[2]于洪超在實(shí)驗(yàn)探究中獲得的最佳葡萄糖溶液的體積和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mL 8%-10%,[1]王霞經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明最佳葡萄糖溶液的體積和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2滴5%;[8]本試驗(yàn)選取葡萄糖溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、8%、10%、12%四個(gè)水平,溶液體積統(tǒng)一為2 mL。

    第四,反應(yīng)溫度和加熱方式。人教版和魯科版只說(shuō)明加熱,蘇教版提出用酒精燈加熱至沸騰。另有學(xué)者提倡水浴加熱,[2,9,10]封享華的實(shí)驗(yàn)表明Cu2O的生成在50℃時(shí)就已基本完成,并且溫度越高,有色副產(chǎn)物就越多。[9]最終本試驗(yàn)將反應(yīng)溫度分別設(shè)為30℃、40 ℃、50℃、60 ℃四個(gè)水平,加熱方式統(tǒng)一為水浴加熱。

    本實(shí)驗(yàn)的因素水平見(jiàn)表1:

    3.實(shí)驗(yàn)實(shí)施

    (1)實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

    藥品:硫酸銅粉末、氫氧化鈉固體、無(wú)水葡萄糖、蒸餾水。

    儀器:電子天平、燒杯、量筒、小試管、膠頭滴管、玻璃棒、藥匙、滴瓶、恒溫水槽、溫度計(jì)。

    (2)實(shí)驗(yàn)步驟

    首先是準(zhǔn)備(配制所需溶液,試管貼標(biāo)簽),其次是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié),按照正交表依次實(shí)驗(yàn)。

    實(shí)驗(yàn)步驟為:①設(shè)置恒溫水槽溫度,②用量筒分別量取2 mL NaOH溶液和葡萄糖溶液,③向試管中滴加5滴CuSO4溶液,隨即倒入量取的NaOH溶液充分振蕩,使藍(lán)色氫氧化銅固體完全溶解,④倒入量取的葡萄糖溶液,充分振蕩后放入恒溫水槽內(nèi)開(kāi)始實(shí)驗(yàn),⑤當(dāng)溶液顏色趨于穩(wěn)定時(shí)記下反應(yīng)時(shí)間,立即取出試管用“顏色識(shí)別器”軟件識(shí)別顏色并拍照,⑥隨后將試管放入超聲波儀幫助固體沉淀在溶液底部,靜置1小時(shí)后緩慢倒出清液,將沉淀用乙醇溶液沖洗后,使其晾干觀察沉淀的量與顏色。

    進(jìn)行賦分,賦分包括三部分:①實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀程度分值,通過(guò)識(shí)別產(chǎn)物顏色后拍攝的照片與圖2比較獲得;②沉淀晾干后,將含沉淀的試管與圖1進(jìn)行比較后打分,獲得沉淀相對(duì)生成量分值;③沉淀顏色分值是通過(guò)識(shí)別顏色和觀察晾干后有無(wú)黑色物質(zhì)確定。以上實(shí)驗(yàn)除所用溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和反應(yīng)溫度不同,其余實(shí)驗(yàn)步驟和使用的儀器等均保持一致,同時(shí)重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)取平均值。

    4.正交試驗(yàn)表的設(shè)計(jì)

    本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是由4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素(代號(hào):A、B、C、D)的4個(gè)實(shí)驗(yàn)水平(編號(hào):1、2、3、4)組成(見(jiàn)表1),故按照L16 (44)正交表開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。為提高分析的可靠性,減小實(shí)驗(yàn)誤差,每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,取3次測(cè)量平均值為指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用SPSS 26.0軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表:數(shù)據(jù)一正交設(shè)計(jì)一生成。在“生成正交設(shè)計(jì)”窗口,完成“因子名稱”(因素)與“因子標(biāo)簽”(水平)的設(shè)置。獲得正交試驗(yàn)表如表2所示。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)固定各因素用量:NaOH溶液的體積為2mL,CuSO4溶液的體積為5滴,葡萄糖溶液的體積為2 mL。

    四、SPSS 26.0軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

    對(duì)結(jié)果進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方式有多種,常見(jiàn)的有極差法與方差法。這兩種方式均能比較出因素的主次程度與最佳實(shí)驗(yàn)條件,但方差法能深入分析某因素在顯著性水平上是否顯著,也就是該因素對(duì)試驗(yàn)的影響程度,越顯著說(shuō)明影響程度越大。[11]本試驗(yàn)借助SPSS 26.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

    利用SPSS 26.0軟件獲得單因素統(tǒng)計(jì)和方差分析的具體操作步驟包括3步:第1步選擇因變量和固定因子(在主界面點(diǎn)擊分析一-般線性模型一單變量,出現(xiàn)主對(duì)話框,因變量為各實(shí)驗(yàn)總得分,固定因子為四因素);第2步建立分析模型(在主對(duì)話框中點(diǎn)擊模型,彈出“模型”對(duì)話框,其中“構(gòu)建項(xiàng)”的類型勾選主效應(yīng),并將4因子分別單獨(dú)轉(zhuǎn)移至“模型”框中,平方和選擇Ⅲ類,點(diǎn)擊繼續(xù));第3步勾選平均值(在主對(duì)話框中點(diǎn)擊平均值,再將4因子移至“顯示下列各項(xiàng)的平均值”框中,并勾選下方的“比較主效應(yīng)”,點(diǎn)擊繼續(xù))。其他照系統(tǒng)默認(rèn),最后點(diǎn)擊確定,可獲得單因素統(tǒng)計(jì)與方差分析的結(jié)果。

    1.單因素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

    單因素統(tǒng)計(jì)分析用于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析,以確定各水平的優(yōu)劣,從而對(duì)比出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)組合。各因素的單因素統(tǒng)計(jì)量表見(jiàn)表3。

    表3給出了每個(gè)因素4個(gè)水平的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間。均值越大說(shuō)明該因素水平的實(shí)驗(yàn)效果越好。由表3中的均值分析可知,因素A應(yīng)選水平2(8%),因素B應(yīng)選水平4(7%),因素C應(yīng)選水平2(8%),因素D應(yīng)選水平3(50℃)。即通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)學(xué)分析獲得的最佳實(shí)驗(yàn)組合為A2B4C2D3。

    2.方差分析

    通過(guò)直觀分析獲得最佳實(shí)驗(yàn)組合,借助方差分析比較實(shí)驗(yàn)的各因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的程度,判斷其是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

    表4對(duì)實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)因素進(jìn)行了方差分析,闡明了六個(gè)相關(guān)要素,包括方差來(lái)源、平方和、自由度、均方、F值及顯著值。從表4可以看出B的顯著值為0.001< 0.01,有極顯著性影響。A的顯著值為0.055,C的顯著值為0.132,D的顯著值為0.273,因此三因素P> 0.05,都不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說(shuō)明因素B對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有極顯著影響,因素A、因素C和因素D對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著,且影響次序依次為:B>A>C>D。

    五、結(jié)果與討論

    下面就本研究的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行討論與說(shuō)明。

    1.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    最佳實(shí)驗(yàn)組合分為表內(nèi)水平組合和表外水平組合。表內(nèi)水平組合是正交表內(nèi)列出的試驗(yàn),且其指標(biāo)數(shù)據(jù)是各試驗(yàn)中的最大值;表外水平組合由統(tǒng)計(jì)學(xué)分析中各因素最佳水平組合獲得。[12]本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)8為表內(nèi)水平組合A1B4C4D3(組合1),表外水平組合為A2B4C2D3(組合2),人教版實(shí)驗(yàn)組合為A383C3(組合3)。

    以上共獲得三組最佳實(shí)驗(yàn)組合,下面通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)比,選擇更優(yōu)組合(三組反應(yīng)都采用50 ℃水浴加熱進(jìn)行),每次對(duì)比實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。生成沉淀的量對(duì)比見(jiàn)圖3,直觀現(xiàn)象的對(duì)比見(jiàn)圖4,三組沉淀顏色均未出現(xiàn)黑色。經(jīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),組合2在三大指標(biāo)中表現(xiàn)最佳,該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)條件為2 mL 8%的氫氧化鈉溶液、5滴7%的硫酸銅溶液、2 mL 8%的葡萄糖溶液和50℃水浴加熱。

    2.實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

    首先在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面,實(shí)驗(yàn)時(shí)必須嚴(yán)格按照正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程,尤其注意明確試驗(yàn)指標(biāo),指標(biāo)應(yīng)具可操作性、科學(xué)性,能準(zhǔn)確判定最佳實(shí)驗(yàn)組合,同時(shí)盡可能地量化減少相關(guān)誤差,在確定試驗(yàn)指標(biāo)后察覺(jué)不適用也應(yīng)及時(shí)調(diào)整。如,本試驗(yàn)最初擬定取靜置時(shí)間相同、離試管液面同一高度的溶液,用濁度傳感器測(cè)量的濁度作為評(píng)價(jià)沉淀生成量的數(shù)值,但發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)沉淀較多的實(shí)驗(yàn)中濁度并不可觀,因此還是采用先主觀后量化的方式賦分。

    其次在葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)中,加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),否則會(huì)使溶液顏色加深且沉淀變黑。實(shí)驗(yàn)總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間受溫度的影響最大,30℃、40℃、50 ℃、60 ℃時(shí),所需時(shí)間分別約10分鐘、6分鐘、2分半鐘、1分半鐘。此外為控制加熱時(shí)間,避免加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生副反應(yīng),本試驗(yàn)最初擬采用的方案為:用pH傳感器檢測(cè)溶液pH的變化,精確判斷反應(yīng)是否完成。但實(shí)驗(yàn)數(shù)次后發(fā)現(xiàn)溶液的pH并未發(fā)生明顯變化,此方法不可行。

    3.試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

    保證研究結(jié)果的科學(xué)性,是科學(xué)工作者開(kāi)展科學(xué)研究的應(yīng)有之義。首先過(guò)程具有科學(xué)性,本試驗(yàn)基于麥裕華學(xué)者對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的研究,嚴(yán)格遵循相關(guān)步驟要求進(jìn)行試驗(yàn);其次結(jié)論具有說(shuō)服力,結(jié)合SPSS 26.0軟件,從量化的角度明確了該實(shí)驗(yàn)四項(xiàng)影響因素的最優(yōu)組合,及其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小。最后實(shí)驗(yàn)綠色化,在2 mL NaOH溶液、5滴CuSO。溶液、2 mL葡萄糖溶液的條件下,較之教材與其他研究組合,減少了所使用的氫氧化鈉溶液和葡萄糖溶液,節(jié)約了藥品,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更明顯。

    參考文獻(xiàn)

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