基于正交试验法探究新制氢氧化铜与葡萄糖反应的最佳条件_潘振蓓.pdf

642023 年第 1 期（总第 165 期）基于正交试验法探究新制氢氧化铜与葡萄糖反应的最佳条件潘振蓓1，张超1，李雨甜2，张小兰1，余焕焕1，李燕红1，叶青1（1.上饶师范学院，江西上饶，334001；2.无锡光华学校，江苏无锡，214000）摘 要：新制氢氧化铜与葡萄糖的反应是一个操作简单、现象明显的检验葡萄糖的实验，但在实际操作时会出现实验现象不理想的情况。为了得到最佳实验效果，通过对新制氢氧化铜与葡萄糖的反应进行正交试验设计，以氢氧化钠浓度，葡萄糖浓度，硫酸铜浓度个因素为变量，设计三因素五水平实验，以反应过程中溶液的变色情况和反应后的沉淀情况作为评判标准，探究新制氢氧化铜与葡萄糖反应的主要影响因素及最佳实验条件。最终得到新制氢氧化铜和葡萄糖的反应的主要影响因素为：葡萄糖浓度氢氧化钠浓度硫酸铜浓度；取得最佳实验效果的实验条件为：25%浓度的氢氧化钠 2mL，6%浓度的硫酸铜 5 滴，3.5%浓度的葡萄糖 3 滴。关键词：葡萄糖的检验；正交试验设计；最佳条件中图分类号：R943 文献标志码：A 文章编号：1008-3103（2023）01-0001-04Investigation of Optimal Conditions for the Reaction of Newly Prepared Copper Hydroxide with Glucose based on Orthogonal Test MethodPanZhen-bei1,ZhangChao1,LiYu-tian2,ZhangXiao-lan1,YuHuan-huan1,LiYan-hong1,YeQing1（1.ShangraoNormalCollege,ShangraoJiangxi334001,China;2.WuxiGuanghuaSchool,WuxiJiangsu214000,China）Abstract：Thereactionoffreshlypreparedcopperhydroxidewithglucoseisasimpleandobviousexperimenttotestglucose,buttheexperimentalphenomenonmaybeunsatisfactoryinpractice.Inordertoobtainthebestexperimentaleffectthatthediscolorationofthesolutionduringthereactionisblue-lightblue-brickredandtheprecipitationsituationpresentsbrickred,thereactionoffreshlypreparedcopperhydroxidewithglucosewasdesignedbyanorthogonalexperimentwiththreefactors,sodiumhydroxideconcentration,glucoseconcentrationandcoppersulfateconcentrationasvariables,andathree-factorfive-levelThemaininfluencingfactorsandthebestexperimentalconditionsofthereactionbetweenthenewlypreparedcopperhydroxideandglucosewereinvestigatedbyusingthediscolorationofthesolutionduringthereactionandtheprecipitationafterthereactionasthejudgingcriteria.Themaininfluencingfactorsofthereactionbetweenfreshlypreparedcopperhydroxideandglucosewerefinallyobtainedasfollows:glucoseconcentrationsodiumhydroxideconcentrationcoppersulfateconcentration;theexperimentalconditionstoobtainthebestexperimentalresultswere:25%concentrationofsodiumhydroxide2mL,6%concentrationofcoppersulfate5drops,3.5%concentrationofglucose3drops.Keywords：Glucosetest;Orthogonalexperimentaldesign;Optimalconditions基金项目：上饶师范学院校级课题，项目名称“基于实验教学能力开发的中学教师实践能力培养研究”（课题编号 JCJY202104）；江西省基础教育研究课题，项目名称“新课程背景下高中化学学科质量标准评价研究”（课题编号：SZUSYHXZD2021-962）。作者简介：潘振蓓（1993），女，硕士，主要研究方向为化学教学。DOI:10.14127/ki.jiangxihuagong.2023.01.023652023 年 2 月基于正交试验法探究新制氢氧化铜与葡萄糖反应的最佳条件0 引言新制氢氧化铜与葡萄糖的反应是人教版高中必修化学 2“基础营养物质”一节中检验葡萄糖还原性的一个化学反应，该实验操作难度不大，但在具体实验时会出现异样的现象。原现象应为随着反应的进行，溶液由蓝色变为含砖红色沉淀的溶液。但是在实验过程中往往会产生不同的实验现象，溶液颜色会产生复杂的颜色变化1，沉淀产物中会出现黑色物质2，这是因为在实验过程中发生了副反应3，这些异常现象4会给学生造成错误的认识。封享华 5探究得出新制氢氧化铜与葡萄糖反应有两个副反应，一个是葡萄糖与氢氧化钠反应生成有机物 5-羟甲基糠醛，另一个是 Cu2O 在碱性条件下被葡萄糖还原为单质 Cu。反应过程中的颜色变化是各主副反应产生的多种有色物质在浓度变化过程中所表现出来的综合结果。为尽可能地避免副产物对实验现象的干扰，需要通过实验条件的设计对葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验进行研究改进。因此通过正交试验设计法来探究该实验的最佳实验条件从而得到最佳实验效果是很有意义的。1 正交试验设计正交试验设计法又叫正交试验法或正交设计法，简称正交法。它是使用正交表（一种特制的表格）来安排试验，并利用正交表的特点对试验结果进行计算、分析，从而找到较优试验方案的一种方法6，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。1.1 选取实验因素和水平通过梳理知网中论文对于新制氢氧化铜与葡萄糖反应的实验条件（表 1），以及书籍中对于新制氢氧化铜与葡萄糖反应的实验条件（表），发现氢氧化钠浓度，硫酸铜浓度，葡萄糖浓度为关键因素。葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验的副反应大都在50之后发生7，而通过控温改进实验就是将该实验由简便变复杂了，不利于课堂实验的操作和演示，所以不选择温度作为该实验的因素。通常在教学中进行该实验都是在产生现象后便停止继续实验，为了控制变量，通过预实验，将时间设定为一个定量，即在加热时，先对试管进行预热 5s，再对试管集中加热 30s。表 1 论文中对于新制氢氧化铜与葡萄糖反应的实验条件一览序号文献相关信息新制氢氧化铜葡萄糖反应条件实验现象氢氧化钠溶液硫酸铜溶液浓度用量浓度用量浓度用量1葡萄糖检验的最佳方案实验探究 88%102mL3%55 滴8%102mL混合均匀，加热至沸腾桔红色沉淀，冷却后得到红色（Cu2O）沉淀2浅析葡萄糖与氢氧化铜反应的变化现象910%3mL5%半滴管10%1mL混合均匀后加热浊液变成浅绿色黄绿色黄色，最后成砖红色浊液，试管底部有少量砖红色物质。3葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验两个疑难问题探究 510%2mL5%5 滴28.57%5mL混合均匀，加热至沸腾加入葡萄糖溶液后振荡，氢氧化铜固体迅速消失;加热过程的颜色变化为:蓝黄绿浊液黄浊液橙浊液棕浊液深棕浊液，过滤后滤纸上有黑色沉淀，观察不到砖红色4葡萄糖与新制氢氧化铜反应实验改进1010%2mL5%5 滴3.5%5 滴振荡，直至氢氧化铜固体完全溶解，加热溶液仅是蓝浅蓝砖红色的变化，Cu2O砖红色悬浮颗粒清晰可见表 2 教材中对于新制氢氧化铜与葡萄糖反应的实验条件一览序号教材新制氢氧化铜还原剂反应条件氢氧化钠溶液硫酸铜溶液浓度用量浓度用量1有机化学实验110.1g/mL0.5mL0.05g/mL0.5mL56 滴 5%浓度的葡萄糖溶液 振荡，加热2有机化学实验12 0.1g/mL1mL0.05g/mL1mL10 滴甲醛或乙醛用力摇匀新制氢氧化铜，再放入还原剂摇匀后沸水浴加热662023 年第 1 期（总第 165 期）表和表 2 中梳理了论文中和书籍中新制氢氧化铜与葡萄糖的实验条件，其中实验新制氢氧化铜和葡萄糖中的氢氧化钠溶液浓度在8%20不等，使用体积在0.5mL 到 3mL 不等；硫酸铜浓度在 3%5%不等，使用体积在 0.25mL 到 1mL 不等；葡萄糖浓度在 3.5%30%不等，使用体积在 0.25mL 到 5mL 不等。不同实验条件的实质是改变反应物的物质量，通过改变试剂的体积来探究该实验是不方便的，比如葡萄糖的浓度不同，换算成体积的话，使用的体积可能就是带分数的滴数。因此在实验中应固定溶液体积，改变溶液的浓度。综上分析，选取实验中硫酸铜溶液浓度、氢氧化钠溶液浓度、葡萄糖溶液浓度个影响因素进行探究，设计三因素五水平正交实验。综合已有文献，分别将氢氧化钠浓度、硫酸铜浓度、葡萄糖浓度水平设计如下，其他影响因素控制在同一水平，详见表 3。表 3 新制氢氧化铜与葡萄糖反应的因素水平水平因素ABC氢氧化钠浓度（%）硫酸铜浓度（%）葡萄糖浓度（%）152221033.53154104205305256351.2 正交实验指标本实验选取反应过程变色情况和实验后溶液情况两个维度评价实验结果，二者的评分标准分别如下。指标（1）：反应过程中变色情况，该实验需要看到溶液产生明显的砖红色沉淀，而该实验会出现反应未开始为存在蓝色悬浮颗粒的溶液，加热后呈现黄绿橘黄砖红的现象，继续加热甚至颜色会逐渐加深为深棕色。由于本文使用的实验方法正交试验设计是一种定量研究方法，而我们需要通过对该实验的实验现象及反应过程的颜色变化情况进行评分。将定性指标转化为定量指标，以便对实验的结果进行分析，找出最佳实验条件。当实验反应开始后出现黄绿、橘黄、深棕这几个现象都是因为产生了副反应，上述情况都是不佳的，在对其进行评分时将对该组实验进行扣分。本实验的评分标准见表 4。表 4 氢氧化铜与葡萄糖反应过程变色情况评分表序号分数反应过程变色现象14050 分 溶液颜色变化为蓝色浅蓝色砖红色23039 分 溶液颜色变化为蓝色橘黄色砖红色32029 分 溶液颜色变化为蓝色黄绿色砖红色4019 分溶液颜色变化为蓝色黄绿色橘黄色砖红色或存在其他异常反应现象指标（2）：反应后的溶液情况，不同条件下最后得到的实验结果也会存在不同，比如有的颜色呈砖红色，静置后能看到明显的砖红色沉淀；而有的反应后的溶液呈黄棕色，静置后看不到沉淀的颜色，无法判断其好坏。这些对实验现象的观察，显然对课堂中的实验演示存在影响，因此可将反应后的沉淀情况作为一个判断指标，当沉淀出现黄棕色，观察不到明显的砖红色的组别将进行扣分。具体标准见表 5。表 5 氢氧化钠与葡萄糖反应后的沉淀情况序号分数实验后的沉淀情况13650 分反应后的沉淀呈砖红色22135 分反应后的沉淀呈砖红色，带一些黑色3020 分反应后的沉淀呈黄棕色1.3 正交试验表根据以上正交试验选取的因素和水平，进行正交序号教材新制氢氧化铜还原剂反应条件氢氧化钠溶液硫酸铜溶液浓度用量浓度用量5有机化学实验110.1g/mL10 滴0.05g/mL10 滴10 滴 5%浓度的葡萄糖溶液于水浴中微热6有机化学实验1