正交實驗法對“黑面包實驗”最佳條件的研究

龔美華

（1蘇州大學材料與化學化工學部　江蘇　蘇州　215123 2江蘇省江陰長涇中學　江蘇　江陰　214411）

正交實驗法對“黑面包實驗”最佳條件的研究

龔美華1，2

（1蘇州大學材料與化學化工學部江蘇蘇州215123 2江蘇省江陰長涇中學江蘇江陰214411）

運用正交實驗法，找出濃硫酸和蔗糖脫水碳化的最佳實驗條件。

正交實驗；濃硫酸和蔗糖；脫水碳化；最佳條件

化學必修1專題四第一單元“含硫化合物的性質和應用”中硫酸的制備和性質實驗2濃硫酸和蔗糖的反應（俗稱黑面包實驗）（人教版化學必修一第四章第四節“硫酸、硝酸和氨”中濃硫酸和蔗糖的反應）是高一化學中的一個重要實驗（如圖1）。該實驗反應現象為蔗糖變黑、放熱、形成疏松多孔的黑色面包狀物質。用此反應來驗證濃硫酸的脫水性。實驗中水量未標明，且實際教學時室溫在10度左右反應溫度太低，因此極易失敗；同時實驗在敞口容器中進行對環境及學生均有一定的影響。在蘇教版2012年6月第7次印刷的教材中把實驗進行了改進（如圖2），2克蔗糖與5毫升濃硫酸混合后迅速攪拌。這樣改進的優點是可以驗證濃硫酸的脫水性、強氧化性；可以兼顧二氧化硫的尾氣吸收較環保；缺點是攪拌操作不僅實施不便還存在一定的安全隱患，不攪拌在10℃溫度下反應緩慢且極易失敗。

在知網上查閱1990年至2015的期刊，有關濃硫酸與蔗糖（俗稱黑面包實驗）反應相關的文獻共3篇。均是對實驗產生的二氧化硫的性質的檢驗和尾氣處理等進行的實驗改進。本文探究影響實驗成功的因素，影響黑面包實驗成功的因素有多方面，如:反應物的用量、實驗加水量、反應溫度、糖的顆粒大小等。從影響該實驗的幾個主要因素出發，通過正交實驗法研究該實驗的最佳實驗條件，從而確保實驗的成功，實驗現象的明顯。

圖1　傳統實驗方式

圖2　改進后實驗裝置

一、實驗指標的確定

本文從實驗成功的特征現象出發，選取黑面包高度，膨脹時間。

二、實驗方案設計

1.因素的確定

在實驗中，對實驗指標發生影響的原因稱為因素。本文在控制蔗糖的顆粒大小的基礎上通過對影響程度的對比、篩選，采用3個因素加以分析比較以便好中選優。這3個因素分別是:反應物用量、水的用量、反應溫度。

圖3　實驗裝置圖

2.水平的確定

在實驗中，由于因素所處的狀態和條件的不同，可能引起指標的變化，因素的這些狀態的條件稱為水平。根據教材及可操作性在本實驗的正交設計中，對反應物用量、水的用量、反應溫度（考慮反應溫度過低實驗不易成功故在原實驗裝置上加上水浴加熱如圖3，通過對比試驗溫度過高反應太快太劇烈存在危險）。分別選擇三種水平，見表1。

表1　因素水平表

本實驗為三因素三水平的實驗，可以選用L9（34）正交表，并對相應的數字用實驗值進行代換，形成完整的實驗方案。該實驗設計的正交表，見表2。

表2　 L9（34）實驗安排表

注:本實驗中使用蔗糖均為普通白砂糖質量2克，膠頭滴管每一滴為0.05毫升。

三、實驗操作，實驗現象及實驗記錄

根據表2按順序逐一完成實驗。每個實驗做3次，取其平均值，并記錄好各個實驗的結果。每次實驗中黑面包的高度以蔗糖的高度為起點，反應時間以加入濃硫酸后開始計時開始劇烈膨脹結束。實驗現象見表3，實驗記錄見表4。

表3　實驗現象

四、實驗數據的分析及驗證

1.實驗數據分析

根據表4中R值的大小可知本實驗因素顯著性順序為:C、A、B（R值越大因素的影響越顯著），即反應溫度對實驗影響最為顯著，反應物濃硫酸與蔗糖的用量次之，加水量再次之。根據實驗的數據分析，本實驗的最佳條件是A3B3C1。即m蔗糖（克）:v濃硫酸（毫升）的質量比為2:6；加水量為10滴；反應溫度為20℃，實驗效果最好。

2.驗證實驗選出最佳條件

由于該最佳條件不是在9次實驗中產生的，而是通過正交實驗分析得出的結論，因此還要追加一組驗證性實驗（見表5）。

表4　實驗記錄

表5　驗證性實驗

經實驗:實驗現象為迅速變黃變黑，黑面包均勻無斷層，底部有液體剩余，故A3B3C1為本文探究所得實驗的最佳條件。條件允許可以更深入的研究。

五、幾點說明

1.實驗裝置:18×18mm試管，單孔塞及導管，電子天平（精確到0.001g），稱量紙，藥匙，10mL量筒（精確到0.1mL），品紅溶液，氫氧化鈉溶液，鐵架臺，標簽，15厘米直尺，秒表。

2.實驗試劑:南通威爾特化工廠試劑有限公司500mL（920g）分析純（A.R）硫酸；天津市科密歐化學試劑有限公司500g分析純（A.R）蔗糖，1.00mol/L氫氧化鈉溶液，品紅溶液，均直接應用，沒有再做處理。

［1］沈理明.化學實驗教學與研究［M］.貴陽：貴州教育出版社，2004，7

［2］王海琴，謝云英.濃硫酸脫水實驗的改進［J］.中國校外教育雜志教學方法，2008，（1）

［3］斯琴畢力格，雙和爾，哈申高娃.濃硫酸與蔗糖的反應及產物的檢驗［J］.內蒙古民族大學學報，2009，（7）：4-15

［4］冀向飛.淺談濃硫酸與蔗糖反應試驗中忽視的問題及實驗改進［J］.中國校外教育上旬刊課堂教學，2012，（10）：53

1008-0546（2015）10-0083-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.029