鐵與硫酸銅反應最佳實驗條件的探討

封超燕

【摘要】采用正交試驗設計法探討初中化學教材中鐵與硫酸銅實驗的最佳條件，實驗結果表明，當硫酸銅溶液的質量分數為1%、鐵的形狀為鐵片、不加煤油密封及加入0.01g的氯化鈉時，實驗現象最為明顯。

【關鍵詞】鐵 硫酸銅溶液 最佳實驗條件 正交試驗設計法

“鐵與硫酸銅的反應”是人教版義務教育上冊第五單元課題1質量守恒定律中的一個實驗。有文獻及其實驗為證，很多一線教師在實驗過程中，溶液顏色和鐵釘表面發生的現象變化與教材圖示不相同，有的溶液沒有變成淺綠色，鐵釘表面出現黑色物質，而不是紅色。這些影響著實驗教學的效果，影響學生獲得知識的過程。有的一線教師在沒做出與教材圖示相符的現象時，甚至讓學生直接機械記憶正確的實驗現象，應對考試。這不利于培養學生的科學素養，不利于學生的全面發展。為此，筆者將對該實驗的最佳實驗條件進行探討，以期得到該實驗的最佳實驗條件。

一、實驗指標的確定

根據教材的描述，實驗的正常現象為溶液顏色變為淺綠色，鐵釘上有紅色物質析出。把溶液的顏色變化，鐵釘表面上析出物質的顏色變化作為定性的實驗指標。鐵表面析出顏色的評分標準：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），溶液顏色變化評分標準：淺綠色（90～100分）、淺藍綠色（80～90分）、藍綠色（70～80分）、淺黃綠色（60～70分）、藍色（60分以下）。另外，由相關資料知，反應時間的不同，溶液的顏色也會不同。本實驗將反應時間作為定量的實驗指標，考慮到課堂教學的時間限制，大多實驗用時不超過5分鐘。反應時間的評分標準：1min以內（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）。把前兩個定性指標作為主要的實驗指標，反應時間這個定量指標次之。

二、實驗因素、水平的確定

影響實驗的因素主要有CuSO4溶液的質量分數、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量分數對該實驗效果的影響，他用3根鐵釘與不同質量分數的硫酸銅反應，結果得出CuSO4溶液的質量分數會影響本實驗的實驗效果，并且CuSO4溶液的質量分數為1.88%～6.02%時，實驗現象效果明顯。姜跟華也探討了硫酸銅質量分數對該實驗效果的影響，他用3根鐵絲與不同質量分數的硫酸銅反應。結果得出當3g無水硫酸銅加入到70毫升水中時，實驗效果最佳。前期實驗確定CuSO4溶液的質量分數為3% 、4%、5%、6%四個水平，但發現實驗現象不明顯，更改硫酸銅溶液質量分數為1%、2%、3%。

眾所周知，反應物之間的接觸面積不同會影響反應速率。所以，本實驗把鐵的形狀作為實驗因素之一，水平為鐵釘、鐵絲、鐵片三個水平。

姜跟華探討了加入少量氯化鈉對實驗效果的影響，認為加入少量的氯化鈉能加快化學反應速率，并且反應效果很好。同時姜跟華提出加入過量的氯化鈉，氯化鈉和硫酸銅會發生反應生成Na2[CuCl4]，其為黃色，會干擾溶液顏色的觀察，從而影響實驗效果，但其沒有探究加入氯化鈉的具體用量。實驗之初采用優選法來確定氯化鈉的最佳用量，0～1克，分為十個水平。根據黃金分割點法實驗，發現實驗溶液總是會生成黃綠色溶液，分析推測加入氯化鈉的量多了，生成Na2[CuCl4]，影響了實驗效果。所以，減少氯化鈉的量，確定氯化鈉的量為：0g、0.01g、0.05g三個水平。張先未在鐵與硫酸銅的實驗改進中，認為鐵的用量最好為3～5根，本實驗選擇4根。本實驗的因素水平表如表1所示。

三、實驗步驟

1、用1mol/L的稀硫酸處理鐵釘、鐵絲、鐵片。

2、用電子天平稱取一定量的無水硫酸銅，并將稱取好的硫酸銅加入到裝有10毫升水的燒杯中，配制成一定質量分數的硫酸銅溶液，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備好的干凈試管中，再放入4根一定形狀的鐵，開始用秒表計時，觀察溶液顏色的變化，鐵表面生成物質的顏色，記錄實驗現象。

4、根據表2安排實驗。

5、實驗結果的分析是采用綜合評分法，將多指標的情況轉化為單指標，再用每次實驗得分來代表實驗結果。考慮到本實驗的實驗指標的地位不一樣，對指標賦予一定的權重。本實驗鐵表面析出物質的顏色都為紅色，都是立即析出，無區別，故分析實驗結果時，對其不考慮。剩下兩個指標中溶液的顏色變化更為重要。所以，在綜合平衡下，決定兩者的權重比為7：3，指標溶液顏色變化的權重為70%，反應時間為30%。

四、實驗方案及實驗結果的直觀分析

本實驗由3個三水平因素和一個兩水平因素構成，如采用最簡單混合型正交表L18（2×37），也需要做18次實驗，實驗次數較多，浪費藥品。本實驗采用擬水平法，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次實驗，使實驗操作更加簡便。本實驗將不加煤油密封作為因素C的擬水平，實驗設計方案及結果如表2所示。

五、結論

從上述分析結果中不難看到：

第一，影響實驗指標的主次因素為：

主 次

[CuSO4的質量分數] [鐵的形狀] [NaCl的質量] [體系密封]

第二，本實驗最佳配比為A1B3C2D2 ，即硫酸銅的質量分數為1%，鐵的形狀為鐵片，不加煤油密封，加0.01g的氯化鈉，現象最明顯。

【參考文獻】

[1]丁吉念.一則質量守恒定律實驗最佳效果研究[J].化學教育，2012，（11）：98-101

[2]姜跟華.對鐵與硫酸銅溶液反應的實驗探究[J].化學教與學，2013（3）：93-94

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