正交試驗法探究葡萄糖還原氫氧化銅實驗的最佳條件

郭夢琴　姜建文　黎泓波

摘要：針對葡萄糖還原氫氧化銅實驗存在的問題，利用正交試驗法探究該實驗的最佳條件。嚴格遵循設計過程，進行實驗并收集數據，利用SPSS 26.0軟件分析數據，獲得最佳實驗組合。

關鍵詞：正交試驗：葡萄糖檢驗：最佳條件

文章編號：1008-0546（ 2022 ）09x-0086-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

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

一、問題的提出

葡萄糖還原氫氧化銅的實驗是檢驗葡萄糖的驗證性實驗。驗證性實驗要求實驗現象明顯，如果實驗現象錯誤或不盡如人意就會產生誤導。2019年高中化學人教版、魯科版、蘇教版的必修二和選擇性必修有機教材（以下簡稱人教版、魯科版、蘇教版）都有檢驗葡萄糖的實驗，但各版本教材中的反應條件并不統一（如物質的質量分數、溫度）。國內研究者對該實驗的最佳條件做過系列研究，但在整理相關文獻時發現，部分文獻的最佳實驗條件并不精確，可操作性有欠缺。如于洪超[1]、保志華[2]提出的物質的濃度取值范圍，也無文獻報道從正交試驗以及數據分析的視角探究該實驗的最佳條件。本文在文獻研究的基礎上，利用正交法收集數據，并用SPSS 26.0軟件進行數據分析，以獲得葡萄糖還原氫氧化銅實驗的最佳條件。

二、反應原理

1.反應實質

多位研究者對葡萄糖還原Cu（OH）2的反應原理進行了深層次研究，認為其反應實質是在較強堿性環境下，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]張金才學者認為其反應機理和乙醛與新制氫氧化銅反應機理相似，H-進攻多羥基銅絡離子，最終發生自身氧化還原反應，生成Cu2O沉淀。[5]根據實驗原理，本實驗應在較強的堿性環境中進行。

2.顏色變化

葡萄糖溶液為無色，堿性Cu（OH）2溶液呈藍色，反應生成的Cu2O是磚紅色沉淀，持續加熱含葡萄糖的堿性Cu（OH）2溶液可能出現藍、黃綠、黃、磚紅、深棕和暗紅等顏色變化。對于這一系列的復雜顏色變化，有以下三種觀點：觀點1：綠色是多羥基銅溶液在加熱時反應生成的一種黃色物質與原溶液的藍色復合而成。[5]觀點2：是葡萄糖在堿性環境下，經系列反應生成5-羥甲基糠醛及其聚合的樹脂狀的有色物質，影響溶液顏色的變化。[6]觀點3：封享華等學者通過X射線衍射物相分析證實，在溫度較高時產生的黑色物質是單質Cu，并不存在CuO[6]。

三、正交試驗設計

通過實驗評價指標對各試驗打分從而選擇最優條件，重點在于指標要能準確判斷實驗結果并盡可能量化減少誤差。選取實驗因素和實驗水平是整個試驗的重要一環，本試驗在綜合其他研究結論的基礎上選取實驗因素和實驗水平，減少試驗的盲目性。記錄試驗藥品和實驗步驟、實驗結果，設計正交表。

1.實驗指標的確定

綜合文獻所述的實驗原理，所得沉淀相對生成量和顏色是主要評價指標，同時由于副反應會生成黑色沉淀及其他有色物質，實驗現象的直觀程度（如能否清晰觀察到Cu2O磚紅色沉淀和溶液顏色現象）也是值得考量的因素。本研究綜合沉淀相對生成量、沉淀顏色、實驗現象的直觀程度三指標進行賦分，總值100分。沉淀相對生成量賦值60分，沉淀顏色賦值20分，為清晰觀察實驗現象和避免有色物質的影響，將現象的直觀程度賦值20分。

（1）沉淀相對生成量

沉淀相對生成量的判定具有一定主觀性，參考王錦化[7]等學者的做法，先主觀打分，然后再將主觀打分轉化為量化評定標準，制作沉淀生成量評分卡，根據正交預實驗獲得的沉淀，劃分為四段分值區間，具體賦值情況見圖1。評定指標時，可將干燥后的沉淀與評分卡比照，得出各試驗所獲分值。

（2）沉淀顏色

對實驗產生沉淀進行觀察，除溫度較高（或加熱時間過長）會產生黑色沉淀外，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賦值為10分，沉淀為全黑或者無沉淀為0分。

（3）現象的直觀程度

是否清晰看見磚紅色沉淀和溶液顏色等判定具有一定主觀性，因此也采取制作評分卡方式，先根據正交預實驗出現的不同程度的反應現象，劃分為四段分值區間，見圖2所示。實驗后，立即將獲得的溶液顏色與評分卡比照，得出該溶液顏色所獲分值。

2.實驗因素與實驗水平的選取

（1）實驗因素的選取

根據文獻研究和試驗前預實驗，葡萄糖還原氫氧化銅反應較為復雜，受多種因素影響。教材與學者們主要說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、反應溫度和加熱方式。本試驗探究前四個主要因素對實驗的影響。

（2）實驗水平的選取

第一，NaOH溶液的濃度和體積。人教版、魯科版、蘇教版都提出，實驗采用2 mL 10%NaOH溶液，王霞和封享華也持有該觀點，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]最終本試驗將NaOH溶液的質量分數分別設為6%、8%、10%、12%四個水平，溶液體積統一為2 mL。

第二，CuSO。溶液的濃度和體積。教材和學者們對濃度和體積有很多不同的觀點，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。本試驗選取Cu（OH）2溶液質量分數分別為2%、4%、5%、7%四個水平，溶液體積統一為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量分數為2 mL 10%，[2]于洪超在實驗探究中獲得的最佳葡萄糖溶液的體積和質量分數為2 mL 8%-10%，[1]王霞經實驗證明最佳葡萄糖溶液的體積和質量分數為2滴5%;[8]本試驗選取葡萄糖溶液的質量分數分別為4%、8%、10%、12%四個水平，溶液體積統一為2 mL。

第四，反應溫度和加熱方式。人教版和魯科版只說明加熱，蘇教版提出用酒精燈加熱至沸騰。另有學者提倡水浴加熱，[2，9，10]封享華的實驗表明Cu2O的生成在50℃時就已基本完成，并且溫度越高，有色副產物就越多。[9]最終本試驗將反應溫度分別設為30℃、40 ℃、50℃、60 ℃四個水平，加熱方式統一為水浴加熱。

本實驗的因素水平見表1：

3.實驗實施

（1）實驗藥品與儀器

藥品：硫酸銅粉末、氫氧化鈉固體、無水葡萄糖、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。

（2）實驗步驟

首先是準備（配制所需溶液，試管貼標簽），其次是實驗環節，按照正交表依次實驗。

實驗步驟為：①設置恒溫水槽溫度，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開始實驗，⑤當溶液顏色趨于穩定時記下反應時間，立即取出試管用“顏色識別器”軟件識別顏色并拍照，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。

進行賦分，賦分包括三部分：①實驗現象的直觀程度分值，通過識別產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進行比較后打分，獲得沉淀相對生成量分值;③沉淀顏色分值是通過識別顏色和觀察晾干后有無黑色物質確定。以上實驗除所用溶液質量分數和反應溫度不同，其余實驗步驟和使用的儀器等均保持一致，同時重復三次實驗取平均值。

4.正交試驗表的設計

本實驗設計是由4個實驗因素（代號：A、B、C、D）的4個實驗水平（編號：1、2、3、4）組成（見表1），故按照L16 （44）正交表開展實驗。為提高分析的可靠性，減小實驗誤差，每組實驗重復3次，取3次測量平均值為指標數據。利用SPSS 26.0軟件設計正交試驗表：數據一正交設計一生成。在“生成正交設計”窗口，完成“因子名稱”（因素）與“因子標簽”（水平）的設置。獲得正交試驗表如表2所示。每項實驗固定各因素用量：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軟件對實驗結果的統計學分析

對結果進行的統計學分析方式有多種，常見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驗條件，但方差法能深入分析某因素在顯著性水平上是否顯著，也就是該因素對試驗的影響程度，越顯著說明影響程度越大。[11]本試驗借助SPSS 26.0軟件進行實驗結果的統計學分析。

利用SPSS 26.0軟件獲得單因素統計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（在主界面點擊分析一-般線性模型一單變量，出現主對話框，因變量為各實驗總得分，固定因子為四因素）;第2步建立分析模型（在主對話框中點擊模型，彈出“模型”對話框，其中“構建項”的類型勾選主效應，并將4因子分別單獨轉移至“模型”框中，平方和選擇Ⅲ類，點擊繼續）;第3步勾選平均值（在主對話框中點擊平均值，再將4因子移至“顯示下列各項的平均值”框中，并勾選下方的“比較主效應”，點擊繼續）。其他照系統默認，最后點擊確定，可獲得單因素統計與方差分析的結果。

1.單因素統計分析結果

單因素統計分析用于對實驗結果進行直觀分析，以確定各水平的優劣，從而對比出最優實驗組合。各因素的單因素統計量表見表3。

表3給出了每個因素4個水平的均值、標準差和95%的置信區間。均值越大說明該因素水平的實驗效果越好。由表3中的均值分析可知，因素A應選水平2（8%），因素B應選水平4（7%），因素C應選水平2（8%），因素D應選水平3（50℃）。即通過以上統計學分析獲得的最佳實驗組合為A2B4C2D3。

2.方差分析

通過直觀分析獲得最佳實驗組合，借助方差分析比較實驗的各因素影響實驗結果的程度，判斷其是否具有統計學意義。

表4對實驗中的4個因素進行了方差分析，闡明了六個相關要素，包括方差來源、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，都不具備統計學意義。說明因素B對實驗指標有極顯著影響，因素A、因素C和因素D對實驗結果的影響不顯著，且影響次序依次為：B>A>C>D。

五、結果與討論

下面就本研究的實驗驗證、實驗注意事項和本實驗的優點進行討論與說明。

1.實驗驗證

最佳實驗組合分為表內水平組合和表外水平組合。表內水平組合是正交表內列出的試驗，且其指標數據是各試驗中的最大值;表外水平組合由統計學分析中各因素最佳水平組合獲得。[12]本實驗的試驗8為表內水平組合A1B4C4D3（組合1），表外水平組合為A2B4C2D3（組合2），人教版實驗組合為A383C3（組合3）。

以上共獲得三組最佳實驗組合，下面通過驗證性實驗進一步對比，選擇更優組合（三組反應都采用50 ℃水浴加熱進行），每次對比實驗重復三次。生成沉淀的量對比見圖3，直觀現象的對比見圖4，三組沉淀顏色均未出現黑色。經驗證性實驗，組合2在三大指標中表現最佳，該實驗的最佳實驗條件為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.實驗注意事項

首先在正交試驗設計方面，實驗時必須嚴格按照正交試驗的設計過程，尤其注意明確試驗指標，指標應具可操作性、科學性，能準確判定最佳實驗組合，同時盡可能地量化減少相關誤差，在確定試驗指標后察覺不適用也應及時調整。如，本試驗最初擬定取靜置時間相同、離試管液面同一高度的溶液，用濁度傳感器測量的濁度作為評價沉淀生成量的數值，但發現多項沉淀較多的實驗中濁度并不可觀，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驗中，加熱時間不宜過長，否則會使溶液顏色加深且沉淀變黑。實驗總結時發現實驗完成時間受溫度的影響最大，30℃、40℃、50 ℃、60 ℃時，所需時間分別約10分鐘、6分鐘、2分半鐘、1分半鐘。此外為控制加熱時間，避免加熱時間過長產生副反應，本試驗最初擬采用的方案為：用pH傳感器檢測溶液pH的變化，精確判斷反應是否完成。但實驗數次后發現溶液的pH并未發生明顯變化，此方法不可行。

3.試驗的優點

保證研究結果的科學性，是科學工作者開展科學研究的應有之義。首先過程具有科學性，本試驗基于麥裕華學者對正交試驗設計過程的研究，嚴格遵循相關步驟要求進行試驗;其次結論具有說服力，結合SPSS 26.0軟件，從量化的角度明確了該實驗四項影響因素的最優組合，及其對實驗結果影響的大小。最后實驗綠色化，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，節約了藥品，實驗現象也更明顯。

參考文獻

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