陸方愔

[摘 要] 金屬和酸反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的熱點，已有研究表明，金屬和酸的反應(yīng)劇烈程度不僅與金屬的活動性有關(guān)，還與酸的種類，酸的濃度等因素有關(guān)。本文通過正交試驗法探究金屬和酸反應(yīng)的最佳條件，找出影響金屬和酸反應(yīng)劇烈程度的因素。

[關(guān)鍵詞] 正交試驗 金屬和酸反應(yīng) 反應(yīng)劇烈程度

金屬與酸反應(yīng)是滬教版九年級第五單元的一個重要實驗，該實驗的設(shè)計目的是通過金屬分別與稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)現(xiàn)象的劇烈程度作為依據(jù)來判斷金屬的活動性。

滬教版九年級化學(xué)上學(xué)期教材中有這樣一句話“鎂、鐵與稀鹽酸反應(yīng)的劇烈程度不同，說明兩種金屬的活動性有差異”。已有的科學(xué)事實是：金屬活動性越強的金屬越易置換出酸中的氫離子，反應(yīng)也就越劇烈。而在實際的實驗操作中，當(dāng)不同種金屬和不同種類的酸發(fā)生置換反應(yīng)時，會出現(xiàn)金屬活動性較弱的金屬和酸的反應(yīng)現(xiàn)象更劇烈的情況，說明影響金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度的因素不僅僅只有金屬的活動性。酸的種類，酸的濃度，酸的體積，金屬的表面積，反應(yīng)溫度等都有可能影響金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度。而哪種因素影響較大，哪種因素影響較小，怎樣的因素水平組合可使反應(yīng)最劇烈則是本次探究要研究的內(nèi)容。

正交試驗設(shè)計是研究多因素多水平的一種設(shè)計方法，它是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點。正交試驗設(shè)計是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。影響金屬和酸反應(yīng)劇烈程度的因素有多個，且每個因素下面又會有多個水平，因此適合采用正交試驗設(shè)計方法來探究。

一、實驗儀器與藥品

（一）實驗儀器

試管、量筒、膠頭滴管、燒杯、鑷子

（二）實驗藥品

鹽酸溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、硫酸溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、硝酸

溶液（體積比1：2，1：4，1：8）、鋅、鐵、鐵

二、正交試驗篩選

（一）試驗指標(biāo)

試驗的指標(biāo)為金屬與酸反應(yīng)的劇烈程度，劇烈程度的判斷以氣泡大小和產(chǎn)生

氣泡的速度為依據(jù)，實驗者通過觀察到的現(xiàn)象判斷反應(yīng)的劇烈程度。為了更好更直接地體現(xiàn)實驗結(jié)果，本實驗對反應(yīng)的劇烈程度進行賦值。具體如下：將現(xiàn)象最劇烈的那組賦值100，劇烈程度次之的那組賦值90，再次之的賦值80，依次遞減10，直至劇烈程度最差的賦值為10。

（二）因素水平

本實驗的影響因素有很多，本文篩選出了以下4個因素：

A.酸的種類

B.酸的濃度（體積比）

C.金屬的種類

D.酸的體積（ml）

并將每個因素設(shè)計成三個不同水平，具體如表1所示。

（三）試驗過程

正交試驗的安排如表2所示，探究實驗控制在同一溫度（室溫）下進行，并

且金屬取用表面積幾乎相同的塊狀固體。由于本探究只需觀察金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度，所以采用裝置簡單又能節(jié)約藥品的試管實驗。

（四）試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

（五）試驗結(jié)果分析

1.直觀比較指標(biāo)選出好實驗方案

由表2可知這9個實驗結(jié)果中以3號實驗反應(yīng)現(xiàn)象最劇烈，所以較好方案為3號實驗，其水平組合為A3B1C3D3

2.計算選出較優(yōu)水平組合

表3中計算得各因素各水平實驗結(jié)果總和，即K1、K2、K3，同時求出了其指標(biāo)平均值k1、k2、k3及k的R值。比較k值，選出最好值k。本實驗中最大的K值即為最好值，各平均結(jié)果K的最好值對應(yīng)的水平就是最好水平，把各因素的最好水平組合在一起，就是選出的較優(yōu)水平組合。因此，計算選出的較優(yōu)水平組合為A1B1C3D2

3.綜合分析設(shè)計較好新方案

根據(jù)表3中R值的大小可知，本實驗因素顯著性順序，即主次關(guān)系次序為C B A D，R值越大因素的影響越顯著，優(yōu)水平組合為A1B1C3D1 ，分析表3中的數(shù)據(jù)可知C 的極差最大， B的極差其次， A、D極差最小。因而，因素C B均取優(yōu)水平，A、D因素的R值最小，是相對比較的不顯著因素，對反應(yīng)影響不大，允許隨機取任一水平，根據(jù)使實驗簡捷，易操作的原則，可以取A因素2水平，D因素2水平。經(jīng)過綜合分析，選出的較優(yōu)實驗方案為A2B1C3D2組合。

（六）驗證試驗

選出最優(yōu)方案：用從9次實驗結(jié)果中直接比較選出的較好實驗條件A3B1C3D3，和根據(jù)計算比較選出的優(yōu)水平組合A1B1C3D2，以及綜合分析得出的較優(yōu)新方案A2B1C3D2進行新一批實驗，從中選出指標(biāo)最好的方案。

實驗結(jié)果：三組實驗方案中反應(yīng)最劇烈的是A2B1C3D2，所以最好的方案是A2B1C3D2

三、試驗總結(jié)

通過驗證試驗可知，金屬鎂與3ml體積比為1：2的硫酸溶液反應(yīng)最劇烈。本

實驗探究的幾個因素中，相對較為顯著的因素是金屬種類，其次是酸的濃度，酸的種類和酸溶液的體積相對是不顯著的因素。

參考文獻

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