利用正交試驗探究原電池課堂演示實驗的最佳方案

胡欣陽 姜言霞 蘇少娣

摘要：運用手持技術并利用正交試驗法探究去極化劑、電解質溶液濃度、電極材料.電極正對面積和電極間距對原電池電流強度的影響。對實驗結果進行極差分析，并通過SPSS 20.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析處理，從而得到各影響因素的主次差異及顯著性等結論，并在此基礎，上進一步優(yōu)化得到適合中學化學教學中應用的原電池最佳演示方案。

關鍵詞：原電池;電流強度;正交試驗設計;影響因素

文章編號：1008-0546（2019）04-0089-04

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.04.024

一、問題的提出

“原電池”是高中化學非常重要的教學內容，既是對氧化還原反應相關理論知識的應用和深化，又讓學生理解通過一種裝置能實現(xiàn)化學能到電能的轉化，并進一步幫助學生理解科學與生活的密切聯(lián)系。傳統(tǒng)的銅鋅單液原電池是學生學習原電池的入門內容，教師在教學中，需要通過這類原電池讓學生切實“看到”電流的產(chǎn)生，從而為其深入理解原電池奠定基礎。然而事實上，教師在教學中演示銅鋅單液原電池裝置時，電流非常微弱，普通電流計中指針偏轉角度過小，并且電流計指針很快就回歸0位，導致學生的直觀認識并不深刻，甚至使其對原電池產(chǎn)生一些錯誤認識，這對學生理解原電池的工作原理造成了一定的困難。

相關研究者已經(jīng)開始關注對原電池實驗裝置進行創(chuàng)新和改良，并結合簡單的控制變量法和對照法探究了原電池電流強度或工作效率的部分影響因素。研究者發(fā)現(xiàn)，有很多因素影響著單液原電池的實驗現(xiàn)象，例如，王春通過手持技術探究發(fā)現(xiàn)電流強度與電極材料的間距、電極材料的正對面積以及電解質溶液的濃度有關[1];胡華國探究了濃度和電極材料對原電池效率的影響（2];蔡惠君發(fā)現(xiàn)去極化劑如過氧化氫對原電池電流強度有較大的影響[3]。也有部分研究者提出金屬鋅和銅的純度、兩極的粗糙程度、實驗溫度和接觸的良好程度對實驗也有影響[4]。然而研究者很少關注到多種因素與因素之間影響程度大小的關系;也鮮有研究能夠將原電池電流強度的影響因素盡可能全面地進行系統(tǒng)探究并能提供足夠大的電流以供實際教學演示使用。

由于本研究涉及到的影響因素較多，用傳統(tǒng)簡單的單一控制變量法過于繁瑣。并且多因素的探究試驗，隨著試驗因素和水平的增加，處理組合數(shù)也急劇增加，要全面實施試驗變得非常困難，因此本研究應用正交設計法對影響原電池電流強度的影響因素進行系統(tǒng)分析研究，綜合考慮各主要影響因素的各種水平，探索最優(yōu)水平組合，以達到原電池實驗的最佳演示效果，為一線教師的實際教學提供參考和借鑒。二、正交試驗的設計

1.實驗器材及藥品

實驗器材：Vernier LABQUEST2數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、導線、800mL燒杯、100mL燒杯、500mL容量瓶、10mL量筒、50mL量筒、玻璃棒、砂紙、直尺、濾紙。

實驗藥品：鋅片（純度為99.90%，長8cm，寬2cm）、銅片（長8cm，寬2cm）、石墨片（長8cm，寬2cm，厚0.2cm，并對其厚度面進行涂指甲油覆蓋處理，在分析過程中使其與鋅片、銅片等金屬片一致，不考慮厚度）.鋁片（長8cm，寬2cm）.0.1mol/L的硫酸溶液、0.5mol/L的硫酸溶液和1mol/L的硫酸溶液、30%過氧化氫溶液和去離子水。

2.試驗指標的確定

本試驗確定評價不同因素對原電池電流強度的影響因素大小以Vernier電流傳感器所描繪出的電流隨時間變化曲線的電流平均值大小為標準，平均電流值越大說明該影響因素對原電池電流強度的影響越大。

3.確定試驗因素及水平

通過文獻分析我們了解到，影響原電池電流強度的因素很多，我們將文獻中提出的因素和理論分析認為可能會有影響的因素進行預試驗研究。固定其他因素變量及水平，只改變其中一個因素變量的水平，觀察原電池電流強度的變化情況?？紤]到常規(guī)電流表最小分度值為0.02A，故我們選擇電流強度變化超過0.02A的因素，進入正交試驗設計中。例如，通過預試驗發(fā)現(xiàn)，在1mol/L硫酸，電極間距為2cm的前提下，兩電極的正對面積分別為1cm2、2cm2和5cm2時，銅-鋅單液原電池產(chǎn)生的平均電流值分別為0.0360A、0.0617A和0.0795A。故我們將電極正對面積作為正交試驗的探究因素之一。

結合文獻資料和預試驗的結果，最終選取了對原電池電流強度影響較大的五個因素及其三個水平：去極化劑H2O2的用量（0mL、4mL、8mL）（為了保證添加去極化劑不對硫酸的濃度造成影響，在添加0mL去極化劑這一水平中，同時添加8mL去離子水;在添加4mL去極化劑這一水平中，同時添加4mL去離子水）、電解質溶液（硫酸）的濃度（0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L）、電極材料（Zn-C、Zn-Cu、Zn-Al）、電極正對面積（2cm2、4cm2、8cm2）和電極間距（一層濾紙、1cm、5cm）。最終確定的進入正交試驗的因素和水平如表1所示。

4.正交表的設計

根據(jù)選定的因素和水平，我們利用SPSS 20.0軟件繪制了五因素三水平的正交表并添加了一列空白列。將試驗結果數(shù)據(jù)錄入到SPSS數(shù)據(jù)庫中，如表2所示。

三、正交試驗結果分析

我們對本正交試驗結果進行極差分析和方差分析。如表3所示，為對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析的結果。通過極差分析可以知道五個因素對原電池電流強度影響的主次順序，即因素C（電極材料）對原電池電流強度影響最大，其次是因素D（電極正對面積），因素A（去極化劑），因素B（電解質濃度），因素E（電極間距）。各因素的最優(yōu)水平組合分別為：在80mL硫酸中添加8mL H2O2去極化劑;硫酸濃度為1mol/L;電極材料選擇Zn-C;電極正對面積為8cm2;兩電極間距為5cm。