正交試驗(yàn)法探究葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件

郭夢(mèng)琴　姜建文　黎泓波

摘要：針對(duì)葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)存在的問(wèn)題，利用正交試驗(yàn)法探究該實(shí)驗(yàn)的最佳條件。嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)過(guò)程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并收集數(shù)據(jù)，利用SPSS 26.0軟件分析數(shù)據(jù)，獲得最佳實(shí)驗(yàn)組合。

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)：葡萄糖檢驗(yàn)：最佳條件

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022 ）09x-0086-05 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

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

一、問(wèn)題的提出

葡萄糖還原氫氧化銅的實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)葡萄糖的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象錯(cuò)誤或不盡如人意就會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。2019年高中化學(xué)人教版、魯科版、蘇教版的必修二和選擇性必修有機(jī)教材（以下簡(jiǎn)稱人教版、魯科版、蘇教版）都有檢驗(yàn)葡萄糖的實(shí)驗(yàn)，但各版本教材中的反應(yīng)條件并不統(tǒng)一（如物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溫度）。國(guó)內(nèi)研究者對(duì)該實(shí)驗(yàn)的最佳條件做過(guò)系列研究，但在整理相關(guān)文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，部分文獻(xiàn)的最佳實(shí)驗(yàn)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(zhì)的濃度取值范圍，也無(wú)文獻(xiàn)報(bào)道從正交試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)分析的視角探究該實(shí)驗(yàn)的最佳條件。本文在文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，利用正交法收集數(shù)據(jù)，并用SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以獲得葡萄糖還原氫氧化銅實(shí)驗(yàn)的最佳條件。

二、反應(yīng)原理

1.反應(yīng)實(shí)質(zhì)

多位研究者對(duì)葡萄糖還原Cu（OH）2的反應(yīng)原理進(jìn)行了深層次研究，認(rèn)為其反應(yīng)實(shí)質(zhì)是在較強(qiáng)堿性環(huán)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(xué)者認(rèn)為其反應(yīng)機(jī)理和乙醛與新制氫氧化銅反應(yīng)機(jī)理相似，H-進(jìn)攻多羥基銅絡(luò)離子，最終發(fā)生自身氧化還原反應(yīng)，生成Cu2O沉淀。[5]根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)在較強(qiáng)的堿性環(huán)境中進(jìn)行。

2.顏色變化

葡萄糖溶液為無(wú)色，堿性Cu（OH）2溶液呈藍(lán)色，反應(yīng)生成的Cu2O是磚紅色沉淀，持續(xù)加熱含葡萄糖的堿性Cu（OH）2溶液可能出現(xiàn)藍(lán)、黃綠、黃、磚紅、深棕和暗紅等顏色變化。對(duì)于這一系列的復(fù)雜顏色變化，有以下三種觀點(diǎn)：觀點(diǎn)1：綠色是多羥基銅溶液在加熱時(shí)反應(yīng)生成的一種黃色物質(zhì)與原溶液的藍(lán)色復(fù)合而成。[5]觀點(diǎn)2：是葡萄糖在堿性環(huán)境下，經(jīng)系列反應(yīng)生成5-羥甲基糠醛及其聚合的樹(shù)脂狀的有色物質(zhì)，影響溶液顏色的變化。[6]觀點(diǎn)3：封享華等學(xué)者通過(guò)X射線衍射物相分析證實(shí)，在溫度較高時(shí)產(chǎn)生的黑色物質(zhì)是單質(zhì)Cu，并不存在CuO[6]。

三、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各試驗(yàn)打分從而選擇最優(yōu)條件，重點(diǎn)在于指標(biāo)要能準(zhǔn)確判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果并盡可能量化減少誤差。選取實(shí)驗(yàn)因素和實(shí)驗(yàn)水平是整個(gè)試驗(yàn)的重要一環(huán)，本試驗(yàn)在綜合其他研究結(jié)論的基礎(chǔ)上選取實(shí)驗(yàn)因素和實(shí)驗(yàn)水平，減少試驗(yàn)的盲目性。記錄試驗(yàn)藥品和實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交表。

1.實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確定

綜合文獻(xiàn)所述的實(shí)驗(yàn)原理，所得沉淀相對(duì)生成量和顏色是主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)由于副反應(yīng)會(huì)生成黑色沉淀及其他有色物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)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(xiàn)象）也是值得考量的因素。本研究綜合沉淀相對(duì)生成量、沉淀顏色、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀程度三指標(biāo)進(jìn)行賦分，總值100分。沉淀相對(duì)生成量賦值60分，沉淀顏色賦值20分，為清晰觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和避免有色物質(zhì)的影響，將現(xiàn)象的直觀程度賦值20分。

（1）沉淀相對(duì)生成量

沉淀相對(duì)生成量的判定具有一定主觀性，參考王錦化[7]等學(xué)者的做法，先主觀打分，然后再將主觀打分轉(zhuǎn)化為量化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，制作沉淀生成量評(píng)分卡，根據(jù)正交預(yù)實(shí)驗(yàn)獲得的沉淀，劃分為四段分值區(qū)間，具體賦值情況見(jiàn)圖1。評(píng)定指標(biāo)時(shí)，可將干燥后的沉淀與評(píng)分卡比照，得出各試驗(yàn)所獲分值。

（2）沉淀顏色

對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生沉淀進(jìn)行觀察，除溫度較高（或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)）會(huì)產(chǎn)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(zhì)賦值為10分，沉淀為全黑或者無(wú)沉淀為0分。

（3）現(xiàn)象的直觀程度

是否清晰看見(jiàn)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(píng)分卡方式，先根據(jù)正交預(yù)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的不同程度的反應(yīng)現(xiàn)象，劃分為四段分值區(qū)間，見(jiàn)圖2所示。實(shí)驗(yàn)后，立即將獲得的溶液顏色與評(píng)分卡比照，得出該溶液顏色所獲分值。

2.實(shí)驗(yàn)因素與實(shí)驗(yàn)水平的選取

（1）實(shí)驗(yàn)因素的選取

根據(jù)文獻(xiàn)研究和試驗(yàn)前預(yù)實(shí)驗(yàn)，葡萄糖還原氫氧化銅反應(yīng)較為復(fù)雜，受多種因素影響。教材與學(xué)者們主要說(shuō)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(yīng)溫度和加熱方式。本試驗(yàn)探究前四個(gè)主要因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

（2）實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用2 mL 10%NaOH溶液，王霞和封享華也持有該觀點(diǎn)，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(yàn)將NaOH溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別設(shè)為6%、8%、10%、12%四個(gè)水平，溶液體積統(tǒng)一為2 mL。

第二，CuSO。溶液的濃度和體積。教材和學(xué)者們對(duì)濃度和體積有很多不同的觀點(diǎn)，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(yàn)選取Cu（OH）2溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、4%、5%、7%四個(gè)水平，溶液體積統(tǒng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mL 10%，[2]于洪超在實(shí)驗(yàn)探究中獲得的最佳葡萄糖溶液的體積和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mL 8%-10%，[1]王霞經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明最佳葡萄糖溶液的體積和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2滴5%;[8]本試驗(yàn)選取葡萄糖溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4%、8%、10%、12%四個(gè)水平，溶液體積統(tǒng)一為2 mL。

第四，反應(yīng)溫度和加熱方式。人教版和魯科版只說(shuō)明加熱，蘇教版提出用酒精燈加熱至沸騰。另有學(xué)者提倡水浴加熱，[2，9，10]封享華的實(shí)驗(yàn)表明Cu2O的生成在50℃時(shí)就已基本完成，并且溫度越高，有色副產(chǎn)物就越多。[9]最終本試驗(yàn)將反應(yīng)溫度分別設(shè)為30℃、40 ℃、50℃、60 ℃四個(gè)水平，加熱方式統(tǒng)一為水浴加熱。

本實(shí)驗(yàn)的因素水平見(jiàn)表1：

3.實(shí)驗(yàn)實(shí)施

（1）實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

藥品：硫酸銅粉末、氫氧化鈉固體、無(wú)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(jì)。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟

首先是準(zhǔn)備（配制所需溶液，試管貼標(biāo)簽），其次是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，按照正交表依次實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)步驟為：①設(shè)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(lán)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(nèi)開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，⑤當(dāng)溶液顏色趨于穩(wěn)定時(shí)記下反應(yīng)時(shí)間，立即取出試管用“顏色識(shí)別器”軟件識(shí)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(shí)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(jìn)行賦分，賦分包括三部分：①實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀程度分值，通過(guò)識(shí)別產(chǎn)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(jìn)行比較后打分，獲得沉淀相對(duì)生成量分值;③沉淀顏色分值是通過(guò)識(shí)別顏色和觀察晾干后有無(wú)黑色物質(zhì)確定。以上實(shí)驗(yàn)除所用溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)和反應(yīng)溫度不同，其余實(shí)驗(yàn)步驟和使用的儀器等均保持一致，同時(shí)重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)取平均值。

4.正交試驗(yàn)表的設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是由4個(gè)實(shí)驗(yàn)因素（代號(hào)：A、B、C、D）的4個(gè)實(shí)驗(yàn)水平（編號(hào)：1、2、3、4）組成（見(jiàn)表1），故按照L16 （44）正交表開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。為提高分析的可靠性，減小實(shí)驗(yàn)誤差，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，取3次測(cè)量平均值為指標(biāo)數(shù)據(jù)。利用SPSS 26.0軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表：數(shù)據(jù)一正交設(shè)計(jì)一生成。在“生成正交設(shè)計(jì)”窗口，完成“因子名稱”（因素）與“因子標(biāo)簽”（水平）的設(shè)置。獲得正交試驗(yàn)表如表2所示。每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

對(duì)結(jié)果進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方式有多種，常見(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)試驗(yàn)的影響程度，越顯著說(shuō)明影響程度越大。[11]本試驗(yàn)借助SPSS 26.0軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

利用SPSS 26.0軟件獲得單因素統(tǒng)計(jì)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(diǎn)擊分析一-般線性模型一單變量，出現(xiàn)主對(duì)話框，因變量為各實(shí)驗(yàn)總得分，固定因子為四因素）;第2步建立分析模型（在主對(duì)話框中點(diǎn)擊模型，彈出“模型”對(duì)話框，其中“構(gòu)建項(xiàng)”的類型勾選主效應(yīng)，并將4因子分別單獨(dú)轉(zhuǎn)移至“模型”框中，平方和選擇Ⅲ類，點(diǎn)擊繼續(xù)）;第3步勾選平均值（在主對(duì)話框中點(diǎn)擊平均值，再將4因子移至“顯示下列各項(xiàng)的平均值”框中，并勾選下方的“比較主效應(yīng)”，點(diǎn)擊繼續(xù)）。其他照系統(tǒng)默認(rèn)，最后點(diǎn)擊確定，可獲得單因素統(tǒng)計(jì)與方差分析的結(jié)果。

1.單因素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

單因素統(tǒng)計(jì)分析用于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，以確定各水平的優(yōu)劣，從而對(duì)比出最優(yōu)實(shí)驗(yàn)組合。各因素的單因素統(tǒng)計(jì)量表見(jiàn)表3。

表3給出了每個(gè)因素4個(gè)水平的均值、標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間。均值越大說(shuō)明該因素水平的實(shí)驗(yàn)效果越好。由表3中的均值分析可知，因素A應(yīng)選水平2（8%），因素B應(yīng)選水平4（7%），因素C應(yīng)選水平2（8%），因素D應(yīng)選水平3（50℃）。即通過(guò)以上統(tǒng)計(jì)學(xué)分析獲得的最佳實(shí)驗(yàn)組合為A2B4C2D3。

2.方差分析

通過(guò)直觀分析獲得最佳實(shí)驗(yàn)組合，借助方差分析比較實(shí)驗(yàn)的各因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的程度，判斷其是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4對(duì)實(shí)驗(yàn)中的4個(gè)因素進(jìn)行了方差分析，闡明了六個(gè)相關(guān)要素，包括方差來(lái)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義。說(shuō)明因素B對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)有極顯著影響，因素A、因素C和因素D對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著，且影響次序依次為：B>A>C>D。

五、結(jié)果與討論

下面就本研究的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)和本實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行討論與說(shuō)明。

1.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

最佳實(shí)驗(yàn)組合分為表內(nèi)水平組合和表外水平組合。表內(nèi)水平組合是正交表內(nèi)列出的試驗(yàn)，且其指標(biāo)數(shù)據(jù)是各試驗(yàn)中的最大值;表外水平組合由統(tǒng)計(jì)學(xué)分析中各因素最佳水平組合獲得。[12]本實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)8為表內(nèi)水平組合A1B4C4D3（組合1），表外水平組合為A2B4C2D3（組合2），人教版實(shí)驗(yàn)組合為A383C3（組合3）。

以上共獲得三組最佳實(shí)驗(yàn)組合，下面通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)比，選擇更優(yōu)組合（三組反應(yīng)都采用50 ℃水浴加熱進(jìn)行），每次對(duì)比實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。生成沉淀的量對(duì)比見(jiàn)圖3，直觀現(xiàn)象的對(duì)比見(jiàn)圖4，三組沉淀顏色均未出現(xiàn)黑色。經(jīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，組合2在三大指標(biāo)中表現(xiàn)最佳，該實(shí)驗(yàn)的最佳實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

首先在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面，實(shí)驗(yàn)時(shí)必須嚴(yán)格按照正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，尤其注意明確試驗(yàn)指標(biāo)，指標(biāo)應(yīng)具可操作性、科學(xué)性，能準(zhǔn)確判定最佳實(shí)驗(yàn)組合，同時(shí)盡可能地量化減少相關(guān)誤差，在確定試驗(yàn)指標(biāo)后察覺(jué)不適用也應(yīng)及時(shí)調(diào)整。如，本試驗(yàn)最初擬定取靜置時(shí)間相同、離試管液面同一高度的溶液，用濁度傳感器測(cè)量的濁度作為評(píng)價(jià)沉淀生成量的數(shù)值，但發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)沉淀較多的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，加熱時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)使溶液顏色加深且沉淀變黑。實(shí)驗(yàn)總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間受溫度的影響最大，30℃、40℃、50 ℃、60 ℃時(shí)，所需時(shí)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(shí)間，避免加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生副反應(yīng)，本試驗(yàn)最初擬采用的方案為：用pH傳感器檢測(cè)溶液pH的變化，精確判斷反應(yīng)是否完成。但實(shí)驗(yàn)數(shù)次后發(fā)現(xiàn)溶液的pH并未發(fā)生明顯變化，此方法不可行。

3.試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

保證研究結(jié)果的科學(xué)性，是科學(xué)工作者開(kāi)展科學(xué)研究的應(yīng)有之義。首先過(guò)程具有科學(xué)性，本試驗(yàn)基于麥裕華學(xué)者對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的研究，嚴(yán)格遵循相關(guān)步驟要求進(jìn)行試驗(yàn);其次結(jié)論具有說(shuō)服力，結(jié)合SPSS 26.0軟件，從量化的角度明確了該實(shí)驗(yàn)四項(xiàng)影響因素的最優(yōu)組合，及其對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的大小。最后實(shí)驗(yàn)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(jié)約了藥品，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也更明顯。

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