铁与硫酸铜反应最佳实验条件的探讨

【摘要】采用正交试验设计法探讨初中化学教材中铁与硫酸铜实验的最佳条件，实验结果表明，当硫酸铜溶液的质量分数为1%、铁的形状为铁片、不加煤油密封及加入0.01g的氯化钠时，实验现象最为明显。

【关键词】铁 硫酸铜溶液 最佳实验条件 正交试验设计法

“铁与硫酸铜的反应”是人教版义务教育上册第五单元课题1质量守恒定律中的一个实验。有文献及其实验为证，很多一线教师在实验过程中，溶液颜色和铁钉表面发生的现象变化与教材图示不相同，有的溶液没有变成浅绿色，铁钉表面出现黑色物质，而不是红色。这些影响着实验教学的效果，影响学生获得知识的过程。有的一线教师在没做出与教材图示相符的现象时，甚至让学生直接机械记忆正确的实验现象，应对考试。这不利于培养学生的科学素养，不利于学生的全面发展。为此，笔者将对该实验的最佳实验条件进行探讨，以期得到该实验的最佳实验条件。

一、实验指标的确定

根据教材的描述，实验的正常现象为溶液颜色变为浅绿色，铁钉上有红色物质析出。把溶液的颜色变化，铁钉表面上析出物质的颜色变化作为定性的实验指标。铁表面析出颜色的评分标准：亮红色（90～100分）、红色（80～90分）、暗红色（70～80分）、红色带有少量黑色（60～70分），黑色（60分以下），溶液颜色变化评分标准：浅绿色（90～100分）、浅蓝绿色（80～90分）、蓝绿色（70～80分）、浅黄绿色（60～70分）、蓝色（60分以下）。另外，由相关资料知，反应时间的不同，溶液的颜色也会不同。本实验将反应时间作为定量的实验指标，考虑到课堂教学的时间限制，大多实验用时不超过5分钟。反应时间的评分标准：1min以内（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）。把前两个定性指标作为主要的实验指标，反应时间这个定量指标次之。

二、实验因素、水平的确定

影响实验的因素主要有CuSO4溶液的质量分数、铁的形状、体系密封与否、加入氯化钠的量等条件。

丁吉念探讨了硫酸铜质量分数对该实验效果的影响，他用3根铁钉与不同质量分数的硫酸铜反应，结果得出CuSO4溶液的质量分数会影响本实验的实验效果，并且CuSO4溶液的质量分数为1.88%～6.02%时，实验现象效果明显。姜跟华也探讨了硫酸铜质量分数对该实验效果的影响，他用3根铁丝与不同质量分数的硫酸铜反应。结果得出当3g无水硫酸铜加入到70毫升水中时，实验效果最佳。前期实验确定CuSO4溶液的质量分数为3% 、4%、5%、6%四个水平，但发现实验现象不明显，更改硫酸铜溶液质量分数为1%、2%、3%。

众所周知，反应物之间的接触面积不同会影响反应速率。所以，本实验把铁的形状作为实验因素之一，水平为铁钉、铁丝、铁片三个水平。

姜跟华探讨了加入少量氯化钠对实验效果的影响，认为加入少量的氯化钠能加快化学反应速率，并且反应效果很好。同时姜跟华提出加入过量的氯化钠，氯化钠和硫酸铜会发生反应生成Na2[CuCl4]，其为黄色，会干扰溶液颜色的观察，从而影响实验效果，但其没有探究加入氯化钠的具体用量。实验之初采用优选法来确定氯化钠的最佳用量，0～1克，分为十个水平。根据黄金分割点法实验，发现实验溶液总是会生成黄绿色溶液，分析推测加入氯化钠的量多了，生成Na2[CuCl4]，影响了实验效果。所以，减少氯化钠的量，确定氯化钠的量为：0g、0.01g、0.05g三个水平。张先未在铁与硫酸铜的实验改进中，认为铁的用量最好为3～5根，本实验选择4根。本实验的因素水平表如表1所示。

三、实验步骤

1、用1mol/L的稀硫酸处理铁钉、铁丝、铁片。

2、用电子天平称取一定量的无水硫酸铜，并将称取好的硫酸铜加入到装有10毫升水的烧杯中，配制成一定质量分数的硫酸铜溶液，再加入一定量的氯化钠，搅拌均匀。

3、将刚配好的溶液加入到事先准备好的干净试管中，再放入4根一定形状的铁，开始用秒表计时，观察溶液颜色的变化，铁表面生成物质的颜色，记录实验现象。

4、根据表2安排实验。

5、实验结果的分析是采用综合评分法，将多指标的情况转化为单指标，再用每次实验得分来代表实验结果。考虑到本实验的实验指标的地位不一样，对指标赋予一定的权重。本实验铁表面析出物质的颜色都为红色，都是立即析出，无区别，故分析实验结果时，对其不考虑。剩下两个指标中溶液的颜色变化更为重要。所以，在综合平衡下，决定两者的权重比为7：3，指标溶液颜色变化的权重为70%，反应时间为30%。

四、实验方案及实验结果的直观分析

本实验由3个三水平因素和一个两水平因素构成，如采用最简单混合型正交表L18（2×37），也需要做18次实验，实验次数较多，浪费药品。本实验采用拟水平法，使因素C（体系密封与否）在形式上变成三水平，这样就可以使用三因素正交表L9（34），只需做9次实验，使实验操作更加简便。本实验将不加煤油密封作为因素C的拟水平，实验设计方案及结果如表2所示。

五、结论

从上述分析结果中不难看到：

第一，影响实验指标的主次因素为：

主 次

[CuSO4的质量分数] [铁的形状] [NaCl的质量] [体系密封]

第二，本实验最佳配比为A1B3C2D2 ，即硫酸铜的质量分数为1%，铁的形状为铁片，不加煤油密封，加0.01g的氯化钠，现象最明显。

【参考文献】

[1]丁吉念.一则质量守恒定律实验最佳效果研究[J].化学教育，2012，（11）：98-101

[2]姜跟华.对铁与硫酸铜溶液反应的实验探究[J].化学教与学，2013（3）：93-94

[3]张先未.加速显现“Fe与CuSO4反应”现象的新方法[J].河北理科教学研究，2005，（3）：50