正交实验法对“黑面包实验”最佳条件的研究

龚美华

（1苏州大学材料与化学化工学部　江苏　苏州　215123 2江苏省江阴长泾中学　江苏　江阴　214411）

正交实验法对“黑面包实验”最佳条件的研究

龚美华1，2

（1苏州大学材料与化学化工学部江苏苏州215123 2江苏省江阴长泾中学江苏江阴214411）

运用正交实验法，找出浓硫酸和蔗糖脱水碳化的最佳实验条件。

正交实验；浓硫酸和蔗糖；脱水碳化；最佳条件

化学必修1专题四第一单元“含硫化合物的性质和应用”中硫酸的制备和性质实验2浓硫酸和蔗糖的反应（俗称黑面包实验）（人教版化学必修一第四章第四节“硫酸、硝酸和氨”中浓硫酸和蔗糖的反应）是高一化学中的一个重要实验（如图1）。该实验反应现象为蔗糖变黑、放热、形成疏松多孔的黑色面包状物质。用此反应来验证浓硫酸的脱水性。实验中水量未标明，且实际教学时室温在10度左右反应温度太低，因此极易失败；同时实验在敞口容器中进行对环境及学生均有一定的影响。在苏教版2012年6月第7次印刷的教材中把实验进行了改进（如图2），2克蔗糖与5毫升浓硫酸混合后迅速搅拌。这样改进的优点是可以验证浓硫酸的脱水性、强氧化性；可以兼顾二氧化硫的尾气吸收较环保；缺点是搅拌操作不仅实施不便还存在一定的安全隐患，不搅拌在10℃温度下反应缓慢且极易失败。

在知网上查阅1990年至2015的期刊，有关浓硫酸与蔗糖（俗称黑面包实验）反应相关的文献共3篇。均是对实验产生的二氧化硫的性质的检验和尾气处理等进行的实验改进。本文探究影响实验成功的因素，影响黑面包实验成功的因素有多方面，如:反应物的用量、实验加水量、反应温度、糖的颗粒大小等。从影响该实验的几个主要因素出发，通过正交实验法研究该实验的最佳实验条件，从而确保实验的成功，实验现象的明显。

图1　传统实验方式

图2　改进后实验装置

一、实验指标的确定

本文从实验成功的特征现象出发，选取黑面包高度，膨胀时间。

二、实验方案设计

1.因素的确定

在实验中，对实验指标发生影响的原因称为因素。本文在控制蔗糖的颗粒大小的基础上通过对影响程度的对比、筛选，采用3个因素加以分析比较以便好中选优。这3个因素分别是:反应物用量、水的用量、反应温度。

图3　实验装置图

2.水平的确定

在实验中，由于因素所处的状态和条件的不同，可能引起指标的变化，因素的这些状态的条件称为水平。根据教材及可操作性在本实验的正交设计中，对反应物用量、水的用量、反应温度（考虑反应温度过低实验不易成功故在原实验装置上加上水浴加热如图3，通过对比试验温度过高反应太快太剧烈存在危险）。分别选择三种水平，见表1。

表1　因素水平表

本实验为三因素三水平的实验，可以选用L9（34）正交表，并对相应的数字用实验值进行代换，形成完整的实验方案。该实验设计的正交表，见表2。

表2　 L9（34）实验安排表

注:本实验中使用蔗糖均为普通白砂糖质量2克，胶头滴管每一滴为0.05毫升。

三、实验操作，实验现象及实验记录

根据表2按顺序逐一完成实验。每个实验做3次，取其平均值，并记录好各个实验的结果。每次实验中黑面包的高度以蔗糖的高度为起点，反应时间以加入浓硫酸后开始计时开始剧烈膨胀结束。实验现象见表3，实验记录见表4。

表3　实验现象

四、实验数据的分析及验证

1.实验数据分析

根据表4中R值的大小可知本实验因素显著性顺序为:C、A、B（R值越大因素的影响越显著），即反应温度对实验影响最为显著，反应物浓硫酸与蔗糖的用量次之，加水量再次之。根据实验的数据分析，本实验的最佳条件是A3B3C1。即m蔗糖（克）:v浓硫酸（毫升）的质量比为2:6；加水量为10滴；反应温度为20℃，实验效果最好。

2.验证实验选出最佳条件

由于该最佳条件不是在9次实验中产生的，而是通过正交实验分析得出的结论，因此还要追加一组验证性实验（见表5）。

表4　实验记录

表5　验证性实验

经实验:实验现象为迅速变黄变黑，黑面包均匀无断层，底部有液体剩余，故A3B3C1为本文探究所得实验的最佳条件。条件允许可以更深入的研究。

五、几点说明

1.实验装置:18×18mm试管，单孔塞及导管，电子天平（精确到0.001g），称量纸，药匙，10mL量筒（精确到0.1mL），品红溶液，氢氧化钠溶液，铁架台，标签，15厘米直尺，秒表。

2.实验试剂:南通威尔特化工厂试剂有限公司500mL（920g）分析纯（A.R）硫酸；天津市科密欧化学试剂有限公司500g分析纯（A.R）蔗糖，1.00mol/L氢氧化钠溶液，品红溶液，均直接应用，没有再做处理。

［1］沈理明.化学实验教学与研究［M］.贵阳：贵州教育出版社，2004，7

［2］王海琴，谢云英.浓硫酸脱水实验的改进［J］.中国校外教育杂志教学方法，2008，（1）

［3］斯琴毕力格，双和尔，哈申高娃.浓硫酸与蔗糖的反应及产物的检验［J］.内蒙古民族大学学报，2009，（7）：4-15

［4］冀向飞.浅谈浓硫酸与蔗糖反应试验中忽视的问题及实验改进［J］.中国校外教育上旬刊课堂教学，2012，（10）：53

1008-0546（2015）10-0083-02

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10.3969/j.issn.1008-0546.2015.10.029