正交试验探究影响金属和酸反应剧烈程度的因素

陆方愔

[摘 要] 金属和酸反应是中学化学中的热点，已有研究表明，金属和酸的反应剧烈程度不仅与金属的活动性有关，还与酸的种类，酸的浓度等因素有关。本文通过正交试验法探究金属和酸反应的最佳条件，找出影响金属和酸反应剧烈程度的因素。

[关键词] 正交试验 金属和酸反应 反应剧烈程度

金属与酸反应是沪教版九年级第五单元的一个重要实验，该实验的设计目的是通过金属分别与稀盐酸、稀硫酸反应现象的剧烈程度作为依据来判断金属的活动性。

沪教版九年级化学上学期教材中有这样一句话“镁、铁与稀盐酸反应的剧烈程度不同，说明两种金属的活动性有差异”。已有的科学事实是：金属活动性越强的金属越易置换出酸中的氢离子，反应也就越剧烈。而在实际的实验操作中，当不同种金属和不同种类的酸发生置换反应时，会出现金属活动性较弱的金属和酸的反应现象更剧烈的情况，说明影响金属和酸反应的剧烈程度的因素不仅仅只有金属的活动性。酸的种类，酸的浓度，酸的体积，金属的表面积，反应温度等都有可能影响金属与酸反应的剧烈程度。而哪种因素影响较大，哪种因素影响较小，怎样的因素水平组合可使反应最剧烈则是本次探究要研究的内容。

正交试验设计是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点。正交试验设计是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。影响金属和酸反应剧烈程度的因素有多个，且每个因素下面又会有多个水平，因此适合采用正交试验设计方法来探究。

一、实验仪器与药品

（一）实验仪器

试管、量筒、胶头滴管、烧杯、镊子

（二）实验药品

盐酸溶液（体积比1：2，1：4，1：8）、硫酸溶液（体积比1：2，1：4，1：8）、硝酸

溶液（体积比1：2，1：4，1：8）、锌、铁、铁

二、正交试验筛选

（一）试验指标

试验的指标为金属与酸反应的剧烈程度，剧烈程度的判断以气泡大小和产生

气泡的速度为依据，实验者通过观察到的现象判断反应的剧烈程度。为了更好更直接地体现实验结果，本实验对反应的剧烈程度进行赋值。具体如下：将现象最剧烈的那组赋值100，剧烈程度次之的那组赋值90，再次之的赋值80，依次递减10，直至剧烈程度最差的赋值为10。

（二）因素水平

本实验的影响因素有很多，本文筛选出了以下4个因素：

A.酸的种类

B.酸的浓度（体积比）

C.金属的种类

D.酸的体积（ml）

并将每个因素设计成三个不同水平，具体如表1所示。

（三）试验过程

正交试验的安排如表2所示，探究实验控制在同一温度（室温）下进行，并

且金属取用表面积几乎相同的块状固体。由于本探究只需观察金属和酸反应的剧烈程度，所以采用装置简单又能节约药品的试管实验。

（四）试验结果

试验数据如表3所示。

（五）试验结果分析

1.直观比较指标选出好实验方案

由表2可知这9个实验结果中以3号实验反应现象最剧烈，所以较好方案为3号实验，其水平组合为A3B1C3D3

2.计算选出较优水平组合

表3中计算得各因素各水平实验结果总和，即K1、K2、K3，同时求出了其指标平均值k1、k2、k3及k的R值。比较k值，选出最好值k。本实验中最大的K值即为最好值，各平均结果K的最好值对应的水平就是最好水平，把各因素的最好水平组合在一起，就是选出的较优水平组合。因此，计算选出的较优水平组合为A1B1C3D2

3.综合分析设计较好新方案

根据表3中R值的大小可知，本实验因素显著性顺序，即主次关系次序为C B A D，R值越大因素的影响越显著，优水平组合为A1B1C3D1 ，分析表3中的数据可知C 的极差最大， B的极差其次， A、D极差最小。因而，因素C B均取优水平，A、D因素的R值最小，是相对比较的不显著因素，对反应影响不大，允许随机取任一水平，根据使实验简捷，易操作的原则，可以取A因素2水平，D因素2水平。经过综合分析，选出的较优实验方案为A2B1C3D2组合。

（六）验证试验

选出最优方案：用从9次实验结果中直接比较选出的较好实验条件A3B1C3D3，和根据计算比较选出的优水平组合A1B1C3D2，以及综合分析得出的较优新方案A2B1C3D2进行新一批实验，从中选出指标最好的方案。

实验结果：三组实验方案中反应最剧烈的是A2B1C3D2，所以最好的方案是A2B1C3D2

三、试验总结

通过验证试验可知，金属镁与3ml体积比为1：2的硫酸溶液反应最剧烈。本

实验探究的几个因素中，相对较为显著的因素是金属种类，其次是酸的浓度，酸的种类和酸溶液的体积相对是不显著的因素。

参考文献

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[5]李桐欣.如何定量分析“金属与酸的置换反应”问题[J].中学教与学，2005，（3）：3-5